伴随同化方法在中国近海海洋数值模拟中的应用

简述了几种常用的资料同化方法,并较为详细地阐述了伴随同化方法的基本原理。基于其在潮汐模式中、在海水温度场中和在海洋生态模型中的应用等三方面综述了伴随方法在中国近海海洋数值模拟中的应用研究现状和进展。并对伴随方法的应用前景进行了初步的评述,指出该方法可对海洋观测方案的优化发挥重要作用,其在生态学流动力学模式中的应用亦应得到充分重视。     

三次样条函数在海洋水文资料整理中的应用

本文引入三次样条函数插值法,并尝试用于海洋资料处理。根据渤海及北黄海部分海洋站的历史资料进行了试验。用SHARP—PC—1211袖珍计算机进行计算,并将资料处理的结果与传统的过程曲线法订正值作了比较。结果表明,二者之间的误差不大,而样条函数拟合更好。作者认为三次样条函数插值法是可行的,在处理海洋资料时间序列中是有效的。在有温跃层的地方,如何应用,本文也给出了必要的说明。     

复经验正交函数方法在黄海水温预报中的应用

本文介绍了复经验正交函数(CEOF)方法,并首次将其应用于黄海的水温预报,同时与依据同样资料采用经验正交函数(EOF)方法所作的预报进行了对比.比较可知,在黄海表层水温预报中,应用复经验正交函数方法所作的预报,其精度较应用经验正交函数方法提高0.20℃左右,底层预报精度相当.     

数据同化中的伴随方法及其有关问题的研究

论述了数据同化中的伴随方法与泛函分析中的伴随算子的关系，指出经典的拉格朗日乘子法可以作为伴随方法的理论基础。关于伴随方法应用中只能利用模式的伴随观点，作者认为是有疑问的，并提出了新的观点，所作的数值模拟实验表明，方程的伴随有时明显优于模式的伴随，因而说明方程的伴随也应该引起足够的重视。     

变分伴随数据同化方法在断面海温数值计算中的应用研究

以二维断面海温分布模型为例,利用海温实际观测数据,将变分伴随方法应用于断面海温初始场的优化。讨论了变分伴随方法的基本思想,分别从模型方程的连续和离散形式出发推导伴随模型系统,并对这两种途径建立的伴随系统之间的相互关系进行了分析。数值试验的结果表明了变分伴随数据同化方法在海温数值计算和数值预报业务中的良好的应用前景。     

海洋生态模型中的伴随同化方法

伴随同化方法（简称“伴随法”）在1995年被首次应用于海洋生态模型,此后,它在海洋生态模型的研究中得到了广泛的应用.在本文中,作者详细阐述了海洋生态模型中伴随法的结构和特点,具体介绍了伴随法在海洋生态模型应用中的研究进展;并且以渤、黄海NPZD生态数值模式为例,展示了伴随法的优越性.     

数据同化在海洋数值产品制作及预报中的应用研究

讨论了海洋中数据同化的目的,意义,各种数据同化方法,国内外发展现状及其在海洋数值产品制作及预报中的应用。文中还介绍了数据同化方法中的客观分析法和伴随法的原理,结合海洋中的实际问题进行了数据同化试验,给出了相应的同化试验结果,并讨论了二阶伴随理论。     

径向基函数网络在云检测中的应用

作者提出一种应用径向基函数网络 (RBF)的云检测方法。此方法要求晴空海域与有云海域均以一定数量的基函数来表征 ,两种基函数可组成一个径向基函数网络。使用欧空局沿轨道扫描辐射计 (ERS- 1/ ATSR)资料对径向基函数网络在云检测中的性能作了验证 ,重点研究网络结构的复杂度对分类结果的影响 ,并与人眼的目视解译作比较 ,结果表明径向基函数网络在云检测中性能良好。     

Hilbert变换在海浪波高与周期联合分布函数中的应用

Longuet-Higgins(1983)[1]导出了波高与周期的联合分布函数,此分布函数虽然与实际数据符合良好,但存在很大的缺陷,如:由此分布函数得出的波高分布为形式较为复杂的非Rayleigh分布,很难应用于工程计算中。孙孚(1988a)[2]应用射线理论导出了一种波高与周期联合分布,虽然弥补了Longuet-Higgins的一些缺陷,但推导过程过于复杂。本文在窄谱假定下通过应用Hilbert变换方法得出新的分布函数并与前两者比较,表明Hilbert变换的方法不但简便,而且完全克服Longuet-Higgins的不足,可以方便的应用于工程计算中。本文也为Hilbert变换的方法在工程中的应用提供了理论依据。     

求解海洋环流定常解的直接积分法与伴随法比较

海洋环流的定常解一般是通过直接积分模式一段足够长的时间而得到。近年来在海洋气候资料同化研究中,在代价函数(costfunction)中引入了时间导数项,利用伴随法求解,使时间导数项和与观测的方差之和最小,以保证解是准定常的并与观测吻合。本文将代价函数中的观测项和时间导数项分别考虑,来测试算法效能。如果在代价函数中仅有时间导数项,则问题是求海洋环流的定常解。本文的目的是通过与直接积分方法相比较,来考察伴随法求定常解的效率。利用IAP浅水方程模式及其伴随模式进行的数值试验也表明伴随法求解定常解的效率不优于直接积分的方法,需要进行大数量的迭代才能使解收敛到准定常解。如果在代价函数中仅有观测项,并且资料是完全的,伴随法可以很快地求出与资料拟合的解。这说明了如只求定常解,伴随法并不合算,其优点在于资料同化。     

