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。     

四维资料同化方法的特点分析和发展趋势

与反任意分布的观测值通过空间和时间插值分析到网格点的方法相比较，利用动力关系分析问题，其优势性十分明显，在一个能提供时间连续和动力耦合的模式预报方程中，有机地结合现在和过去的资料，即众所周知的四维资料同化。从目前经常应用的四维资料同化方法出发，详细分析了它们的特点和今后四维资料同化方法在预报模式中的应用前景。     

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。     

台风过程研究中四维资料同化方法的探讨及应用

与把任意分布的观测值通过空间和时间插值分析到网格点的方法相比较,结合动力关系分析大气场问题的方法,其优势十分明显.Charney等[1]建议在一个能提供时间连续和动力耦合的模式预报方程中,有机地结合现在和过去的资料.后来这个概念被发展为众所周知的四维资料同化(FDDA).起初,四维资料同化主要应用于全球尺度,现在,无论是动力初始化还是作为一个分析或者研究工具,四维资料同化都有效地应用在中尺度模式上[2,3].     

四维资料同化方法的特点分析和发展趋势

与把任意分布的观测值通过空间和时间插值分析到网格点的方法相比较 ,利用动力关系分析问题 ,其优势性十分明显。在一个能提供时间连续和动力耦合的模式预报方程中 ,有机地结合现在和过去的资料 ,即众所周知的四维资料同化。从目前经常应用的四维资料同化方法出发 ,详细分析了它们的特点和今后四维资料同化方法在预报模式中的应用前景。     

海洋遥感四维测量应用

机载成象光谱仪遥感海洋是在轨星载海洋传感器定标校验的一种方法。本文研究了海洋航空遥感的四维测量方法，以及实现卫星、飞行遥感和船舶同步测量的重要意义。     

基于四维变分同化方法的南海中尺度涡后报实验

海洋中尺度涡在本质上是属于满足准地转平衡的大尺度运动,因此理论上,其在短时间内的运动将主要受到准地转平衡关系的约束,而外部强迫场的影响在短期内不会明显改变其运动特征。基于上述思想,我们提出了一种基于四维变分同化初始场的中尺度涡旋预报方案。为了检验该方案的可行性,本文使用区域海洋模式(regional ocean modeling system, ROMS)和其内建的增量强约束四维变分同化(incremental strong constraint four dimensional variational, I4D-Var)模块,建立了一个南海海洋同化模拟系统。首先,通过I4D-Var方法将AVISO卫星高度计资料同化到海洋数值模拟中,获得了理想的中尺度涡同化模拟结果。同化、模式模拟和观测三者的中尺度涡统计结果表明,该同化系统模拟的南海中尺度涡的路径、半径、海表高度异常和振幅等特征信息与AVISO(Archiving ValidationandInterpolationofSatelliteOceanographicData)观测结果高度吻合,同时在深度上的分析表明,涡旋对应的温度、盐度和密度均得到有效的调整。然后,将该同化系统的模拟结果做为初始场,对某一特定时段的南海中尺度涡进行了后报模拟和结果的定量化分析。通过比较后报模拟与观测资料中对应涡旋的海表面高度异常(sea surface height anomalies, SSHA)相关系数、涡心差距和半径绝对误差,证明该方案的中尺度涡后报时效至少可达10 d以上。后报实验结果验证了该中尺度涡预报方案的可行性,从而为中尺度涡的预报提供一定的理论基础和可行性方案。     

海洋模态在海洋水声学中的潜在应用前景

如同音分五律、光分七色一样,海洋中错综复杂的流速、声速剖面也可以分解成为数不多的经验正交海洋模态(empiricalorthogonaloceanmode)[1～5].以此为基础,20世纪80年代初在着名物理海洋学家Munk和Wunsch的倡导下,美国在大西洋实施了海洋声层析(oceanacoustictomography)实验.声层析技术最主要的潜力在于其观测的积分性质.每秒一次的声层析观测实质上是通过高速传播的声波对长距离内的物理量取积分,因此它能够在较大的时空尺度下求得活跃的中尺度涡旋场的平均值.     

