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.     

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。     

南海北部海洋四维变分同化试验研究

为了研究四维变分同化方法在南海北部海洋数值预报中的适用性,使用海洋区域模式(ROMS),建立了南海北部海洋资料四维变分同化系统,进行了温盐廓线和海面温度数据同化试验,初步对比分析了三种四维变分实现方法的同化效果。研究结果表明,四维变分同化方法具有较好的同化效果,其中,增量强约束方法(I4DVar)具有较好的稳定性,其稳定性高于4DPSAS和R4DVar。本文研究成果为建立南海业务化海洋四维变分同化及预报系统奠定技术基础。     

北太平洋副热带模态水形成区混合层热动力过程诊断分析

利用NCEP海洋数据和COADS海气通量资料,通过诊断分析,揭示了海表热力强迫、垂直夹卷、埃克曼平流和地转平流效应在北太平洋副热带模态水形成过程中的贡献。研究表明,在北太平洋副热带3个模态水形成海域冬季混合层降温过程中,海表热力强迫和垂直夹卷效应是主导因素,二者的相对贡献分别约为67%和19%(西部模态水)、53%和21%(中部模态水)、65%和30%(东部模态水);并且在东部模态水形成海域,埃克曼平流和地转平流皆是暖平流效应,而在西部和中部模态水形成海域,仅有地转平流是暖平流效应。进一步的分析表明,海洋平流(地转平流、埃克曼平流)对北太平洋副热带模态水形成海域秋、冬季混合层温度的年际、年代际异常有显著影响,在西部模态水形成海域,海表热力强迫(62%)和地转平流(32%)是导致混合层温度年际、年代际变化的主要因子;在中部模态水形成海域,混合层温度的年际、年代际变化是埃克曼平流(32%)、地转平流(30%)和海表热力强迫(25%)共同作用的结果;相对而言,东部模态水形成海域混合层温度的年际、年代际异常主要受海表热力强迫(67%)控制。     

胶州湾高分辨率三维风暴潮漫滩数值模拟

基于海表气压项改进的FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)海洋模式,研发胶州湾高分辨率三维风暴潮漫滩数值模式(JS-FVCOM).利用 JS-FVCOM 模式通过对天文潮、台风强度和径流3要素的不同组合,共设计了5个试验,分别进行风暴潮漫滩模拟实验.分析各试验结果得到如下结论:(1)随着台风最大风速的增加,风暴潮增水迅速增加,当综合水位超过防潮堤高程后增水速度明显减慢.海水淹没范围和淹没深度受综合水位超防潮堤高程时间影响明显.(2)在入海河流的河口区,当洪水位与高潮位相遇时,由于高潮位的顶托作用,洪水下泄不畅,造成综合水位上升明显,极易发生海水漫溢现象.JS-FVCOM 的模拟结果清楚地再现了海水漫堤的淹没过程,可为紧急情况下的人员疏散提供科学的基础数据.     

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。     

水位变化对近岸人工沙坝养滩效果影响的试验研究

海滩侵蚀已经成为全球性的大问题,不仅引起了学术界广泛关注,也引起了民众的普遍关心。当前防护海滩侵蚀最有效的措施为海滩喂养,即人工补沙。本文采用极端高水位、设计高水位和0.00m水位,进行近岸人工沙坝二维断面试验,研究不同水位下人工沙坝以及岸滩的变化,探究不同水位对人工补沙养滩防护效果的影响。试验结果表明:不同水位条件下,水位低时,人工沙坝顶部在形成的沙槽,随着水位升高,沙槽消失;岸滩受到波浪侵蚀区域向岸移动,侵蚀区域面积在扩大,岸滩的淤积区域也向岸移动。本文对所研究内容利用Flow-3D进行了数值模拟研究,其结果与物理试验吻合,可为近海补沙养滩工程提供理论依据。     

渤黄东海40年温盐流模拟与初步分析

使用ROMS(regional oceanic modeling system)模式模拟了40年的渤黄东海温盐流,数据包括三维的温度、盐度、流速、流向和海表高度,同时包含了逐小时的潮汐信息。将模拟结果与观测资料和卫星反演数据进行对比,检验了模式准确性。整体上,模式模拟的水位与近岸观测值基本一致,能够准确再现风产生的增水;模式较为准确的再现了渤黄东海的温度分布,在深水区模拟的温盐剖面与观测值基本一致;模式模拟渤黄东海区域的海表高度和海表流与卫星反演结果相比偏小,但分布趋势相近。模式结果可以为研究气候变化对水位的影响和黄海暖舌的扩散过程等现象提供数据支持。     