解析四维集合变分参数优化方法研究

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。     

An adjoint method for the assimilation of statistical characteristics into eddy-resolving ocean models

The study investigates perspectives of the parameter estimation problem with the adjoint method in eddy-resolving models. Sensitivity to initial conditions resulting from the chaotic nature of this type of model limits the direct application of the adjoint method by predictability. Prolonging the period of assimilation is accompanied by the appearance of an increasing number of secondary minima of the cost function that prevents the convergence of this method. In the framework of the Lorenz model it is shown that averaged quantities are suitable for describing invariant properties, and that secondary minima are for this type of data transformed into stochastic deviations. An adjoint method suitable for the assimilation of statistical characteristics of data and applicable on time scales beyond the predictability limit is presented. The approach assumes a greater predictability for averaged quantities. The adjoint to a prognostic model for statistical moments is employed for calculating cost function gradients that ignore the fine structure resulting from secondary minima. Coarse resolution versions of eddy-resolving models are used for this purpose. Identical twin experiments are performed with a quasigeostrophic model to evaluate the performance and limitations of this approach in improving models by estimating parameters. The wind stress curl is estimated from a simulated mean stream function. A very simple parameterization scheme for the assimilation of second-order moments is shown to permit the estimation of gradients that perform efficiently in minimizing cost functions.     

海浪同化预报模型理论基础

将共轭变分同化方法应用于 LAGFD- WAM海浪数值模式 ,导出了海浪谱能量平衡方程的共轭方程以及风输入、破碎、底摩擦、波波非线性相互作用和波流相互作用的相应共轭源函数 ,建立了海浪同化模型 ,数值计算仍采用特征线嵌入计算格式 ,为合成孔径雷达波谱反演资料和卫星高度计有效波高资料同化奠定理论基础     

杭州湾三维悬浮泥沙输运模型初始场的伴随法反演研究

在悬沙输运的数值模拟中,初始场的准确给定至关重要。目前诸多确定初始场的方案均存在一定的缺陷,初始场的准确性有待进一步提高。本文基于一个三维悬沙输运伴随同化模型,通过孪生实验和实际实验,对模型初始场进行了伴随法反演研究。在孪生实验中,首先验证了初始场的相对重要性;其次,探讨了初始场的反演结果对优化算法、初始猜测值、卫星遥感数据数量、同化时间窗口宽度和背景流场误差的敏感性;最后,比较了伴随法和插值法重构初始场的能力。孪生实验结果表明:最速下降法对初始场的优化反演效果要优于三种共轭梯度法和有限记忆BFGS法;初始场的反演效果对初始猜测值、卫星遥感数据数量和背景流场误差不敏感,而对同化窗口宽度较为敏感;与插值法相比,伴随法是重构模型初始场更有效的手段。实际实验中,在杭州湾海域同化典型的小潮时期和大潮时期的GOCI卫星遥感资料所得表层悬沙浓度数据,优化反演了初始场。实际实验结果表明:数据同化后,得到了更符合实际的最优初始场,表明伴随法是实现初始场优化反演的有效手段。该研究对进一步改进悬沙输运模型的初始化方案具有一定的参考价值,也对其他数值模型的初始化方案具有一定的借鉴价值。     

Assimilation of TOPEX Altimeter Data in a Reduced-Gravity Model of the Northwestern Indian Ocean

This study deals with the assimilation of TOPEX altimeter-derived sea level variability in a reduced-gravity model of the northwestern Indian Ocean. The assimilation has been done using variational assimilation method with adjoint technique. A cost function representing the misfit between the model and the data is minimized with the model equations acting as constraints. The initial conditions of the model are used as control parameters and the best-fit initial conditions are determined as a result of minimization carried out using a variable-storage quasi-Newton method. Experiment has been done with 10 days' cycle-averaged data of TOPEX. Assimilation for 10 days and 20 days has been performed and it has been seen that 20 days' assimilation of satellite data provides better results.     

非线性波波相互作用共轭源函数守恒量的分析

海浪组成波中的四波共振时满足谱作用量、谱能量及动量守恒，在变分同化所建立的波谱共轭方程中，对应于非线性波波相互作用源函数Boltzman积分形式，本文建立了其共轭源函数满足的守恒关系；实际海浪计算时广泛采用Hasselmann et al．(1985)的参数化方法，本文给出其综合作用表示式，证明也满足谱作用量、谱能量及动量守恒，并进一步导出了其共轭源函数中存在的守恒量。所有的共轭源函数守恒量只是对共轭算子而言的，对于共轭波谱则不存在相应的守恒关系。     

利用伴随法优化非线性潮汐模型的开边界条件Ⅱ.黄海、东海潮汐资料的同化试验

本研究基于最优控制理论,采用变分数据同化法,通过建立伴随模型,把观测资料同化到陆架海域潮汐数值模型中去,优化开边界条件,以便提高数值预报的精度.潮汐模型的控制方程为考虑平流项、非线性底摩擦和侧向涡动粘性项的非线性浅水方程组.在第Ⅰ部分建立伴随模型和进行“孪生”数值试验的基础上,给出利用验潮站的水位资料以及TOPEX/Poseidon卫星测高数据在黄海、东海进行变分数据同化试验的数值结果.试验表明利用上述资料对模型进行变分同化校正是可行的.