《條件非線性最優(yōu)擾動及其在大氣-海洋研究中的應(yīng)用》專著出版發(fā)行
大氣與海洋系統(tǒng)高度復(fù)雜且具有非線性特性,這使得傳統(tǒng)線性方法在研究氣候異常、極端事件和預(yù)報不確定性等方面存在顯著局限。面對這一挑戰(zhàn),科研界亟需更科學(xué)、更有效的非線性方法和工具。穆穆團(tuán)隊于2003年首創(chuàng)了“條件非線性最優(yōu)擾動”(Conditional Nonlinear Optimal Perturbations,簡稱 CNOP)方法,為探索大氣海洋系統(tǒng)演變過程中的非線性不穩(wěn)定機制開辟了新路徑。CNOP方法已廣泛應(yīng)用于黑潮、ENSO、熱帶氣旋、中高緯阻塞等多個高影響海氣事件的研究中,深刻推動了非線性理論在大氣-海洋科學(xué)中的發(fā)展。為了更好地推廣CNOP方法、服務(wù)科研實踐,中國科學(xué)院海洋所張坤副研究員與復(fù)旦大學(xué)穆穆院士、戴國錕副教授以及中國科學(xué)院大氣物理研究所徐輝副研究員合作,撰寫了專著《條件非線性最優(yōu)擾動及其在大氣-海洋研究中的應(yīng)用》,于4月由科學(xué)出版社出版。

《條件非線性最優(yōu)擾動及其在大氣-海洋研究中的應(yīng)用》專著封面
作者:穆穆 徐輝 戴國錕 張坤
全書共分8章,系統(tǒng)介紹了CNOP的理論基礎(chǔ)、數(shù)值實現(xiàn)方法,并結(jié)合大量大氣海洋研究案例,詳盡展示了其應(yīng)用價值。書中重點突出了CNOP數(shù)值求解的關(guān)鍵環(huán)節(jié),幫助讀者掌握從選取擾動變量、構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)與約束條件,到選擇優(yōu)化算法、分析優(yōu)化結(jié)果的完整流程。第1章是理論篇,介紹CNOP方法的理論基礎(chǔ),對其提出背景、發(fā)展歷程、理論框架、物理意義以及數(shù)值求解方法進(jìn)行了總體描述。第2章是數(shù)值求解篇,結(jié)合不同的數(shù)值模式,詳細(xì)介紹用多種不同策略的優(yōu)化算法數(shù)值求解CNOP,包括伴隨方法、粒子群優(yōu)化算法、差分進(jìn)化算法、梯度定義法等(可掃描本書封底二維碼下載CNOP計算程序)。第3章至第8章是應(yīng)用篇,分別介紹CNOP方法在ENSO春季預(yù)報障礙、臺風(fēng)目標(biāo)觀測、阻塞和北大西洋濤動可預(yù)報性、大西洋經(jīng)圈翻轉(zhuǎn)環(huán)流研究、黑潮大彎曲路徑變異和黑潮入侵南海研究、陸地生態(tài)系統(tǒng)模擬不確定性研究中的成功應(yīng)用。

CNOP方法在黑潮目標(biāo)觀測敏感區(qū)識別中的應(yīng)用
圖中SR1~SR4表示源區(qū)黑潮流量季節(jié)性下降、黑潮入侵南海、日本南部黑潮大彎曲路徑變異與黑潮延伸體模態(tài)轉(zhuǎn)變的觀測敏感區(qū);在敏感區(qū)內(nèi)強化觀測能顯著地提高黑潮變異的預(yù)測能力。
本書的出版,有助于培養(yǎng)更多的優(yōu)秀人才投入到相關(guān)領(lǐng)域的研究中,使得CNOP方法在大氣和海洋科學(xué)研究中能夠發(fā)揮更大作用。作者期望讀者能夠通過學(xué)習(xí)本書,將CNOP與大氣-海洋科學(xué)中的關(guān)鍵問題緊密結(jié)合,并從大氣與海洋科學(xué)中的動力學(xué)問題、計算資源的高效利用、可預(yù)報性、目標(biāo)觀測、集合預(yù)報、人工智能和深度學(xué)習(xí)等方面,進(jìn)一步推廣CNOP方法在大氣與海洋科學(xué)研究中的應(yīng)用,為實際的業(yè)務(wù)預(yù)報和預(yù)測作出貢獻(xiàn),提高我國天氣和氣候的預(yù)測水平。
本書撰寫過程中,得到了眾多專家學(xué)者的大力支持和熱心幫助,特別鳴謝段晚鎖、鄭琴、袁時金、姜智娜、孫國棟、周菲凡、王強、秦曉昊、祖子清等專家,以及提供資料、參與代碼編寫與測試的老師與同學(xué)。荷蘭皇家科學(xué)院院士、烏得勒支大學(xué)Henk教授為本書撰寫英文序,中國科學(xué)院院士巢紀(jì)平先生為本書撰寫中文序,在此致以誠摯感謝。該書的出版得到了國家自然科學(xué)基金委員會基礎(chǔ)科學(xué)中心項目(42288101)、國家重點研發(fā)計劃(2020YFA0608802)、國家自然科學(xué)基金委員會重大項目(41790475)、上海市科學(xué)技術(shù)委員會項目(20dz1200700)的資助。
專著信息:
穆穆,徐輝,戴國錕,張坤. 2025. 條件非線性最優(yōu)擾動及其在大氣-海洋研究中的應(yīng)用. 北京:科學(xué)出版社,ISBN 978-7-03-081765-5.
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