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Hindcast(后报、追算、后向预报)技术的气候应用前景—时空箭头谈

已有 20775 次阅读 2014-2-23 17:50 |个人分类:大气科学|系统分类:科研笔记| 气候, 应用, Hindcast


                                       ——南辕北辙,汉语“前后”的时间箭头与空间箭头颠倒

                                     ——汉语时间之“前”表示过去,空间之“前”表示未来

                                     ——老外傻眼,汉语“空前”之“前”原来是时间箭头

                                     ——(工程)水文学着眼于过去,气候学着眼于未来

   

    Hindcast或hindcasting在气候研究中的出场频率已逐渐增加,加州大学伯克利分校的一则科学报道(见附2)更强调了hindcasting技术在地球科学领域的应用价值。

    Hindcast用于科学领域最早可能是在海浪的研究中,与二战时的军事登陆有关,这个词迄今尚未进入一般的英语辞书。

    Hindcast的汉译,在大陆通常译作“后报”、近来也有译作后向预报;在台湾一般译作“追算”。

   据一篇台湾文献介绍(http://ocean.cv.nctu.edu.tw/NRCEST/teaching/oceaneng/CH4.pdf):“一般波浪推算(wave calculation) 必需配合适当的气象资料及波浪资料,建立风与波浪之关系公式,以利于在实用上可以从风资料计算出波浪特性。若由过去风的记錄,推算过去发生的波浪特性,称为波浪追算(wave hindcasting) ,相对的,若由过去或现在的气象资料,先推算未來的风场资料,再來计算未來的波浪特性时,称为波浪预测(wave forecasting) 或称波浪预报(wave prediction) 。不論过去、现在或者未來,凡从风场之结构來计算波浪性质,均称为波浪推算(wave calculation)。”

   据维基百科http://en.wikipedia.org/wiki/Hindcast介绍,Hindcasting也被称作backtesting。

   在历史气候学与历史水文学研究或古气候学与古水文学等领域,尽管不见得冠以Hindcasting之名,但与该类方法类似的应用似乎已有年头。

   现代水文学中对于水文模型的率定与验证似乎也相当于Hindcasting。水文学的传统方向,特别是工程水文学,非常强调对于过去水文情势的探究,因为水利工程的安全主要依赖对过去发生过的洪水的准确评估。

   中国水利专家周魁一自创的历史模型论在理念上与Hindcast有相通之处。

   中西方均存在时间、空间“前后”共用的现象,比如after,既可表示时间的以后,也可表示空间的后面。不过,在中文语境中,将反映过去情景称作“后报”十分勉强、因为“后报”在中文中有歧义(比如,事后报应、容后相报都是着眼于未来,而不是过去),公众可能也难以接受。气候科学作为一个倍受社会注目的学科,应当考虑易解性、科学性。“气候后报”字面上有些难以捉摸,“气候后向预报”字面上尚可,但嫌太长。

   我认为,hindcasting在功能上近于英语语法中的“过去将来时”,“hind”是指空间意义上的后面,与汉语“顾”意味相仿,乃“瞻前顾后”之空间回“顾”也,译作“顾报”是一个很好的方案,在气候领域可称作“气候顾报”。当然,为求得更多的共识,保留“后报”的说法未尝不可,这与“气候强迫”的直译类似。

   台湾译法“追算”中的“追”也是一个很有趣的字,从空间而言,“向前追”、“前瞻”比较相宜,寓意未来。然而,在时间上“追”在古代就有“前溯”之意,寓意过去。依我之见,“后报、追算”都不如“顾报”贴切。

   总体而言,我觉得使用含糊其辞的“气候后报”很可能会给气候研究者带来后患、招致舆论攻击,这一点与水文学中的N年一遇、百年一遇、千年一遇相似。Climate hindcasting实际上可以单独存在,也不是预报的必经之道,但“气候预报、预测”与“气候后报”在汉语句式上与财务上的“预算”、“决算”很相似,而“气候后报”表面上类似“气候决算”。因为财务预算之后必有决算,“气候决算”的外形会给社会与公众一个心理预期、以至将之视为“气候预报”之后的必经程序,这就可能陷气候从业者于不利之地。“气候顾报”则无这样的副作用。


