物理学 > 大气与海洋物理
[提交于 2015年10月1日
(v1)
,最后修订 2016年3月7日 (此版本, v4)]
标题: 统计与动力学性质在耦合的大气-海洋模型中的协变李雅普诺夫向量 - 多尺度效应、几何退化和误差动力学
标题: Statistical and Dynamical Properties of Covariant Lyapunov Vectors in a Coupled Atmosphere-Ocean Model - Multiscale Effects, Geometric Degeneracy, and Error Dynamics
摘要: 我们使用协变李雅普诺夫向量(CLVs)的形式主义来研究一个简化的耦合大气-海洋模型,该形式主义将基于物理的扰动方向与增长/衰减率联系起来。 该模型是通过对两种流体的准地转方程进行严重截断得到的,并包括了它们动力学/热力学耦合的简单但具有物理意义的表示。 该模型有36个自由度,参数的选择使得观察到混沌行为。 发现有两个正的李雅普诺夫指数(LEs),十六个负的LEs,以及十八个接近零的LEs。 许多接近零的LEs的存在来自于两种流体特征时间尺度之间的巨大时间尺度分离,并导致由相应CLVs张成的切空间中非平凡的误差增长特性,这些CLVs在几何上非常退化。 这样的CLVs对应于两种不同的海洋/大气耦合模式。 而由正负LEs对应的CLVs张成的切空间则表现出非病理性的行为,并且可以为有限时间LEs构建稳健的大偏差定律,从而提供了一个通用模型,用于评估沿这些方向上的长期到超长尺度的可预测性。 令人有些惊讶的是,不稳定流形的切空间在大气和海洋分量上都有很强的投影。 我们的结果突显了在多尺度混沌动力系统中使用双曲性作为概念框架的困难,而部分双曲性框架似乎更合适,这可能表明了混沌假设的一种替代定义。 我们的结果表明,当研究耦合的大气-海洋模型时,需要对不同时间和空间尺度上的误差动力学进行准确分析,并仔细设置同化方案。
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