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一个三维变分海洋资料同化系统的设计和初步应用 总被引：3，自引：1，他引：3
介绍了新完成的一个基于三维变分方法的通用海洋资料同化系统OVALS(Ocean Variational Analysis System)的设计方案和在热带太平洋海洋资料同化中的初步应用. OVALS可以同化常规的现场海洋温盐观测资料和卫星高度计资料, 其中在海面高度资料同化中引入了一个新的基于三维变分的同化方案, 该方案考虑了背景场误差的垂直相关性和非线性的温-盐关系. 非线性的温-盐关系是通过将三维变分方法中的线性平衡约束方案推广到非线性的情况来实现的, 从而通过同化高度计资料来直接调整模式的温度和盐度场. 另外, OVALS还可以同化近年来投入运行的国际ARGO漂流浮标的温、盐廓线资料以及其他海温和盐度资料, 如船报海温资料和一些浮标阵列资料等. 利用OVALS和大洋环流模式在热带太平洋进行了21 a的同化试验. 试验结果表明, 同化系统通过对各种海洋资料的同化, 可以有效改进对海洋温度和盐度的估计, 其在420 m深度以浅的上层海洋的月平均温、盐度估计误差分别为0.63℃和0.34 psu. 相似文献
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中尺度涡在大洋环流中有着重要的作用. 为检验高度计资料同化应用于中尺度涡模拟的效果, 提高环流模式对中尺度涡模拟的精度, 使用三维变分的OVALS同化系统结合POM模式进行了中尺度涡同化模拟实验. 该系统将卫星高度计资料同化反演成为温盐伪观测数据, 然后再次进行常规温盐同化, 得到温盐分析场. 根据中尺度涡现象的物理特性, 经过对比检验, 对系统中的同化参数作了合理设置. 使用T/P和ERS1/2的10 a卫星高度计的海表高度异常资料, 分别用同化与非同化两种方案对西北太平洋的中尺度涡进行对比模拟实验. 将实验结果与观测数据的比较表明, 加入高度计资料同化的模拟结果远远好于未使用同化的模拟结果. 说明高度计反演温盐场的同化方法用于对于模拟中尺度涡现象是非常有效的. 相似文献
3.
《中国科学:地球科学》2015,(12)
基于国家海洋局第一海洋研究所发展的地球系统模式(FIO-ESM),设计了集合调整Kalman滤波(EAKF)同化方案并开展了海洋卫星资料同化实验.设计的数值实验包括1组控制实验和4组同化实验.控制实验由一组初始场各不相同的模式组成,将FIO-ESM模式积分1年;同化实验则在积分过程中不断对海洋模式分量进行海洋卫星数据同化.前2组同化实验分别对卫星海面高度异常(SLA)和卫星海面温度(SST)数据进行同化,后2组实验中SLA和SST均加入同化,但两种数据同化顺序不同.为了检验同化过程对气候模式中海洋模拟的影响,将实验结果与再分析数据集EN3进行了对比分析.与海洋模式不同,耦合模式在海面的动量和热量通量是由耦合过程实时计算得出,耦合模式中多变量之间的约束关系更接近实际的物理过程.海洋卫星资料EAKF同化整体显著改善了FIO-ESM中海洋模式分量的模拟结果,尤其在1000 m以浅效果更为显著.不同类型的卫星观测数据的同化效果在深度上有所不同,SST的改善效果在表层附近较大,而SLA则对次表层改善较大,且在深层SLA的改善大于SST.联合SLA和SST同化的实验结果均比单独同化一类数据的效果更佳,但不同顺序对这2种数据进行同化的差异不显著. 相似文献
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通过对数值实验的比较和分析, 提出了一种旨在改善区域耦合模式中ENSO模拟的回归修正方法. 该方法主要用于修正耦合模式中海气间交换的通量. 具体步骤如下: 首先, 利用多年的观测资料计算得到驱动海洋模式所需的动量及热量通量, 驱动海洋模式进行长期积分; 其次, 用海洋模式模拟的SST作为大气模式的边界条件, 相应积分大气模式; 再利用大气模式模拟变量和相应观测资料建立线性关系, 通过线性拟合得到修正系数; 最后, 利用随时间和空间变化的回归修正系数修正计算动量及热量通量的变量, 并用修正后的变量计算海气交换通量, 进行耦合模式积分. 同时利用一个热带太平洋-全球大气耦合模式对该方案及常用的“距平耦合”方案进行了检验. 结果表明, 该方案优于“距平耦合”方案, 不仅可以更好的控制气候“漂移”现象, 而且, 能够改善区域耦合模式在热带太平洋区域的ENSO模拟. 相似文献
5.