附1:科学网涉及“时间箭头”的博文一瞥

因果律---时间箭头        http://blog.sciencenet.cn/blog-271800-674315.html

时间的可逆性             http://blog.sciencenet.cn/blog-927304-688806.html

时间之困惑               http://blog.sciencenet.cn/blog-2344-11389.html

个人的时间与群体的时间——再论科学网的时间维  http://blog.sciencenet.cn/blog-210844-685712.html

“时间”是个什么玩意儿? http://blog.sciencenet.cn/blog-39731-725925.html

附2:百度百科“时间箭头”条目

http://baike.baidu.com/link?url=EaZerFkOhmylLNepsreKV8aY9eqWQdCtzoweLKSN3uzX3bw-6SWAPqI50PqZtuij

   当人们试图统一引力和量子力学时,必须引入“虚”时间的概念。虚时间是不能和空间方向区分的。如果一个人能往北走,他就能转过头并朝南走;同样的,如果一个人能在虚时间里向前走,他应该能够转过来并往后走。这表明在虚时间里,往前和往后之间不可能有重要的差别。另一方面,当人们考察“实”时间时,正如众所周知的,在前进和后退方向存在有非常巨大的差别。这过去和将来之间的差别从何而来?为何我们记住过去而不是将来?因此我们引入热力学时间箭头的概念。

附3:http://journals.tdl.org/icce/index.php/icce/article/viewFile/911/008_Arthur

                                             WAVE  FORECASTING  AND  HINDCASTING

                                                        Robert S. Arthur

           Scripps Institution of Oceanography,University of California,La Jolla, Califorma

                                                         INTRODUCTION

As  a  result  of  wartime  research  on  ocean  surface  waves  a  methbd  has  been

available  since  1943  for  the  prediction  of  wave  characteristics  of  interest  to

engineers  (O'Brien  and  Johnson,  1947).  The  initial stimulus  for  the  development

came  during  the  planning  of  the  invasion  of  North  Africa,  and  the  methods  subsequently  devised  were  later used  in  a  number  of  amphibious  operations  (Bates,  1949).

The  same  techniques  have  found  useful  peacetime  application  in  problems  connected

with  coastal  engineering.  Much  of  the  application  to  date  has  consisted  in  applying  wave  prediction  techniques  to  historical  rather  than  current  meteorological

data,  hence  the  term  "wave  hindcasting."

附4:维基百科中对于Hindcast的介绍

http://en.wikipedia.org/wiki/Hindcast

A hindcast is a way of testing a mathematical model. Known or closely estimated inputs for past events are entered into the model to see how well the output matches the known results. Hindcasting is also known as backtesting.

An example of hindcasting would be entering climate forcings (events that force change) into a climate model. If the hindcast showed reasonably accurate climate response, the model would be considered successful.

In oceanography[1] and meteorology,[2] hindcasting usually refers to a numerical model integration of a historical period where no observations have been assimilated. This distinguishes a hindcast run from a reanalysis. Oceanographic observations of salinity and temperature as well as observations of surface wave parameters such as the significant wave height are much scarcer than meteorological observations, making hindcasting more common in oceanography than in meteorology. Also, since surface waves represent a forced system where the wind is the only generating force,wave hindcasting is often considered adequate for generating a reasonable representation of the wave climate with little need for a full reanalysis. Hindcasting is also used in hydrology for model stream flows.[3]

The ECMWF re-analysis is an example of a combined atmospheric reanalysis coupled with a wave model integration where no wave parameters were assimilated, making the wave part a hindcast run.

附5:科学网涉及Hindcasting的相关博文:

1.全球变暖的一个佐证——一篇新的文章

http://blog.sciencenet.cn/blog-361793-614557.html

博主邵璞介绍:“这篇我们组的题为“The Hindcast Skill of the CMIP Ensembles for the Surface Air Temperature Trend”(http://www.agu.org/pubs/crossref/2012/2012JD017765.shtml)的文章刚刚发表在JGR-Atmospheres上”

2.科学院-第三世界科学院-世界气象组织论坛(CTWF)日程安排

http://blog.sciencenet.cn/blog-361793-384268.html

Dynamical Downscaling of Seasonal Climate Hindcast and Validation Experiments using Regional Spectral Model (RSM) over South Asia                 Muhammad Amjad 

附6:http://newscenter.berkeley.edu/2012/06/12/hindcasting-helps-scientists-improve-forecasts-for-life-on-earth/

               Hindcasting helps scientists improve forecasts for life on Earth

 Earth’s changing environment and rapidly growing population are pushing plants and animals out of their native habitats, but current models that predict how this will affect the ecosystem are little more than educated guesses. And when the models have been tested, they’ve been wildly inaccurate.

