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卫星遥感海表温度资料和高度计资料的变分同化 总被引：3，自引：0，他引：3
利用国家气候中心正在发展的第二代全球海洋资料同化系统(BCC_GODAS2.0),针对多变量同化的协调性问题,发展了一种基于三维变分框架(3DVAR)下的高度计和海表温度(SST)相互约束的同化方法。该方法使海面高度和SST资料在同一个动力约束关系下进行同化。在一般方法中,海面高度和SST观测项是代价函数中2个独立的观测项,海面高度项引入动力高度计算公式,海表温度项用统计关系进行垂向投影。在代价函数的实际求解的计算过程中,虽然其总体积分效应受海面高度观测的约束,但整个水柱中各层温盐分析变量的调整是无序的。针对这个问题,文章提出一种新的同化方案。该方案将SST的观测项并入海面高度观测项中,海面高度的一部分,确切说是上层海洋部分,由SST决定,因此至少在SST的统计关系能影响到深度的上层海洋,在代价函数的求解过程中,温盐的调整是受较强的统计关系约束的,而这种统计关系的有效性已经在很多SST的同化试验中被其他学者广泛应用并证明。利用该方法,对1993—1997年的AVHRR卫星遥感海表温度资料进行变分同化试验,用TAO、OISST和SODA数据集进行检验证明,通过对卫星遥感资料的同化能够有效改进对海洋温度和盐度的估... 相似文献
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海洋状态场的历史变化过程对其分布状态有重要影响。在观测资料稀疏的情况下,合理利用历史观测资料能够为海洋数据同化提供大量有效信息。然而在目前的顺序资料同化过程中,往往只同化当前时刻的观测数据,没有考虑到历史观测资料对当前状态的约束。四维变分虽然可以体现变量在时间维度的演变过程,但引入伴随方程会增加计算代价。本文基于集合最优平滑同化算法（Ensemble Optimal Smoothing,EnOS）探讨了一种在数据同化中加入历史观测资料的简易可行方案,其能够根据历史观测数据估计当前状态,并进行单点同化实验和区域同化实验来验证该方案的有效性。实验结果表明,将历史观测资料引入到同化过程中可以把控时间演变趋势,减小分析数据与真实值之间的偏差,更有效地消除数值模式误差,提高同化质量。 相似文献
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使用POM(Princeton Ocean Model)海洋环流模式模拟西北太平洋海域的温盐场,之后运行中国科学院大气物理研究所同化系统(Ocean Variational Analysis System,OVALS),使用Argo观测网格化产品进行2006年整个计算域三维变分同化。无论从平面分布还是断面分布来看,除海表面温度(SST)外,温度同化的效果都比较好,尤其是800 m水深以浅,均方差值甚至能减小1.0℃以上。而且随着同化积分时间的增加,同化后误差减小越来越显著,3、4月份的同化效果明显高于1、2月份。与OFES(OGCM for the Earth Simulator)海洋模式结果相比,同化在一定程度上改进了模拟结果。在POM(Princeton Ocean Model)数值模拟基础上,利用3个西太平洋代表性浮标的观测资料,运用松弛逼近法同化2006年6月断面数据。当松弛系数取0.5时,模拟时间大约半天,模拟值就能快速逼近或完全等于观测值。虽然只对观测剖面进行了数据同化,但该同化可以产生更大范围的效果,而且这种效果可以持续更长时间。 相似文献
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《中国海洋大学学报(自然科学版)》2016,(10)
四维变分同化可利用同化窗口内所有可能的观测信息优化大气、海洋模式的初始场,从而极大地提高大气、海洋模式模拟性能,而作为4DVar标准算法的伴随方法始终无法避免繁琐与复杂的预报模式伴随方程的编程、维护以及更新。为避免伴随模式的使用,集合四维变分方法,4DEnVar方法被逐渐开发,为4DVar的求解提供了一种便捷的途径。4DEnVar一般通过局地化过程消除样本不足所造成的虚假相关,而局地化方案的不同也必然会影响到其最终的同化效果。本文将一种集合样本扩展的局地化方案引入到基于Gaussian-Newton迭代算法的非线性集合四维变分同化方法NLS-4DVar中,从而避免了原算法中为进行局地化过程而额外需要的线性化假设,使得算法收敛更稳定。另外,通过将原Gaussian-Newton迭代序列进行变形、避免了矩阵的直接求逆,极大地提高了同化算法的计算效率。利用非线性动力模型Lorenz-96所开展的观测系统模拟试验表明:采用新的样本扩展型局地化方案的NLS-4DVar算法,其同化精度略优于NLS-4DVar原始算法,由于避免了矩阵的直接求逆,其计算效率反而有所提高,同化所需时间有所降低,对于大气与海洋数据同化领域的应用具有极大的潜力。 相似文献
