一个三维变分海洋资料同化系统的设计和初步应用

介绍了新完成的一个基于三维变分方法的通用海洋资料同化系统OVALS(Ocean Variational Analysis System)的设计方案和在热带太平洋海洋资料同化中的初步应用. OVALS可以同化常规的现场海洋温盐观测资料和卫星高度计资料, 其中在海面高度资料同化中引入了一个新的基于三维变分的同化方案, 该方案考虑了背景场误差的垂直相关性和非线性的温-盐关系. 非线性的温-盐关系是通过将三维变分方法中的线性平衡约束方案推广到非线性的情况来实现的, 从而通过同化高度计资料来直接调整模式的温度和盐度场. 另外, OVALS还可以同化近年来投入运行的国际ARGO漂流浮标的温、盐廓线资料以及其他海温和盐度资料, 如船报海温资料和一些浮标阵列资料等. 利用OVALS和大洋环流模式在热带太平洋进行了21 a的同化试验. 试验结果表明, 同化系统通过对各种海洋资料的同化, 可以有效改进对海洋温度和盐度的估计, 其在420 m深度以浅的上层海洋的月平均温、盐度估计误差分别为0.63℃和0.34 psu.     

Impacts of XBT, TAO, Altimetry and ARGO Observations on the Tropical Pacific Ocean Data Assimilation

This study aims at assessing the relative impacts of four major components of the tropical Pacific Ocean observing system on assimilation of temperature and salinity fields. Observations were collected over a period between January 2001 through June 2003 including temperature data from the expendable bathythermographs （XBT）, thermistor data from the Tropical Ocean Global Atmosphere Tropical Atmosphere-Ocean （TOGA-TAO） mooring array, sea level anomalies from the Topex/Poseidon and Jason-1 altimetry （T/P-J）, and temperature and salinity profiles from the Array for Real-time Geostrophic Oceanography （ARGO） floats. An efficient three-dimensional variational analysis-based method was introduced to assimilate the above data into the tropical-Pacific circulation model. To evaluate the impact of the individual component of the observing system, four observation system experiments were carried out. The experiment that assimilated all four components of the observing system was taken as the reference. The other three experiments were implemented by withholding one of the four components. Results show that the spatial distribution of the data influences its relative contribution. XBT observations produce the most distinguished effects on temperature analyses in the off-equatorial region due to the large amount of measurements and high quality. Similarly, the impact of TAO is dominant in the equatorial region due to the focus of the spatial distribution. The Topex/Poseidon-Jason-1 can be highly complementary where the XBT and TAO observations are sparse. The contribution of XBT or TAO on the assimilated salinity is made by the model dynamics because no salinity observations from them are assimilated. Therefore, T/P-J, as a main source for providing salinity data, has been shown to have greater impacts than either XBT or TAO on the salinity analysis. Although ARGO includes the subsurface observations, the relatively smaller number of observation makes it have the smallest contribution to the assimilation syst     

前言

正中国科学院大气物理研究所(以下简称大气所)的前身是创办于1928年2月的中央研究院气象研究所,迄今已经历了90个春秋。为庆祝建所90周年,本刊特编辑出版专刊,以示庆贺。九十年来,从奠定我国气象学研究开始到今天的大气科学诸领域的研究,经历了从无到有,从小到大的发展阶段;特别近十年来,大气所在气候动力学和预测理论、地球系统模式     

长江口自适应网格的构造与水流和泥沙冲淤的数值模拟的初步研究

随着沿海经济带的开发利用,河口海岸动力学问题,如航道淤积、河口演变、港湾建设及污染物的排放和扩散等,日益引起人们的重视.数值模拟方法是研究这些海岸环境问题的理想工具之一,但由于河口区域的海岸线和河岸线的形状非常复杂,加上众多的岛屿,给模式网格的划分造成很大的困难.为此,我们将自适应网格的生成方法应用于河口港湾的数值模拟研究,以长江口和杭州湾的水动力学模拟为例,该法较好地克服了均匀网格拟合边界的困难,得到了较合理的计算结果.     