 A large and diverse group of scientists at UC Berkeley has launched a unique program, the Berkeley Initiative in Global Change Biology (BiGCB), to improve the reliability and accuracy of these models. The experts are employing hindcasting — “predicting” what happened during past episodes of climate change — to help them develop and test new models that will improve forecasting.

 “The only way to test a model and improve forecasting is through hindcasting,” said Charles Marshall, director of the University of California Museum of Paleontology and a UC Berkeley professor of integrative biology. “Once we have a tested model that accurately tells us what is likely to happen to biological systems, we can construct policies to minimize unwanted impacts.”

附7:http://luxury.qq.com/a/20080307/000010_1.htm

                                                         古气候学家眼中的气候变化

                                              2008年03月07日10:01   《三联生活周刊》  莫如

                                                            博古能否通今?

  就连被世人承认的全球变暖,在古气候学家眼里也并非什么出格的事。“气候从古至今都是波动的。通过分析过去若干年,比如说1000年内的气候波动,如果发现全球变暖在过去1000年内同样发生过,而人类历经此过程又继续存活,那我们就不必为此感到恐慌。”邵雪梅说。

  “此外,古气候数据对气候模型的改进非常有用。”所谓气候模型,就是利用数学方法对天气变化进行模拟。天文学家用公式计算天体运行轨道,气候学家也希望计算出天气变化情况。但是“目前人们对气候变化的过程并非十分了解,因为对某些气候现象的研究不得不进行假设,而且越精确的模式需要的观测资料越多,对计算机的容量和计算速度要求越大,这些都是目前无法解决的问题”,气候模型专家马柱国表示。

  除此之外,科学家还建立了古气候模式,用模型对古代的气候进行模拟,这在原理上和对现代和未来气候进行模拟的气候模式是一样的。“模型既可以预测未来,也可以模拟过去。我们的研究结果可以和古气候模式的模拟结果进行对比,进而修正古气候模式的不足,加深对气候成因的认识,而这一切,反过来又能帮助气候模型进行修正。”邵雪梅说。不过,马柱国也表示,目前我们国家的气候模式用于季度、年度的预报和未来50~100年的气候变化预测,但尚未用于古气候模拟的研究中。

  既然了解过去是为了预测未来,那么,如果我们对过去的气候足够了解,对气候系统的过程和机制认识透彻,未来任何时候的气候状态都可以预测吗?

  很遗憾,在专家们眼中答案是否定的。

附8:开放期刊《昔日气候》的一篇后向预报论文

http://www.clim-past-discuss.net/9/4771/2013/cpd-9-4771-2013.html

Hindcasting the continuum of Dansgaard–Oeschger variability: mechanisms, patterns and timing

                L. Menviel1,2, A. Timmermann3, T. Friedrich3, and M. H. England1,2
1Climate Change Research Centre, University of New South Wales, Sydney, Australia
2ARC Centre of Excellence in Climate System Science, Australia
3International Pacific Research Center, School of Ocean and Earth Sciences and Technology, University of Hawai'i at Mānoa, Honolulu, Hawaii, USA

Abstract. Millennial-scale variability associated with Dansgaard–Oeschger (DO) and Heinrich events (HE) is arguably one of the most puzzling climate phenomena ever discovered in paleoclimate archives. Here, we set out to elucidate the underlying dynamics by conducting a transient global hindcast simulation with a 3-dimensional intermediate complexity Earth system model covering the period 50 ka BP to 30 ka BP. The model is forced by time-varying external boundary conditions (greenhouse gases, orbital forcing, and ice sheet orography and albedo) and anomalous North Atlantic freshwater fluxes, which mimic the effects of changing Northern Hemisphere ice-volume on millennial timescales. Together these forcings generate a realistic global climate trajectory, as demonstrated by an extensive model/paleo data comparison. Our analysis is consistent with the idea that variations in ice sheet calving and related changes of the Atlantic Meridional Overturning Circulation were the main drivers for the continuum of DO and HE variability seen in paleorecords across the globe.




https://blog.sciencenet.cn/blog-350729-770300.html

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