基于集合Kalman滤波及SCE-UA(shuffled complex evolution)算法发展了能够直接同化微波亮温的土壤湿度同化方案. 该方案以陆面过程模式CLM 3.0中的土壤水模型作为预报算子, 以辐射传输模型作为观测算子. 整个同化过程分为参数优化和土壤湿度同化两个阶段, 利用SCE-UA算法优化辐射传输模型中难以确定的植被光学厚度参数和地表粗糙度参数, 并利用优化参数作为观测算子的模型参数进行同化. 通过人工理想试验表明该同化方案可以明显改善表层土壤湿度的模拟精度, 并且对深层土壤湿度的模拟也有一定程度的改善; 利用AMSR-E亮温(10.65 GHz垂直极化)所进行的实际同化试验表明顶层(0~10 cm)土壤湿度同化结果与观测的均方根误差(RMSE)由模拟的0.05052减小到0.03355, 相对减小了33.6%, 而较深层(10~50 cm)平均减小了20.9%. 这些同化试验显示该同化方案的合理性. 相似文献
6.
提出一种新的资料同化方法——显式变分四维同化方法, 该方法将奇异值分解(SVD)技术用于四维空间的预报集合提取正交基向量, 这些基向量不但能够表现分析变量的空间结构, 也能反映它的时间演变特征. 将分析变量依截断的基向量展开后, 控制变量会显式地出现在代价函数中, 避免了传统的变分四维同化方法所必需的伴随模式的运用, 使同化过程变得简单. 用浅水方程模式和人造资料进行的一系列数值试验对所提方法的有效性作了检验并和传统的变分四维同化方法进行比较. 结果表明, 在观测点很密集, 观测和模式都没有误差的情况下, 它不如传统的变分四维同化方法好. 但是当观测点稀疏时显式方法会好于传统的方法, 它对模式误差及观测误差的敏感性也远远小于传统的方法. 相似文献
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基于卫星遥感资料的海洋表层流场反演与估算 总被引：2，自引：0，他引：2
为解决实际海流资料探测困难,难以大范围有效获取的问题,利用2000～2008年卫星高度计资料和QuikSCAT卫星遥感风场资料,开展了全球海表地转流和Ekman流的反演估算;针对不同纬度地区(赤道和赤道以外地区)地转效应和海洋运动差异,引入不同的运动学模型和反演估算方案,反演得到0.5°×0.5°的逐周全球表层流产品.对比分析表明,卫星资料反演估算的海洋表层流场能较为客观、准确地表现实际海表流场的基本特征,进而为海洋热量和海洋物质输送等研究提供了可用的海流数据信息. 相似文献
