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预报误差主要由两个部分组成:初始条件误差引起的初始误差和模式的不确定性引起的模式误差。随着初始条件的改善,模式误差的影响变得更为重要,然而目前的研究只揭示了模式误差总体大小的短期演变。本文详细分析了模式误差的全过程的增长规律,并讨论了模式误差和初始误差的各种关系。 本文将模式误差分解成多个由模式误差源增长而来的模式误差单元。结果表明模式误差主要来源于先期引入的模式误差单元的指数增长,而中后期出现的模式误差单元的贡献相对较小。在预报误差演变的中后期,模式误差与初始误差的演变具有类似的增长规律。模式误差与初始误差两者方差之比的演变存在四个阶段:(i)比值迅速增长;(ii)比值趋于稳定,其比值可大于1或者小于1;(iii)从稳定的比值向1接近;(iv)比值稳定在1。在阶段(ii)中出现的相对稳定的方差比值与模式误差源方差成正比,与初始条件误差方差成反比、与初始误差指数增长率的平方成反比。另外,由于吸引子大小的约束,预报误差增长受到非线性作用的抑制,导致初始误差与模式误差之间呈负相关性,其大小与两者的方差有关,当两者共同达到饱和时,其相关系数接近-0.5。同时,提出了依据初始误差增长曲线,定量计算未饱和前的初始误差和模式误差之间相关系数的方法。 为了更详细的揭示模式误差在线性增长阶段的概率密度的演变,本文以奇异矢量为坐标轴构建坐标系,导出了模式误差协方差演变的理论公式。在Lorenz96模型中的数值实验表明,用上述理论公式预测的模式误差协方差,与采用蒙特卡罗方法预测的结果一致。 本文进一利用理论公式结合Lorenz96模型中的数值实验分析了系统动力学性质和模式误差源的性质对模式误差协方差演变的影响。结果表明在模式误差源为各向同性的情况下,模式误差的协方差由奇异矢量族的演变以及模式误差源的自相关性(时间尺度)决定。吸引子动力学性质通过三个因子影响着模式误差的协方差:一是中间奇异矢量之间的斜交性质,它影响着模式误差源的协方差;二是中间奇异值的演变,它决定着模式误差源的协方差的变化;三是奇异矢量族的旋转,它使得模式误差协方差的对角线元素减少而非对角线元素增大。模式误差源的时间尺度影响着不同时刻模式误差源相互作用的强度,并调制着系统动力学性质所发挥的作用。当模式误差源的时间尺度很小时,模式误差协方差矩阵整体与模式误差源的时间尺度成正比。当模式误差尺度较大时,模式误差随着模式误差源尺度增长的变化减缓。 Lorenz96系统中的数值实验还揭示出模式误差的方差主要集中在前面少数个奇异矢量所张成的子空间里,这与初始误差的性质类似。试验结果还揭示模式误差协方差的特征矢量和排序对应的左奇异矢量的方向较为一致,但随着模式误差源尺度的增大,这种一致性变差。