Kalman滤波风暴潮数值预报四维同化模式研究进展

本文首先介绍了Kalman滤波在风暴潮数值预报中的应用，特别介绍了近年来国际上发展的一些在实际中可行的次优化Kalman滤波算法。并通过一个稳态Kalman滤波风暴潮数值预报模式的实例表明，使用资料同化可以明显改进风暴潮后报结果；资料同化能够提供更为合理的预报初始场，对风暴潮的短期预报有较明显的改进。一旦没有资料同化到模式中去，预报结果很快接近确定性模式。     

四维变分同化技术在风暴潮数值模拟中的应用

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。     

风暴潮三维数值计算模式的研究及在渤海湾的应用

以实验室二维温带风暴潮数值模型为基础,综合考虑海洋潮波动力与风应力联合作用,建立温带风暴潮三维数值计算模型.模型从推导三维风暴潮基本控制方程出发,并应用交替方向隐格式(ADI)方法对方程进行离散求解.对于浅水动边界,模型采取局部深槽、缩小水域的活动边界处理方法.利用拟三维数值计算方法,并提出了非平面水深等分模式和平面等水深分布模式,应用这两种计算模式分别对渤海湾2009年5月8～10日发生的风暴潮过程进行了数值模拟.将风暴潮位计算结果和增水位计算结果与塘沽验潮站的实际观测数值进行对比验证,结果显示受风应力与潮波联合作用的风暴潮位和增水位与实测数据吻合良好;通过比较得到了平面等水深分布模式的计算成果要比非平面水深等分模式的计算成果更接近观测资料的结论,为风暴潮预报提供了理论依据.     

台湾近海水文观测体系的构建及其数据分析方法

台湾岛地处亚欧大陆和太平洋交界处,台风、东北季风等所引起的海洋灾害频繁,所以建立完备的海洋水文观测体系显得尤为重要.中国台湾自主建置完成的近海水文观测体系由资料浮标站、观测桩、潮位站、岸边气象站、雷达测波站等多种近海水文观测系统构建组成;同时,为确保观测体系的准确性和规范性,还建立了数据品质管理系统和标准化作业模式.在近海水文观测数据的分析方面,尝试应用新的数学分析方法,如通过EMD(empirical mode decomposition)方法探讨风暴潮水位变化,利用小波转换从雷达观测影像中分析近岸波浪信息,以及发展数据同化技术将观测数据应用于作业化波浪现报、预报模式.此外,近海水文观测体系在社会应用方面有着很大的发展潜质.     

台湾近海水文观测体系的构建及其数据分析方法

台湾岛地处亚欧大陆和太平洋交界处,台风、东北季风等所引起的海洋灾害频繁,所以建立完备的海洋水文观测体系显得尤为重要。中国台湾自主建置完成的近海水文观测体系由资料浮标站、观测桩、潮位站、岸边气象站、雷达测波站等多种近海水文观测系统构建组成;同时,为确保观测体系的准确性和规范性,还建立了数据品质管理系统和标准化作业模式。在近海水文观测数据的分析方面,尝试应用新的数学分析方法,如通过EMD（empirical mode decomposition）方法探讨风暴潮水位变化,利用小波转换从雷达观测影像中分析近岸波浪信息,以及发展数据同化技术将观测数据应用于作业化波浪现报、预报模式。此外,近海水文观测体系在社会应用方面有着很大的发展潜质。     

资料同化在渤黄海风暴潮重现期 计算中的应用研究

基于渤黄海沿岸 14个潮位站的历史潮位资料,同时刻同化利用 W RF 大气模式驱动风暴潮数值模型模拟得到沿岸 2忆 格点的逐时风暴增水。通过烟台潮位站的同化试验以及与观测资料完整的塘沽和羊角沟潮位站进行重现期比较分析,表明最 优插值法可以提高数值模拟法计算得到的重现期风暴潮位的准确度,至少是在潮位站附近同化后的重现期值是合理可信的, 证实资料同化在渤黄海风暴潮重现期分析中具有良好的性能,可在大范围、高分辨率进行沿岸风暴潮重现期分析中予以采 用。据此给出了渤黄海沿岸五十年一遇和百年一遇风暴潮的分析结果,以期为渤黄海沿岸今后的布局规划和堤防建设工作提 供决策支持。     

Kalman滤波法在海温数据同化中的应用研究

以一维水温垂直分布数值模型为例，探索 Kalman 滤波法在海温观测数据同化中的应用。文中给出了在 165°E 赤道海域将连续观测的海温资料同化到模型中的 Kalman 滤波法试验，计算结果表明该同化方法对改进海温数值计算是十分有效的。     