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本文基于WRF-ARW(V4.0)中尺度数值模式,选用耦合同一近地层参数化方案(Eta)的五种边界层参数化方案(MYJ、MYNN2、MYNN3、BouLac、UW),对2020年5月1—2日海南岛一次典型山地环流个例进行模拟,对比分析了这五种方案所模拟的山地环流结构和湍流特征的差异,旨在为模式应用于山地环流研究和模式改进提供一定的科学依据.研究结果表明,这五种湍流动能边界层参数化方案均能模拟出山谷风特征,对环流结构和湍流特征的影响表现为谷风时段大于山风时段.对于山地环流水平结构的模拟,因平原风推进距离的不同,五种方案模拟的近地面风速差异可达4 m·s-1以上,其中MYJ方案模拟的谷风最强盛,而MYNN3方案最弱,山区多为静风或小风.对于山地环流垂直结构的模拟,MYNN2、UW方案模拟的谷风环流较强,表现为谷风厚度较厚,推进距离较远,同时由于模拟的谷风环流可越过山顶,从而模拟的高海拔地区上升区的覆盖范围和强度均较大;MYJ、BouLac方案模拟的谷风环流均未能越过山顶,且其中BouLac方案的平原风环流未能与上坡风环流耦合;而MYNN3方案模拟的环流结构最不明显.湍... 相似文献
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郄秀书 袁善锋 陈志雄 王东方 刘冬霞 孙萌宇 孙竹玲 Abhay SRIVASTAVA 张鸿波 卢晶雨 肖辉 毕永恒 冯亮 田野 徐燕 蒋如斌 刘明远 肖现 段树 苏德斌 孙成云 徐文静 张义军 陆高鹏 Da-Lin ZHANG 银燕 余晔 《中国科学:地球科学》2021,(1)
在国家"973"项目"雷电重大灾害天气系统的动力-微物理-电过程和成灾机理"(简称:雷暴973)资助下,2014~2018年连续五年在北京组织开展了雷电(也称闪电)灾害天气系统的暖季综合协同观测实验,旨在获得对北京及周边城市群区域的雷电天气系统特征和规律的实际认识,探索雷电资料在数值预报模式中的同化方法,以期改进雷电重大灾害天气系统的预报效果.主要观测设备包括:由16个子站构成的雷电(全闪)三维定位系统、2台X波段双线偏振多普勒雷达和4台激光雨滴谱仪等,协同观测还充分利用了中国气象局在京津冀地区的中尺度气象观测网.观测结果表明,受地形和环境条件影响,飑线和多单体雷暴是影响北京地区的两类主要的雷电灾害天气系统,它们除产生频繁的雷电活动外,还常伴随突发性局地短时强降水和冰雹,造成城区突发洪涝灾害.雷电密度的高值区位于北京昌平区东部、顺义区的中部和东部以及中心城区.超强雷暴(占总雷暴数的5%)、强雷暴(占比35%)和弱雷暴(占比60%)对总雷电分布的贡献分别为37%、56%和7%.北京城区的热岛效应对过境雷暴增强产生了重要作用,超强雷暴在中心城区的雷电频数可以高达每分钟数百次.雷电活动与雷暴云的热动力、微物理特征之间存在紧密联系,因此雷电频数可以作为冰雹、短时强降水等灾害性天气的指示因子.在对流可分辨数值预报模式中,建立并引入雷电资料同化方案,通过调整或修正模式的热动力和微物理参量,可明显提高模式对强对流和降水的预报效果. 相似文献
10.
