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经典变分同化基于误差服从高斯分布理论,在同化受云影响的红外探测器通道亮温时,需进行云检测或只同化权重函数峰值位于云顶之上的通道亮温。在云检测过程中需对亮温进行严格的质量控制以剔除"离群值",导致丢失大量有用数据。文中基于带约束项非高斯模型的广义变分对高光谱大气红外探测器(Atmospheric Infra-Red Sounder,AIRS)受云影响亮温进行了初步的同化研究。在执行过程中,首先,动态选择AIRS通道形成通道子集。其次,把云参数(有效云量和有效云顶气压)作为辐射传输模式输入变量参与变分同化极小化迭代并用于通道子集亮温模拟。同化试验结果表明,对于高云,基于Cauchy-估计的变分同化反演结果最好,而对于中云和低云,基于Huber-估计得到了较好的同化反演结果。然而,在反演模式高层温度时,基于Fair-估计反而得到了较差的结果,但其对于湿度反演效果较为理想,其结果可能与Fair-估计分布的固有特点有关。带约束项广义变分同化方法对受云影响亮温的同化效果比经典变分方法的好,但依赖于M-估计的选取。 相似文献
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提出一种基于变分理论的双偏振多普勒天气雷达反演雨滴谱方法,最优反演雨滴谱的同时可实现衰减订正。反演过程中使用一种新型观测算子,利用滴谱仪实测数据计算状态变量和双偏振参量,使观测算子更能代表本地降水特性。将新型观测算子、误差协方差矩阵和状态变量的先验估计用于代价函数中,基于高斯-牛顿迭代方法求解代价函数得到最优雨滴谱。利用理想模拟试验和南京信息工程大学C波段双偏振多普勒天气雷达实测个例对算法进行验证和评估。结果表明:算法反演得到的状态变量(液态水含量LWC和质量权重平均直径Dm)与滴谱仪数据计算结果的相关系数达到了0.96和0.80,相对偏差为25.19%和10.63%,均方根误差比常规反演结果改善了50%左右,比基于模拟观测算子的变分反演结果改善了30%左右,最优反演雨滴谱得到的降雨率R和雨量计数据相关系数达到0.89,相对偏差为14.78%。 相似文献
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应用Bayes算法估计核函数误差对大气温度廓线反演的影响 总被引：2，自引：2，他引：2
核函数的误差(简称KFE)是引起反演方程数值解不稳定的根本原因之一,也是物理反演法用于TOVS资料业务处理的基本障碍。本文基于Bayes算法和考虑KFE的适当统计假定,导出了估计KFE效应的方法。使用NOAA-7气象卫星测值,依据NFSDIS透过率资料算出的核函数,以及两年二月气候资料计算的协方差矩阵等数据,按此方法估计了KFE效应对温度廓线反演精度的影响,并对KFE引起反演解中的系统偏差和随机误差分量也作了定量计算,揭示出了系统偏差在非适定问题解中的主导作用。 相似文献
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核函数的误差(简称KFE)是引起反演方程数值解不稳定的基本原因,也是物理反演法用于气象卫星多波段定量资料业务反演和判释的主要障碍。为了探索KFE和反演问题非适定性的内在联系,本文使用改进的Bayes和ТИХОНОВ-TWOMEY调整算法,根据不同的核函数宽度、待估参数的验前信息协方差矩阵,以及NOAA-7卫星的辐射率测值,通过求解设计的两个统计模式,初步地估计了KFE对温度廓线反演精度的影响,并对KFE在反演解中引起的系统和随机误差作了分析,为具体求解这类反演问题的完全解提供了可能性。 相似文献
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应用雷达回波强度资料反演大气云微物理量 总被引：6，自引：4，他引：2
文中利用三维变分原理 ,由多普勒天气雷达回波强度反演模式大气的雨水混合比 qr,分析变量 qr 的确定取决于对目标函数的极小化计算 ,目标函数由分析变量 qr 与 qr 的背景场之差 ,以及由分析变量演算的大气回波强度与雷达观测的回波强度之差构成。采用所谓的NMC方法求取模式变量的背景场误差协方差矩阵 ,采用二阶自回归型相关函数确定空间水平变换中的递归滤波系数以适用于反映积云结构的小尺度空间。通过理想数值试验 ,验证了变分同化系统和结果的合理性 ,由敏感性试验说明了雷达观测的回波强度随机误差对于反演的qr 值有一定的影响。对 2 0 0 2年 6月 19日安徽省马鞍山市一次多普勒雷达实际观测数据的个例试验表明 ,经过变分同化反演后的积云尺度模式大气的 qr 场与观测的雷达回波图像的细节相吻合。 相似文献
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用卫星遥感资料反演气象参数的误差分析及数值试验 总被引：4，自引：2，他引：4
首先从理论分析入手，定性地探讨了用气象卫星遥感探测辐射测值反演气象参数的误差特性，进而用同步物理反演法进行了反演误差的数值试验，定量地揭示了反演误差的来源及特性。这些理论分析和数值试验对设计遥感系统、提高反演精度等都具有一定的指导意义。 相似文献
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集合卡尔曼平滑和集合卡尔曼滤波在污染源反演中的应用 总被引：7，自引：8，他引：7