现代海洋/大气资料同化方法的统一性及其应用进展

海洋／大气资料同化的理论基础是用数值模式作为动力学强迫对观测信息进行提炼，或者说，从包含观测误差(噪声)的空间分布不均匀的实测资料中依据动力系统自身的演化规律(动力学方程或模式)来确定海洋／大气系统状态的最优估计。本文对主要的现代海洋／大气资料同化方法，包括最优插值(()ptimal Interpolation，简称()Ⅰ)、变分方法(3—Dimensional Variational和4—Dimensional Variational，分别简称3DVAR和4DVAR)和滤波方法(Filtering)的原理、算法设计和实际应用进行系统地回顾，并对这些资料同化方法的优缺点进行分析和讨论。在滤波框架下，所有的现代资料同化方法都被统一了：()Ⅰ和3DVAR是不随时间变化的滤波器，4DVAR和卡曼滤波是线性滤波器，即非线性滤波的退化情形；而集合滤波能构建非线性的滤波器，因为集合在某种程度上体现了系统的非高斯信息。一个非线性滤波器的主要优点是能计算和应用随时间变化的各阶误差统计距，如误差协方差矩阵。将非线性滤波器计算的随时间变化的误差协方差矩阵引入到（）Ⅰ或4DVAR中，也许能实质性地改进这些传统方法。在实际应用中，方法的优劣可能取决于所选用的数值模式和可获得的计算资源，因此需针对不同的问题选取不同的资料同化方法。由于各种资料同化方法具有统一性，因此可建立测试系统来评价这些方法，从而对各种方法获得更深入的理解，改进现有的资料同化技术，并提高人们对海洋／大气环境的预测能力。     

利用伴随同化方法估计渤海潮汐模式的底摩擦系数

利用伴随同化方法，根据岸边潮位站的水位观测资料反演渤海二维非线性潮汐模型的底摩擦系数。计算结果与潮位站观测资料符合良好。结果表明利用伴随同化方法从岸边潮位观测资料估计潮汐模式的底摩擦系数是可行的。     

宁波近海台风暴潮可能最大增水的数值模拟

浙江海洋经济飞速发展,突显了研究沿海地区台风暴潮等自然灾害的重要性.本研究采用无结构三角形网格有限体积海洋数值模型,模拟了宁波近海台风暴潮可能最大增水.首先选取0407号强台风“蒲公英”的增水过程进行宁波近海可能最大增水的后报分析,其结果与东海的4个地面台站水位资料相比显示后报结果的平均绝对误差为0.075 m,平均相对误差为1.32％.然后,利用该模式对1997 ～ 2012年期间影响宁波近海的15个典型台风进行了台风暴潮可能最大增水的后报,误差统计显示后报的水位平均绝对误差为0.160 m,相对误差为2.95％.最后,通过引入风暴潮集合预报技术,利用假想台风进行了预报试验,结果表明宁波近海台风暴潮的可能最高水位为7.735 m.这些研究结果可为宁波近海重点工程海域的风险评估与区划提供重要的参考.     

A numerical storm surge forecast model with Kalman filter

ImUcrIONThe deterministic storm stirge nurnrical fOrecast Tnedel has played an imPOrtant role inroutine storm surge real-time fOrecast. But somtimes the error of forecast is still large by usingdeterministic medels (Je1esnianshi et al., l992). The source of these errors mainly comesfrom (1 ) errors of wind stress and medel's open boundary, (2) non--optimized medel param-eter, (3) error of model equations, (4) error of medel's numrical methed, etc. The effec-ti ve methed to solve this probl…     

上海邻近海域风暴潮数据同化与特征分析

风暴潮是一种复杂的对众多因素敏感又备受关注的海洋现象。本文基于协方差局地化的集合卡尔曼滤波方法（EnKF）,选择201810号台风“安比”登陆上海的风暴潮过程,首次将海洋站和FVCOM数值模拟的不同来源、不同误差信息、不同时空分辨率的风暴潮进行数据同化融合,获得了逐72 h的上海海域风暴潮的最优解,进行了同化结果评估验证,并给出了集合样本数和Schur半径设置范围。结果表明,实测计算和数值模拟的风暴增减水之间均方根误差为0.20 m,实测和同化计算的风暴增减水之间均方根误差为0.07 m,准确度提高了65%;独立观测和同化计算的风暴增减水均方根误差为0.09 m,集合离散度与均方根误差比值为0.90,同化效果较好且可信;同化后的风暴增减水能够较好地刻画双峰增水、台风眼增水、增水锋面等特征,对于风暴潮研究、数值模拟结果订正、海洋防灾减灾等有重要意义。     

Parameter sensitivity of three Kalman filter schemes for assimilation of water levels in shelf sea models

In applications of data assimilation algorithms, a number of poorly known assimilation parameters usually need to be specified. Hence, the documented success of data assimilation methodologies must rely on a moderate sensitivity to these parameters. This contribution presents a parameter sensitivity study of three well known Kalman filter approaches for the assimilation of water levels in a three dimensional hydrodynamic modelling system. The filters considered are the ensemble Kalman filter (EnKF), the reduced rank square root Kalman filter (RRSQRT) and the steady Kalman filter. A sensitivity analysis of key parameters in the schemes is undertaken for a setup in an idealised bay. The sensitivity of the resulting root mean square error (RMSE) is shown to be low to moderate. Hence the schemes are robust within an acceptable range and their application even with misspecified parameters is to be encouraged in this perspective. However, the predicted uncertainty of the assimilation results are sensitive to the parameters and hence must be applied with care. The sensitivity study further demonstrates the effectiveness of the steady Kalman filter in the given system as well as the great impact of assimilating even very few measurements.     