数据同化在浅海温度同步性调查中的应用

建立了一个功能较为完善的四维同化系统,解决了温度调查资料中存在的同步性问题。为了检验同化方法和模式程序的正确性,以及讨论同步性误差的校正效果,从同化结果与锚系调查数据、同化结果与遥感数据、比对断面均方根误差和海表平均温度4个方面进行了探讨,结果表明:1)同化结果与锚系调查数据对比显示,改进参数的NMC方法(来自美国国家气象中心)能够适用于长江口外海域中的温度四维同化,同化温度结果与锚系调查数据在变化趋势上一致,在数值上最大差异不超过0.4℃;2)同化结果与遥感数据对比显示,同化结果能够将调查资料推演到完整的时空范围,并具有较好的变化趋势和精度;3)根据比对断面均方根误差分析,调查资料中两个比对断面温度间的均方差误差为3.8℃,而同化结果与实测数据的均方根误差低于0.6℃,说明同化方法有效地降低了调查资料中的同步性误差;4)海表平均温度分析显示,同化结果能够避免调查不同步引起的各种温度斑块,并且其温度分布和锋面结构能够更如实地反映实际情况。     

珊瑚礁海岸波流运动特性整体物理模型实验研究

根据现场地形在港池中建立三维珊瑚礁?潟湖?裂口海岸定床整体物理模型,采用波高传感器、流速仪和表面流速测量系统分别测量了规则波作用下珊瑚礁海岸不同位置的波浪和流场特征。结果表明:礁坪上,波高在向岸方向逐渐减小,总减小幅度为86.7%,增水先增大后减小,沿礁坪下降幅度为65.9%,水流以向岸流为主,存在着先增大后减小的趋势;潟湖中,波高靠近裂口处较大,中部最大值约为两侧最小值的2.8倍,增水则靠近裂口处最小,相比两侧最大值下降了25.5%,水流主要为对称地指向裂口的沿岸流,流速从两侧到裂口先增大后减小;裂口中波高变化不大,增水在靠近潟湖处最大,为礁坪上增水的47.6%,水流主要为离岸流,流速同样是先增大后减小。量化分析了环流驱动力、辐射应力与波面压力梯度的空间变化规律,发现礁坪上向岸流变化是平均水位梯度和辐射应力相互作用的结果,在裂口中的离岸流驱动力主要为辐射应力,而潟湖中的沿岸流变化由平均水位梯度决定的。     

数据同化——它的缘起,含义和主要方法

我国已进入流体动力学的卫星观测世纪,数据同化（有时叫“四维同化”）,势必成为随之而来的重要课题之一。针对目前人们对这一课题尚无太多了解,从而在实际工作中产生一些混乱,笔者在本文就数据同化的必要性,它的含义,它的开创和现在研究、应用中的主要方法作一比较详细的论述。     

集合数据同化方法的发展与应用概述

集合数据同化方法具有简洁概念化的公式和应用起来相对容易等优点,因此,它们获得了普及性的应用;近10年来集合数据同化方法已经得到了快速的发展。综述了包括集合卡尔曼滤波(EnKF,Ensemble Kalman Filter)、集合卡尔曼平滑(EnKS,Ensemble Kalman Smoother)、集合方均根滤波(EnSRF,Ensemble Square-Root Filter)和减秩卡尔曼滤波(SEEK,Singular Evolutive Extended Kalman Filter)等集合数据同化方法的研究进展状况。通过与其它数据同化方法的对比,总结出了这些方法的特点,探讨了我国在集合数据同化方法研究中存在的问题并展望了该方法的研究和应用前景。     

拉格朗日资料同化的研究进展

拉格朗日资料对了解海洋环流和大气环流的动力学过程起到很重要的作用,同化拉格朗日资料有很大的必要性.拉格朗日观测工具主要提供的是水团或空气微团的位置和速度等信息,因为拉格朗日资料提供的是移动框架的数据而不是欧拉格点上的模式变量,所以随着拉格朗日观测覆盖大部分海洋和全球海洋环流模式的实现,采用先进的同化方法充分利用这些资料来提高分析预报准确性势在必行.在同化方法不断的发展中最优插值、变分同化、卡尔曼滤波这几种方法都有很好的应用.     