CFC-11是评估全球海洋环流模式的一个重要工具,海水中溶解的CFC-11被用来分析全球海洋模式的通风模拟.本文在中国气象局国家气候中心发展的40层全球海洋环流模式(MOM4_L40)增加了示踪物CFC-11模块,然后利用该模式研究了CFC-11在全球海洋中的分布,并评估了模式的通风能力.对CFC-11的海表浓度、柱总含量以及大洋剖面的垂直浓度分布和渗透深度进行了分析,结果表明,与观测相比,模式较好地再现了CFC-11在海洋表面的水平分布特征,CFC-11主要储存区位于西北大西洋、副热带北太平洋及南大洋,其浓度分布与温度分布梯度相反.沿三个大洋的5个剖面的CFC-11垂直分布模拟也与观测基本吻合.模式模拟的CFC-11分布情况与全球平均经向流函数吻合,在南大洋模拟效果更加接近观测值,深海模拟效果较好,渗透深度接近观测.同时,模拟与观测相比也存在偏差.比如在北大西洋主要的存储区域,模式低估了CFC-11的吸收,这与高纬的CFC-11向低纬过度输送有关,可能是受温盐环流和强迫资料的影响.总体来说,MOM_L40模式模拟大洋吸收的CFC-11总量是理想的,通过模拟被动示踪物CFC-11很好地再现了海洋的通风能力. 相似文献
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本文介绍了国家气候中心发展的一个全球海洋碳循环环流模式,并分析评估了该模式的基本性能.该模式是在美国地球物理流体动力学实验室(GFDL,Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)的全球海洋环流模式MOM4(Modular Ocean Model Version 4)基础上发展的一个垂直方向40层、包含生物地球化学过程的全球三维海洋碳循环环流模式,简称为MOM4_L40(Modular Ocean Model Version 4 With 40Levels).该模式在气候场强迫下长期积分1000年,结果分析表明,与观测相比,模式较好地模拟了海洋温度、盐度、总二氧化碳、总碱、总磷酸盐的表面和垂直分布特征.模拟的海洋总二氧化碳分布与观测基本相符,表层为低值区,其下为高值区,高值区域位于10°S—60°N之间,但2000m以上模拟值较观测偏小,2000m以下模拟值较观测偏大.总体来说,MOM4_L40模式是一个可信赖的海洋碳循环过程模拟研究工具. 相似文献
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边界层参数化方案及海气耦合对WRF模拟东亚夏季风的影响 总被引：2，自引：0，他引：2
区域气候模式的边界层参数化方案很大程度上影响着陆地-海洋-大气间水汽、动量及热量的交换,该方案的不确定性会给模式结果带来明显误差.本文基于WRF区域气候模式中四种常用的边界层参数化方案(YSU,ACM2,BouLac和MYJ)分别对东亚夏季风进行模拟研究,分析了不同的边界层方案对东亚夏季风环流及降水模拟的影响.结果表明,局地湍流动能方案BouLac和MYJ对东亚夏季风的模拟结果相对于非局地闭合方案YSU和ACM2更接近于观测,前者能更好的模拟出中国东部中低空西南风气流和西太平洋副热带高压.对于东亚夏季风降水,无论是空间分布还是季节内演变,BouLac和MYJ方案都要明显优于YSU和ACM2.此外,通过对比YSU和BouLac两种方案的模拟结果,发现边界层方案对东亚夏季风的模拟在海洋区域的影响更为显著.造成不同方案模拟差异的主要原因是非局地方案YSU和ACM2的边界层垂直混合偏强,使得海表向上输送的潜热通量明显偏强,对流更活跃,导致降水偏多以及相应季风环流的异常偏差.进一步研究指出缺少海气反馈过程使得WRF模式由边界层方案引起的模拟误差在海洋区域更为突出,引入海气耦合可以减小海表热通量误差并明显改善东亚夏季风的模拟结果. 相似文献