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针对海表高度计资料的同化,考查了背景误差协方差矩阵的不同求逆方案对同化效果的影响。所使用的求逆方案包括避免求逆的经验正交函数方案(EOF/EOF_var)、递归滤波方案(RF/RF_var)以及采用初等变换法直接求逆的方案(Inv)。基于上述方案开展了热带太平洋地区2002年1-7月的TOPEX/Poseidon高度计资料同化试验,并利用SODA再分析资料和TAO观测资料评估了各方案对温度场的同化效果,主要得到如下结果:与SODA相比较,Inv方案对模式温度场改进甚微,其余四种方案在100~300 m深度之间对温度场改进较多,在其它深度范围内则改进较少;与TAO观测相比较,EOF_var、RF_var方案对模式温度场改进最多,EOF和RF方案次之,Inv方案则对温度场改进甚少。 相似文献
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传统的四维变分数据同化方法在同化观测资料的同时可以对数值模式参数进行优化,然而传统的四维变分方法需要针对不同的数值模式编写特有的伴随模式,因此算法的可移植性差,同时计算时耗费大量资源。本文提出了一种新的基于解析四维集合变分的参数优化方法,该方法以迭代搜索得到的模式参数为基准展开扰动并构建样本集合,由此显式地计算协方差矩阵,并得到代价函数极小值的解析解,从而避免了伴随模式的使用。基于Lorenz-63模型对该方法进行单参数和多参数数值试验和优化效果检验,并在不同的同化时间窗口长度和观测采样间隔情况下,采用传统四维变分方法与之进行对比,结果显示,新方法表现出与传统四维变分相同的优化性能,都能有效收敛到真值,而新方法不需要计算伴随模式,可移植性好。本文还测试了不同的集合成员个数和模式参数真值的情况下新方法的同化效果,结果表明,新方法对集合样本个数及模型参数真值不敏感,采用较少的集合样本即可完成数据同化。 相似文献
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一个稳态Kalman滤波风暴潮数值预报模式 总被引：4，自引：1，他引：4
利用Kalman滤波资料同化技术将海洋站水位观测资料融入二维线性风暴潮模式中,研制具有资料同化能力的风暴潮预报模式,改进风暴潮模式计算结果.通过在风暴潮模式的动量方程中加入模式噪声项来修正模式本身和气象强迫力的不确定性.确定性模式的输出通过带有观测噪声的观测方程与可利用的海洋站的潮位观测资料联系起来.假定初始的模式噪声和观测噪声满足均值为0的高斯分布,用迭代法得到计算区域的状态向量的稳态Kalman滤波,进而得到风暴潮模式输出的最优线性校正结果.利用这种资料同化技术,对1956年发生在东海的一次强风暴潮过程进行了后报试验,结果表明,该同化方法对短期风暴潮水位后(预)报有一定的改进. 相似文献
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利用区域海洋模式ROMS(Regional Ocean Modelling System)及其四维变分同化模块,建立了具有资料同化能力的东中国海风暴潮数值模式,通过将海洋站水位观测资料同化到风暴潮模式中,提高了模式对风暴潮的模拟精度。四维变分同化技术能够在整个同化时间窗口保持动力协调,使模拟结果在该时间窗口内最大程度的靠近观测,同时,得到了最优预报初始场。利用该模式,对两次温带风暴潮过程进行了数值模拟,结果表明:在同化窗口内,同化对模拟精度有明显的提高;结束同化之后,得到的最优预报初始场对临近预报精度也有一定提高。 相似文献
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国家气候中心全球海洋资料四维同化系统在热带太平洋的结果初步分析 总被引：6，自引：0，他引：6
介绍了国家气候中心(NCC)“全球海洋资料四维同化系统”(简称NCC-GODAS).该系统包含观测资料预处理系统、插值分析系统和所应用的动力模式.插值分析系统采用四维同化技术方案,在时间上设置一个4周的窗口,将此窗口之内的观测资料以一定的权重插入插值分析系统,在空间上采用三维变分方案.海洋动力模式为“九五”期间LASG研制的L30T63OGCM 1 0版本.文中考察了该系统从1982年到2003年3月在热带太平洋的部分同化分析结果,并与NCEP的再分析资料和EMC/NCEP的太平洋区域海洋资料同化系统的结果进行了对比分析.结果显示,该系统的同化结果(如SST,SSTA,Nino指数,次表层海温变化等)与NCEP的同期同化结果具有很好的一致性.同时,该系统得出的海洋同化资料气候场与海洋模式气候场相比,有显著的改进.表明该系统具有较好的同化能力,其同化结果可为海-气耦合模式进行季节和跨季节的气候预测业务提供可信的海洋初始场资料,同时还可以为相关研究提供海洋分析场. 相似文献
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基于大涡模拟和局部滤波同化方法的海洋环流模式 总被引：3，自引：1，他引：2
结合最小二乘法极值原理,提出了一种基于局部谱展开的滤波同化方法,把测量数据和数值计算过程中出现的高频短波滤掉,并将高度计数据同化到了求解过程中.结果既增加了数值稳定性,又提高了数值模拟的准确性.针对在海洋环流问题中水平的流动性质和垂直的不同的特点,我们还将大涡模拟的思想和直接涡黏的思想分别应用于水平方向和垂直方向,给出的方法是一种适用于海洋环流和浅水环流问题的大涡模拟湍流模式.对热带和北太平洋一年四季非定常季风作用下环流的数值模拟表明,提出的方法非常有效,数值结果与实际相当吻合. 相似文献