此文目的是讨论污染源反演问题的统计方法.基于Bayes估计理论,该文将资料同化中的集合平滑、集合卡尔曼平滑和集合卡尔曼滤波应用在污染源反演问题中.在详细给出污染源反演的集合平滑、集合卡尔曼平滑和集合卡尔曼滤波的严格数学表达后,用一个简单的模型演示了集合卡尔曼平滑和集合卡尔曼滤波在污染源反演中的可行性,并且通过对比理想试验结果比较了集合卡尔曼平滑和集合卡尔曼滤波方法在反演污染源排放的效果,讨论了观测误差和污染源先验误差估计对反演结果的影响.试验结果表明在观测间隔小和观测误差小的情况下,集合卡尔曼滤波和集合卡尔曼平滑都可以有效地反演出随时间变化的污染源排放.当观测误差增大时,集合卡尔曼滤波和集合卡尔曼平滑的反演效果都有一定降低,但是反演误差的增加少于观测误差的增加,同时集合卡尔曼平滑(Ensemble Kalman smoother,简称EnKS)对观测误差比集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman filter,简称EnKF)更为敏感.当观测时间间隔较大时,EnKF不能对没有观测时的污染源排放进行估计,仅能对有观测时的污染源排放进行较好的反演.而EnKS可以利用观测对观测时刻前的污染源排放进行反演,因此其效果明显好于EnKF,并且在观测时间间隔较大的情况下依然可以较好地反演出污染源排放.试验结果还显示污染源排放的先验误差估计对反演的结果有较大影响. 相似文献
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红外高光谱资料模拟大气廓线反演对云的敏感性 总被引：3，自引：1，他引：2
用不同云顶高度和不同有效云量时的星载红外高光谱观测值，模拟大气温湿垂直廓线反演对云参数的敏感性。用特征向量统计反演法按照云顶高度和有效云量分类反演了大气温湿廓线，统计了不同云高（200，300，500，700和850hPa）及云高有50hPa误差时温度、水汽混合比反演的均方根误差随有效云量的变化。结果表明，随着有效云量的增大，云顶以下各高度层上的温度、水汽混合比反演误差都明显增大。云高有50hPa误差较准确已知而言，温度和水汽混合比的反演误差增大，但温度反演对云高误差的敏感性比水汽反演要高。 相似文献
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一种新的COSMIC大气折射率资料观测误差估计方法及在GRAPES全球三维变分同化中的应用 总被引：1，自引：0，他引：1
观测误差协方差是变分同化系统中决定分析及预报效果的关键参数之一,观测误差的估计精度直接影响变分同化分析和预报效果。分析了新息增量法(H-L法)估计全球定位系统无线电掩星这类观测点不固定资料的观测误差的适用条件,并利用1年的气象、电离层及气候星座观测系统(COSMIC)折射率资料,针对局地观测算子,估计了COSMIC折射率在南、北半球高、中、低6个纬度带四季的观测误差,分析了COSMIC折射率观测误差的纬度、高度和季节变化的特点,并将估计的折射率观测误差应用于GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)三维变分同化系统。结果表明,折射率观测误差随高度和纬度有明显变化;在中、高纬度带,折射率观测误差有显著的季节变化:夏季折射率的观测误差约为冬季2倍,春、秋两季折射率误差具有较好的南北对称性,冬、夏两季折射率观测误差南、北半球差异较大。与GRAPES原来使用的全球平均单一的折射率观测误差相比,在GRAPES全球三维变分同化系统中使用本研究估计的较高精度的随纬度变化的COSMIC折射率观测误差能够提高GRAPES全球变分同化系统的预报水平。 相似文献
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Jie HE Xulin MA Xuyang GE Juanjuan LIU Wei CHENG Man-Yau CHAN Ziniu XIAO 《大气科学进展》2021,38(9):1510-1524
The existence of outliers can seriously influence the analysis of variational data assimilation. Quality control allows us to effectively eliminate or absorb these outliers to produce better analysis fields. In particular, variational quality control(VarQC) can process gray zone outliers and is thus broadly used in variational data assimilation systems. In this study,governing equations are derived for two VarQC algorithms that utilize different contaminated Gaussian distributions(CGDs): Gaussian plus flat distribution and Huber norm distribution. As such, these VarQC algorithms can handle outliers that have non-Gaussian innovations. Then, these VarQC algorithms are implemented in the Global/Regional Assimilation and PrEdiction System(GRAPES) model-level