海洋数据同化与数据融合技术应用综述

简述了不同数据同化和数据融合方法在海洋环境监测与预测方面的应用、国内外相关业务单位的海洋分析和预报系统的现状,以及海洋数据同化将来的业务化应用的发展趋势。四维变分和集合卡尔曼滤波正在成为国际上海洋环境分析与预报的主要应用方向,海-气耦合数据同化以及海冰数据同化是目前数据同化方法研究的热点。     

An experimental analysis for the impact of 3D variation assimilation of satellite data on typhoon track simulation

A series of test simulations are performed to evaluate the impact of satellite-derived meteorological data on numerical typhoon track prediction. Geostationary meteorological satellite (GMS-5) and NOAA‘ s TIROS operational vertical sounder (TOVS) observations are used in the experiments. A three-dimensional variational (3D-Var) assimilation scheme is developed to assimilate the satellite data directly into the Penn State-NCAR nonhydrostatic meteorological model (MM5). Three-dimensional objective analysis fields based on the T213 results and conventional observations are employed as the background fields of the initialization. The comparisons of the simulated typhoon tracks are carried out, which correspond respectively to assimilate different kinds of satellite data. It is found that, compared with the experiment without satellite data assimilation, the 3D-Var assimilation schemes lead to significant improvements on typhoon track prediction. Track errors reduce from approximately 25% at 24 h to approximately 30% at 48 h for 3D-Var assimilation experiments.     

An experimenal analysis for the impact of 2D variation assimilation of satellite data on typhoon track simulation

A series of test simulations are performed to evaluate the impact of satellite-derived meteorological data on numerical typhoon track prediction. Geostationary meteorological satellite (GMS-5) and NOAA‘s TIROS operational vertical sounder (TOVS) observations are used in the experiments. A twodimensional variation assimilation scheme is developed to assimilate the satellite data directly into the Penn State-NCAR nonhydrostatic meteorological model (MM5). Three-dimensional objective analyses fields based on T213 results and routine observations are employed as the background fields of the initialization. The comparisons of the simulated typhoon tracks are also carried out, which correspond respectively to the initialization scheme with two-dimensional variation (2D- Var), three-dimensional observational nudging and direct assimilation of satellite data. It is found that, comparing with the experiments without satellite data assimilation, the first two assimilation schemes lead to significant improvements on typhoon track prediction. Track errors reduce by 18% at 12 h for 2D- Var and from about 16% at 24 h to about 35% at 48 h for observational nudging. The simulated results based on assimilating different kinds of satellite data are also compared.     

各向异性背景场误差协方差构建及在“凡亚比”台风的应用

利用相临过去时段预报结果中同一时刻不同时效的模式预报场差异,计算预报误差协方差,并基于集合-变分混合同化系统将其与静态背景场误差协方差结合,从而在同化系统中构建了具有各向异性和一定流依赖特征的背景场误差协方差。单点观测理想试验显示本方案改善了静态模型化背景场误差协方差的各向同性和流依赖性问题。“凡亚比”台风的一系列同化及模拟试验表明,从台风路径、强度等方面本文方案的效果都要优于三维变分法。本文方案在不需要集合预报,计算量与三维变分法相当的情况下,给同化系统引入了各向异性、一定流依赖特征的背景误差协方差,因此本方案适于在计算资源较为紧缺情况下,对时效要求较高的预报业务中应用。     

海洋预报中的初值形成问题：以SST初始场为例

海洋初值的形成,是开展海洋数值预报的关键问题之一,在我国的海洋预报研究中,它还是一个新课题。本文从海洋观测现状出发,对海洋初值形成的主要环节及其有关理论和处理方法进行了初探,它包括大洋资料选取、资料质量控制、客观分析、初值化及四维同化等5个方面。作为举例,对SST(海表温度)模式的初值形成方法进行了阐述,实际应用表明该方法是稳定而有效的,尽管是初步的。     

海洋水温垂直分布数据同化方法研究

以一维海洋水温模型为例,利用伴随法进行海洋观测数据同化试验,以便为水温的数值预报提供较准确的初始场.文中利用泛函的Gâteaux微分和Hilbert空间上伴随算子的概念讨论了连续的伴随模型的建立,并通过选择适当的差分格式离散伴随模型,使其保持连续时的伴随关系,同时给出了水温初始场最优化过程及相应的同化试验数值结果.     

数据同化反演风应力拖曳系数以及垂向涡动黏性系数的分布

所作的孪生实验表明:通过利用变分优化控制技术将气象学和海洋学(表层和次表层)的观测资料同化到海洋的埃克曼层模型中,可将未知的边界条件(风应力拖曳系数)和垂向涡动黏性系数的分布同时反演出来.