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集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman filter, EnKF)是一种国内外广泛使用的海洋资料同化方案, 用集合成员的状态集合表征模式的背景误差协方差, 结合观测误差协方差, 计算卡尔曼增益矩阵, 有效地将观测信息添加到模式初始场中。由于季节、年际预测很大程度上受到初始场的影响, 因此资料同化可以提高模式的预测性能。本文在NUIST-CFS1.0预测系统逐日SST nudging的初始化方案上, 利用EnKF在每个月末将全场(full field)海表温度(sea surface temperature, SST)、温盐廓线(in-situ temperature and salinity profiles, T-S profiles)以及卫星观测海平面高度异常(sea level anomalies, SLA)观测资料同化到模式初始场中, 对比分析了无海洋资料同化以及加入同化后初始场的区别、加入海洋资料同化后模式提前1~24个月预测性能的差异以及对于厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-southern oscillation, ENSO)预测技巧的影响。结果表明, 加入海洋资料同化能有效地改进初始场, 并且呈现随深度增加初始场改进越显著的特征。加入同化后, 对全球SST、次表层海水温度的平均预测技巧均有一定的提高, 也表现出随深度增加预测技巧改进越明显的特征。但加入海洋资料同化后, 模式对ENSO的预测技巧有所下降, 可能是由于模式误差的存在, 使得同化后的预测初始场从接近观测的状态又逐渐恢复到与模式动力相匹配的状态, 加剧了赤道太平洋冷舌偏西、中东部偏暖的气候平均态漂移。 相似文献
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南海TOPEX海面高度资料的混合同化试验 总被引：16，自引：10，他引：16
应用普林斯顿海洋模式（POM），对冬季南海由TOPEX／Poseidon得到的卫星遥感海面高度资料进行混合（blending)同化试验。混合同化的权重系数由以下两者决定：南海POM模式对冬季风强迫产生响应的海面高度场之标准方差；对应期间ＴＯＰＥＸ海面高度资料的标准方差。同化结果表明，混合同化方法不失为一种简单而又有效的同化方案。同化得到的南海环流结构与未同化的模式响应场比较可以发现：海面高度资料的同化试验能够有效地修正南海环流的若干大尺度特征，特别是对冬季黑潮入侵南海东北部的动力过程，同化结果有了更准确的描述。同时，另一个重要的修正表现在：同化试验中瞬变的中等尺度涡旋得到加强，体现了南海海洋天气尺度涡被资料同化所“唤醒”（trigger)。这种“唤醒”不仅明显地反映在表层环流场中，对南海次表层动力、热盐结构也有一定的影响。 相似文献
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选取2015年发生在西北太平洋的一次双台风"灿鸿"和"莲花",考察微波辐射率资料同化在双台风数值预报中的应用,采用WRF-3Dvar系统,将AMSU-A微波辐射率资料同化进数值模式用于改善模式的初始场。试验结果表明:直接同化AMSU-A辐射率资料能有效缓解台风在海面上观测资料的不足,对于数值模式初始场的改进效果要优于仅同化常规资料的效果,并且从大尺度环境场上看使模式具备更合理的环流形势,从而提高了对台风路径以及强度模拟的精度,同时对降水强度、落区的模拟更加准确。 相似文献
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本工作较详细地分析、比较了１９８６～１９８９年间热带太平洋环流数值模拟结果与相应的观测资料。作为第一部分，本文给出由中国科学院大气物理研究所自由表面海洋环流模式模拟得到的热带太平洋海面起伏与热带太平洋１８个海岛站水位计和美国地球卫星（Ｇｅｏｓａｔ）观测资料间的比较。结果表明，模式成功地模拟出与１９８６－１９８７ＥｌＮｉ ｏ而和１９８８ＬａＮｉ ａ事件相联系的热带太平洋水位场时空演变。如１９８６年下半年暖水在日界线附近堆累和水位上升；１９８６年底这一高水位区以Ｋｅｌｖｉｎ波形式迅速向东太平洋和南美沿岸地区传播，且该地区水位场演变呈双峰结构。模式海面起伏与１８个海岛站间平均相关系数高达０．７９，与其平均误差为４．５ｃｍ；与Ｇｅｏｓａｔ观测相比，模式海面起伏相关系数的区域平均值为０．３６；文中还讨论了对模式的进一步改进工作和海面起伏观测资料在自由表面海洋环流模式中的同化应用等问题。 相似文献
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资料同化中的伴随方法及其在海洋中的应用 总被引：2，自引：0，他引：2
兰健 《中国海洋大学学报(自然科学版)》1998,(2)
较系统地综述了资料同化中各种方法的分类,并着重说明了伴随方法的基本原理和具体实现步骤。并总结了伴随方法在海洋中的应用现状,并指出由于观测资料特别是遥感资料的日益丰富,伴随方法将有广泛地应用前景。 相似文献