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复杂多变的陆地表微波比辐射率,造成陆面上星载微波观测反演大气参数较为困难,也使得许多卫星微波资料不易同化应用到数值模式,因此迫切需要提供准确可靠的陆面微波地表比辐射率信息.随着卫星观测技术的迅速发展,利用丰富的星载被动微波观测直接反演陆面微波比辐射率成为一种主要手段.国外针对星载微波成像仪和微波垂直探测器开展较为系统的陆面微波比辐射率研究,建立不同类型的地表比辐射率反演方法,开发地表比辐射率参数化方法并应用于辐射资料同化.对于卫星观测反演陆面微波比辐射率存在的问题,开展了评估分析和方法订正.国内利用卫星观测也开展了一些陆面微波比辐射率研究工作,尚需要系统、综合的提炼.对于地表特征复杂的中国地区,还需要评估认识不同陆面微波比辐射率反演方法在我国适用情况,需要增强陆面微波比辐射率数据质量的认识以及业务应用. 相似文献
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叶面积指数(LAI)是监测农作物生长的重要参数. 遥感提取LAI的方法之一是通过植被冠层辐射传输模型反演, 但多数模型反演方法都没有考虑作物LAI在不同生长阶段的变化关系. 本文在模型反演的基础上引入用作物生长模型描述的LAI随生长变化的关系, 将作物生长过程中LAI地面先验信息作为约束信息, 提取最优目标参数LAI. 要点是在耦合作物生长模型和辐射传输模型中通过变分算法在作物生长不同时刻序列同化多时相遥感观测和LAI先验知识; 在同化过程中用伴随方法求解代价函数. 采用北京昌平和顺义地区MODIS数据的同化结果显示时序遥感观测能够极大改善被提取LAI的不确定性, 对比MODIS LAI产品发现提取LAI廓线符合实际的作物生长规律, 因而比MODIS LAI产品更加可靠. 相似文献
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伴随方法在海洋数值模式中的应用 总被引：7，自引：0，他引：7
本文通过对变分资料同化方法在气象学和海洋学方面特别是在海洋数值模式中应用的简单回顾，评价了伴随方法在方法论上的优越性，首先引入包含海洋数值模式控制方程组的拉格朗日乘子，说明变分资料同化的数学原理；介绍伴随方法应用中目标函数的构造方法，简单说明了伴随方法中伴随方程的导出和伴随方法实际应用的步骤，最后就近几年国外研究进展做了简单概括。 相似文献
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高精度的卫星轨道确定是卫星应用的基础和保证,本文以新一代DORIS接收机观测数据DORIS 3.0的相位观测数据为基础,研究了相位观测数据与传统的DORIS距离变化率数据的转换方法,并以JASON-2卫星为例,基于卫星动力学定轨原理,分析了不同数据类型、不同定轨方案得到的卫星轨道精度.结果表明,1)利用3天弧段的DORIS 2.2格式距离变化率数据和数据文件提供的相位中心偏差改正,或者采用模型对天线相位中心偏差进行改正并同时对地面测站进行偏心改正时,两种方案得到的轨道三维位置精度基本一致,均优于8.7cm,说明新一代DORIS接收机相位中心稳定,变化较小,采用模型进行偏差修正完全能够满足定轨精度要求.2)采用3.0格式的DORIS数据以及天线相位中心偏差修正模型和地面测站偏心改正模型时,得到的卫星定轨精度略有降低,大约为9.2cm;SLR校核残差约为6.5cm(均方根误差).3)采用2.2和3.0两种格式的DORIS数据,利用不同的定轨方案对JASON-2卫星进行精密定轨,均可以达到2cm左右的径向定轨精度,不同的定轨方案对径向定轨精度的影响可忽略不计.因此,对于最关心卫星径向定轨精度的海洋测高卫星而言,采用本文的数据格式转换方法和定轨方案,完全可以满足其定轨任务需求. 相似文献
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本文给出了一个基于Gauss-Markov卡尔曼滤波的电离层数据同化系统的初步构建和试验结果.我们选择中国及周边地区部分涉及电离层观测的台站(包括子午工程台站、中国地壳形变网和部分IGS台站)作为观测系统进行模拟试验,背景场利用IRI模式,观测值则由NeQuick模式计算得到.我们的同化结果表明,采用Kalman滤波算法,把部分斜TEC同化到背景模式当中,能够获得较好的同化结果,说明我们设计的算法可行、所选择的各种参数比较合理,采用Gauss-Markov假设进行短期预报也取得了较合理的结果.本项研究经过进一步的改进和完善,可以用来对中国地区的电离层进行现报和短期预报,一方面满足相关空间工程应用,另一方面可以提升现有观测系统的科学意义. 相似文献