Assimilation of the climatic hydrological data in the σ-coordinate model of the black sea by the algorithm of adaptive statistics

We realize the algorithm of adaptive statistics of forecasting errors for the assimilation of the climatic fields of temperature and salinity in the σ-coordinate model of the dynamics of the Black Sea. The principal relations of this algorithm and its simplified version based on the Kalman filter are presented. The distinctive features of realization of the algorithm specified by the model are discussed. We also present the results of comparison of the hydrophysical fields of the Black Sea reconstructed according to the algorithm of adaptive statistics and a simplified scheme of assimilation of the climatic data. It is shown that the dependence of sources in the transport equations (heat and salt diffusion) on the four-dimensional variances of forecasting errors and threedimensional measurement errors enables one to reconstruct the mutually adapted climatic parameters of the sea more exactly.     

太湖台风风暴流准三维数值模拟的应用

本文应用丁氏圆形台风模式，建立了太湖台风风暴流场的准三维数值模式，模型考虑了垂向涡粘系数沿水深变化和动量方程的修正，在对9711号（Winnie)台风影响下太湖各站水位验证的基础上，对太湖台风风暴流场进行了模拟计算。结果表明，该模式可对湖泊的台风风暴流进行复演和预测计算。从预测研究的角度看，基于台风模式的湖泊台风风暴流计算模式更有价值。     

Cyclone induced storm surge and flood forecasting in the northern Bay of Bengal

A cyclone induced storm surge and flood forecasting system that has been developed for the northern Bay of Bengal is presented. The developed system includes a cyclone forecasting model that uses statistical models for forecasting of the cyclone track and maximum wind speed, and an analytical cyclone model for generation of cyclone wind and pressure fields. A data assimilation system has been developed that allows updating of the cyclone parameters based on air pressure and wind speed observations from surface meteorological stations. The forecasted air pressure and wind fields are used as input in a 2D hydrodynamic model for forecasting storm surge levels and associated flooding. An efficient uncertainty prediction procedure based on Harr's point estimation method has been implemented as part of the forecasting system for prediction of the uncertainties of the forecasted storm surge levels and inundation areas caused by the uncertainties in the cyclone track and wind speed forecasts. The developed system is applied on a severe cyclone that hit Bangladesh in April 1991. The simulated storm surge and associated flooding are highly sensitive to the cyclone data. The cyclone data assimilation system provides a more accurate cyclone track when the cyclone approaches the coastline, which results in a significant improvement of the storm surge and flood predictions. Application of the uncertainty prediction procedure shows that the large uncertainties of the cyclone track and intensity forecasts result in large uncertainties of the forecasted storm surge levels and flood extend. The forecasting system shows very good forecasting capabilities up to 24 h before the actual landfall.     

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究——Ⅱ.集合样本对同化效果的影响

背景误差相关结构的确定是影响海浪同化效果的关键因素之一。集合Kalman滤波是一种较为成熟的同化方法,其可以对背景误差进行实时更新和动态估计,现已广泛应用于海洋和大气领域的研究。本文基于MASNUM-WAM海浪模式,分别采用静态样本集合Kalman滤波和EAKF方法,针对2014年全球海域开展海浪数据同化实验,同化资料为Jason-2卫星高度计数据,利用Saral卫星高度计资料对同化实验结果进行检验。结果表明,两组同化方案均有效提高了海浪模式的模拟水平,EAKF方案在风场变化较大的西风带区域表现显著优于静态样本集合Kalman滤波方案,但总体上两者相差不大。综合考虑计算成本和同化效果,静态样本集合Kalman滤波方案更适用于海浪业务化预报。     

基于地球系统模式的局地化粒子滤波器与集合卡尔曼滤波器同化实验

粒子滤波器(PF)是一种非常具有应用前景的非线性资料同化方法。但由于其算法本身存在的粒子退化问题,目前尚未被广泛地应用于大型地球物理模式。目前主流的集合同化系统仍然倾向于使用集合卡尔曼滤波器(EnKF)及其衍生方法。一种新近被提出的局地化粒子滤波器(LPF)在经典的粒子滤波器算法中引入局地化技术,可以使用较小的计算成本有效地避免退化问题,具有非常大的业务应用潜力。本文在全耦合的通用地球系统模式中开展了LPF和EnKF的同化实验,同化资料为模拟的卫星海表温度资料。着重考察了不同局地化参数对两种方法的不同影响,对比了局地化粒子滤波器与集合卡尔曼滤波器的同化效果差异。比较的结果表明,LPF的同化效果对于局地化参数的选择非常敏感,在使用最优局地化参数的条件下,LPF能达到与EnKF相当甚至优于后者的同化效果,并具有较大的改进空间。