河湖沙冲淤和三角洲发育的长期数值模拟研究

本文利用一个二维的水动力学和泥沙冲淤动力学模式,对河床演变和三角洲的发育过程进行数值模拟研究。动力模式包括水流方程、悬沙输送方程和底床变化（含推移质运动）方程。数值积分格式采用ＩＡＰ平方守恒格式和分解算法,使计算既省时又长期稳定。对一个理想的河湖区域进行了长达５０年的数值积分。模拟结果肯定了曾庆存等以前得到的主要结论,并得到一些新的结论。研究表明：泥沙首先在河流入口处沉积,并逐渐向下游推进和向河槽两边延伸;随着泥沙的沉积,底床逐渐升高,在河槽中形成了一个沙岛;在沙岛上游,原河槽中沉积的泥沙又被冲刷,重新出现深河道;数值积分５０年后,人口处已形成一个巨大的冲积扇（水下三角洲）,并不断向下游扩展,三角洲（包括沙岛）的前缘十分陡峭;由于泥沙的沉积,河床抬升,水深变小,水流速度场在整个堆积扇上明显增大,并在三角洲前缘出现明显的绕岛环流和河流分叉现象。模拟结果还表明,在漫滩区泥沙只淤不冲,而在河槽中既有淤积又有冲刷。此外,由于泥沙的淤积,使得湖型水库的水流入口处（库尾）水位明显抬高（即所谓“翘尾巴”现象）。这些结果在定性上与有关湖泊型水库淤积的观测事实是相当符合的。     

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

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.     

适于大规模地形分析的计算格网应用

摘总结前人在GIS领域应用格网的理论和实验基础上,使用GlobusToolkit3构建DEM计算地形因子的格网服务(CSED),适用于大洲规模的DEM地形分析,并能够通过Web发布计算结果。基于此格网系统,进行了ShuttleRadarTopographyMission(SRTM)数据在地形因子自动化提取方面的计算实验。这些计算由于依赖的计算环境的重大变化,所体现出来的效率性能等方面有了很大的变化。本文选取中国青藏地区的地形数据进行了详细试验,并对实验区数据和GTOPO30的计算结果进行了对比分析。     

Ensemble hindcasts of ENSO events over the past 120 years using a large number of ensembles

Based on an intermediate coupled model (ICM), a probabilistic ensemble prediction system (EPS) has been developed. The ensemble Kalman filter (EnKF) data assimilation approach is used for generating the initial ensemble conditions, and a linear, first-order Markov-Chain SST anomaly error model is embedded into the EPS to provide model-error perturbations. In this study, we perform ENSO retrospective forecasts over the 120 year period 1886–2005 using the EPS with 100 ensemble members and with initial conditi...     

风暴尺度天气下利用集合卡尔曼滤波模拟多普勒雷达资料同化试验 II. 考虑模式误差的情形

文章的第I部分(兰伟仁等, 2010), 利用模拟雷达资料在假定模式无误差的情况下进行了一系列的集合卡尔曼滤波(EnKF)敏感性试验, 验证了EnKF方法在风暴尺度天气资料同化中的作用。本文继续探讨EnKF在有显著模式误差的情况下同化模拟多普勒雷达资料的效果问题。试验中假定模式误差主要来源于微物理过程参数化的不确定性。结果表明: 模式误差在不同程度上影响了EnKF分析的效果, 对微物理量的影响尤其明显; 在EnKF分析中, 利用微物理过程参数化集合的方法来考虑模式误差, 对速度场、 位温场以及比湿场有较明显的正作用, 但对于微物理量场分析效果较差; 若包含控制试验的微物理过程参数化方案, 则EnKF对所有变量都有正效果, 随着同化循环次数的增加, 分析结果更加合理; 只考虑冰相过程的微物理过程参数化方案的集合, 分析效果进一步提高。