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本文在无线电掩星弯曲角射线追踪正演算子中引入水成物的影响,针对台风个例,利用FY-3c GNOS弯曲角资料的同化展开研究.通过分析水成物对掩星弯曲角正演精度的影响,指出当掩星剖面跨越一定厚度的台风区云雨大气时,多相态水成物对GNOS弯曲角正演精度的影响不可忽略.进而提出一种考虑云雨影响的掩星折射率正演算法,将掩星折射率的正演分别在晴空区和云雨区进行,在云雨区正演算子中增加多相态水成物含量对正演掩星折射率的贡献,改进了FY-3c GNOS弯曲角资料在云雨大气环境的同化方案.针对2018年24号台风个例,进行了同化的参照试验、未考虑和考虑水成物影响时GNOS弯曲角的3DVAR同化试验,考量云雨环境下的GNOS弯曲角资料同化对台风模拟的影响差异.试验结果表明,两种同化方案皆能改善台风路径预报,台风中心海平面气压模拟都能接近实际观测,台风最大风速也不同程度增大.而考虑水成物含量的影响后,资料同化能更有效缩小观测空间与背景场空间之间的偏差,同化后观测与分析的偏差更接近高斯分布,台风外围动力场和热力场环境能够得到更优的调整,使得96 h的台风路径模拟平均距离误差较不考虑水成物影响的情形减小了约14%. 相似文献
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针对对流层主要污染物(对流层臭氧、NO_2、SO_2及HCHO)的高分辨率、高频次监测需求,开展了基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟观测实验.在参考现有极轨卫星载荷的遥感监测能力和仪器参数基础上,根据静止卫星观测模型,利用正演辐射传输模式模拟观测光谱.根据最优估计反演理论,分析光谱仪的主要指标参数对各目标气体的反演敏感性和反演误差.基于各目标气体反演精度需求,提出光谱仪的观测波段、光谱分辨率和信噪比等关键指标参数的建议方案.为评估选定的光谱仪参数能否满足需求,利用大气化学输送模式模拟中国区域大气成分的三维分布,进行中国区域的模拟反演实验.结果表明,针对各目标气体,满足反演需求的实验数目均达到90%左右.臭氧总量和平流层臭氧的反演精度可达到2%,且各气体反演在太阳天顶角高于70°范围内仍可以获得有效数据.因此,我们所提出的静止卫星观测方案和仪器参数方案具有一定可行性,为优化将来中国静止轨道卫星光谱仪仪器指标提供了理论依据和模拟工具. 相似文献
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基于残差重采样粒子滤波的土壤水分估算和水力参数同步优化 总被引：1，自引：0，他引：1
陆面数据同化由于能将观测数据和模型模拟有机结合,已逐步发展为地球科学研究的重要方法之一.通过数据同化方法在模型中不断融入新的观测数据,一方面可以有效地校正陆面过程模型的预测轨迹,提高模型状态变量的估算精度,另一方面可以不断减小模型中的不确定因素,优化模型中的相关参数.在众多数据同化算法中,粒子滤波算法不受模型线性和误差高斯分布假设的约束,适用于任意非线性非高斯动态系统,逐渐成为当前数据同化算法研究的热点.本研究基于残差重采样粒子滤波算法发展了一个数据同化方案,将微波亮温数据同化到大尺度半分布式VIC(Variable Infiltration Capacity)陆面水文模型中,对土壤水分进行估算,并对模型中的三个水力参数进行同步优化.最后设计了一系列对比实验并利用美国亚利桑那州在SMEX04(Soil Moisture Experiment 2004)期间获取的一套完整的实验数据对该同化方案进行了验证.结果表明,该同化方案能够大幅度提高土壤水分估算精度,同时模型中的三个水力参数也得到了较好的优化,从而证明了该数据同化方案的有效性. 相似文献