three-dimensional variational data assimilation(m3 DVAR) system. Tests using artificial observations indicate that the VarQC method using the Huber distribution has stronger robustness for including outliers to improve posterior analysis than the VarQC method using the Gaussian plus flat distribution. Furthermore,real observation experiments show that the distribution of observation analysis weights conform well with theory,indicating that the application of VarQC is effective in the GRAPES m3 DVAR system. Subsequent case study and longperiod data assimilation experiments show that the spatial distribution and amplitude of the observation analysis weights are related to the analysis increments of the mass field(geopotential height and temperature). Compared to the control experiment, VarQC experiments have noticeably better posterior mass fields. Finally, the VarQC method using the Huber distribution is superior to the VarQC method using the Gaussian plus flat distribution, especially at the middle and lower levels. 相似文献
12.
利用中国气象局大气探测试验基地的L波段探空数据和微波辐射计观测数据,采用MonoRTM辐射传输模型作为正演亮温模型,BP (back propagation) 神经网络作为反演工具,在由亮温反演大气湿度廓线的过程中,添加与样本匹配的云底高度和云厚度信息,建立新的反演模型,使新反演模型得到的反演湿度廓线和未添加云信息的反演湿度廓线分别与探空数据进行对比,获取两种反演方法各高度层的均方根误差,分析云信息对反演大气湿度廓线的影响。对比结果表明:未添加云信息时,测试样本的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.685,而添加云信息后,相关系数平均值为0.805。相比未添加云信息的反演廓线,添加云信息之后多数高度层的均方根误差均有不同程度减小,而在有云以上高度层表现尤为明显。 相似文献
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风云三号卫星微波辐射率资料的质量控制 总被引：2，自引：2，他引：0
利用双权重算法对观测增量（卫星观测亮度温度与用辐射传输模式模拟的背景场亮度温度之差）进行质量控制,模式背景场采用的是NCEP再分析资料,观测算子使用的是RTTOV（9．3v）（thefast radiative transfer for （A）TOVS model）。质量控制分两步进行：粗检验和离群值检验,目的是剔除受地表发射率或云影响的离群资料。结果表明：质量控制后观测增量标准差显著减小,偏差接近无偏正态分布,FY-3卫星微波温度探测器辐射率数据的质量得到很大的改善,为FY-3微波温度计观测亮温资料在数值预报资料同化系统中的应用奠定基础。 相似文献
14.
利用2003年10月北京地区PM10浓度流动观测资料和同期MODIS AOD(Aerosol Optical Depth)高分辨率遥感资料，采用卫星遥感地面观测变分订正处理方法，综合分析了北京地区PM10浓度的空间分布特征以及机动车排放的影响效应。动态观测试验结果表明:北京城区大部分为轻污染区, 北京近郊区PM10浓度高值区沿环路呈环状分布，其中北京西南部、南部和东北部污染较严重，北京城郊街区PM10的空间分布受机动车排放的影响较大。MODIS卫星遥感资料分析表明:北京城区及近郊区AOD值较远郊区高得多，AOD空间分布场中存在虚假高值区，AOD非均匀分布特征不明显。采取点面结合综合观测研究思路，运用卫星遥感地面观测综合变分分析方法，可以取得客观订正的显著效果。经地面实测PM10浓度变分订正后的AOD变分场可以较高分辨率信息描述北京地区AOD的非均匀分布特征，弥补地面PM10浓度观测的缺陷。 相似文献
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变分同化方法反演海气耦合模型参数的研究 总被引：1，自引：2，他引：1
采用变分资料同化技术,结合最优控制思想,对一个海气耦合模型的模式参数和强迫项进行了反演。结果表明,采用该方法对模式进行优化,既可以补偿模式参数不准确性给预报带来的误差,又可以对模式参数本身进行修正和估计,为将来在实际应用中改善更复杂的预报模式、提高预报准确率提供了一个可借鉴的思路。 相似文献
16.
