Lorenz 96 模式 為Lorenz於1996年提出的經過簡化的無因次氣象模式,其方程式為
等號左側為變數 xi 隨時間的變化,右側第一項為平流項 (advection)、第二項 xi 為逸散項 (dissipation)、最後一項 F 為外力 (forcing)。
i=1~N,N為變數個數,常用的有N=36或N=40,可以想像為空間上的點,每個點上的 x 都視為一個變數,並且為週期邊界,空間分布上可以想像成一個圓的樣子 (如右圖)。更具體一點來說可以說這個模式是在模擬地球上某一個緯度線上繞地球一圈的狀態。
其中,xi=F (i=1 ~N) 為這個模式的解(奇異點?),如果所有 x 都等於 F 的話,式子的等號右邊會等於零(空間上homogeneous所以沒有平流、然後外力等於逸散項,即為外力都被逸散掉了),就變成 dxi/dt=0,x 不會隨時間變化,整個系統會穩定不變。
這個系統的非線性程度(混沌 chaos)與F相關,F<4 時系統會趨於穩定,最後掉到解的位置,也就是 xi=F (i=1 ~N) ;F>=4 時則會展現出混沌特性,在初始值有一微小誤差的話,誤差會隨著時間增加。
↑ F=4 (左)與F=3 (右)時初始值的微小差異隨時間的變化。
Lorenz 90 model 空間分布示意圖 (N=40)
假設是N=40,理論上這個模式會在一個40維度的空間裡,但實際上所有的解不會布滿整個空間,而是會有一個範圍,這個解的範圍就稱為attractor (吸子)。
如下圖左邊兩張圖所示,不同的F會有不同的attractor,xi=F (i=1 ~N) 是這個 attractor裡的奇異點,如果掉到xi=F (i=1 ~N) 的話系統就不會再動了。當F< 4時,不管從空間中哪個點開始,都會一直繞繞繞繞到一個固定的軌跡(最後掉到解xi=F的位置),所以即使初始值有微小誤差,這個誤差也不會隨著時間成長。當F >= 4時系統會不穩定,只要不是從xi=F的點開始的話,就永遠不會掉進奇異點( xi=F,因此在這樣的狀況下,xi=F 並不在此系統的attractor內),解隨時間變化經過的範圍即為attractor (如右圖的藍色線)。另外,如果是從attractor外面的點開始的話,則會先掉進attractor (見下圖,可以想像attractor為這個系統的特性空間,從一個很遠的地方開始的話系統就會先spin-up,回到原本應該有的特性)。
吸子空間示意圖,圖為Lorenz 96 model (左:F=1,右:F=8)積分一段時間的結果的其中兩個相鄰變數的軌跡線。右邊F=8時雖然是沒有規律的,但還是會在某一個解的空間裡。比較有名的吸子的例子應該是Lorenz 63模式的蝴蝶形狀的吸子,有興趣的話可以google看看。
如果從attractor外開始會先掉進attractor,接著持續在attractor內移動 (F=8, 起始點xi=20)