地基GPS天顶总延迟由于其解算误差来源少于目前广泛应用的可降水量资料,其同化应用将会为数值预报初值场更好地提供大气信息。面向同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案的研发将会有效推进该资料在中国数值预报中的广泛应用。基于2013-2014年华北地区天顶总延迟观测资料,发展了一套针对数值预报同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案。该方案从测站稳定性和解算精度、离群值、系统偏差及标准差等考察点切入,从不同角度检查和标记出致使观测序列统计特性偏离高斯分布特征的样本。质量控制后序列统计特征量更接近三维变分系统对观测资料的性质假设,表明了所建立质量控制方案的合理性。基于北京市气象局数值预报业务系统BJ-RUC开展了连续11 d的快速更新循环预报试验。评估结果表明：同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果明显优于同化未质控天顶总延迟试验,表明所建立质量控制方案的有效性。同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果优于未同化GPS资料试验,表明天顶总延迟资料的同化应用可以有效提升预报系统的降水预报效果,特别是在无探空资料参加同化的预报时次;同化质控后天顶总延迟资料试验的降水预报效果也优于同化可降水量的试验,表明使用天顶总延迟资料代替可降水量资料在数值预报业务中开展同化应用是可行的。在天顶总延迟观测质量控制方案研发和同化应用得到了一些有意义的结果,有助于推进该观测资料在数值预报科研和业务中的应用,为提升预报性能提供技术支撑。 相似文献
17.
该文根据1998年8月的业务TOVS反演的温度、水汽垂直廓线资料以及其它资料, 利用RTTOV5模式模拟NOAA14极轨气象卫星上相应红外探测 (HIRS) 通道的辐射亮温值, 将模拟值对比实测TOVS探测资料, 结果表明, 晴空模式模拟亮温与实测值的误差小于部分有云时的误差, 模拟误差受云的影响呈反相变化, 对水汽敏感的中低层探测通道在晴空时的误差小于部分有云情况; 通过对比白天和夜间短波窗区探测通道模拟误差, 分析了其受地面反射太阳光辐射的影响的大小及其原因所在; 并利用RTTOV5的伴随模式和Jacobine模式分析了模式模拟误差对初始场云参数的敏感性。该研究为TOVS/ATOVS探测资料在3DR或4DR变分同化中的直接应用奠定了基础。 相似文献
18.
九华山受山区下垫面影响,升温期间温度的垂直分布有时出现山上温度大于山下的异常现象,即地形逆温。通过山区不同高度上温度的垂直对比以及其日变化特征分析,表明：山区地形逆温现象总是在升温期间出现的,并以日最低气温要素垂直分布的异常特征最为明显（与日平均气温、最高气温比较）;最低气温出现的逆温具有明显季节性特征;山区日最低气温垂直分布出现的地形逆温对天气变化有很好的前兆作用：升温期间有地形逆温出现,消失后必会降温,降温期间必有降水和复杂天气出现;而且形成“地形逆温”的时间和幅度与后来的降温持续时间、降温幅度及天气都有一定的对应关系。因此,在山区复杂地形中分析气温的时空变化特征,对于气温变化的分区预报和天气转变的预测都有很好的前兆作用。 相似文献
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针对GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式三维变分系统高层背景场温湿廓线外推方案的局限性,提出以气候垂直廓线重新构造高层温湿垂直结构,以减小外推方案的偏差。首先采用一维变分同化系统,展开模拟实验:分析目前模式中使用的外推方案误差及其对反演结果的影响,利用高层大气气候廓线构造垂直结构并分析同化偏差。最后,运用GRAPES全球分析预报系统进行同化实验并分析改进程度。结果显示:模拟研究表明采用高层背景场温湿廓线外推方案与实际观测相比最大偏差在1 h Pa附近可达数十度以上,不仅影响平流层,而且对对流层也有影响;用气候温度数据修正GRAPES高层温度数据,可以减少50%以上的偏差,证明了用气候值高层数据优化现行GRAPES模式中同化系统高层插值方案的可行性。全球GRAPES三维变分同化试验结果显示,改进方案不仅显著的改善平流层分析质量,对对流层中高层也有改进。 相似文献