海洋卫星遥感数据同化在海洋声场研究中的应用

卫星遥感数据同化技术已成为海洋学研究的一个有效手段。本文选取了日本以东黑潮流域作为研究海区,介绍了最优插值同化方法对海洋温度场和盐度场的分析,在此基础上对实验海区声场进行了研究。文中为了说明数据同化的优越性,利用WOA数据与其进行比较,体现了同化数据对真实场描述的可靠性。     

最优插值方法在西北太平洋海温同化中的应用研究

本文开发出一套与三维温盐流数值模式POM相匹配的最优插值数值同化模块,具有将船舶报资料和Argo海温数据加入数值模拟的能力.利用该同化系统,本文对2001～2002年进行了数值模拟试验,通过模拟结果和未加入同化的模拟结果的对比表明,该同化系统能有效地改进三维海温模拟结果,使之更为接近于观测值.     

四维变分资料同化在风暴潮模拟中的平流作用分析

利用基于三维斜压非线性的普林斯顿海洋模型(POM)及其切向线性伴随模式的四维变分数据同化(4DVAR)系统对一个近岸风暴潮个例进行理想同化试验和模拟,着重分析了四维变分数据同化增水改善中的二维平流作用。试验结果表明,同化后的水位结果明显优于同化前的结果,而且同化对预报的影响主要在前5h,尤其是积分到3—4h时同化和无同化的结果差异最大,在5h后同化的影响变得非常小。从平流作用中分析得知,无论是只同化水位还是同化水位和海表流速,同化的结果都增大了沿岸和向岸的平流。与无同化结果相比,同化试验的增水改善主要是来自向岸平流的增大,但只同化水位时由于水位增大使向岸压力梯度减小从而阻碍了向岸流的进一步增大;而同时同化水位和海表流速时,由于流速也被改善,故增水改善更明显和合理。     

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.     

基于ROMS模式的南海SST与SSH四维变分同化研究

卫星遥感观测获得了大量高分辨率的海面实时信息,包括海面温度（SST）和海面高度（SSH）等,同化进入数值模式可有效提升模拟精度。本文基于ROMS模式与四维变分同化方法（4DVAR）,使用AVHRR SST和AVISO SSH数据,开展了南海区域同化实验。为检验同化的效果,分别利用HYCOM再分析资料和Argo温盐实测数据分析了同化结果的海面高度、流场及温盐剖面的精度。对比结果表明,SST和SSH的同化能够改善ROMS的模拟结果:同化后海面高度场能够更为准确地捕捉海洋的中尺度特征,与HYCOM海面高度再分析资料相比,平均绝对偏差和均方根误差分别为0.054 m和0.066 m;与HYCOM 10 m层流场相比,东向与北向流速平均绝对偏差分别为0.12 m/s和0.11 m/s,相比未同化均提升约0.01 m/s;温盐同化结果与Argo温盐实测具有较高的一致性,温度和盐度平均绝对偏差为0.45℃、0.077,均方根误差为0.91℃、0.11,单个的温盐廓线对比说明,同化结果与HYCOM再分析资料精度相当。     

国家气候中心全球海洋资料四维同化系统在热带太平洋的结果初步分析

介绍了国家气候中心(NCC)“全球海洋资料四维同化系统”(简称NCC-GODAS).该系统包含观测资料预处理系统、插值分析系统和所应用的动力模式.插值分析系统采用四维同化技术方案,在时间上设置一个4周的窗口,将此窗口之内的观测资料以一定的权重插入插值分析系统,在空间上采用三维变分方案.海洋动力模式为“九五”期间LASG研制的L30T63OGCM 1 0版本.文中考察了该系统从1982年到2003年3月在热带太平洋的部分同化分析结果,并与NCEP的再分析资料和EMC/NCEP的太平洋区域海洋资料同化系统的结果进行了对比分析.结果显示,该系统的同化结果(如SST,SSTA,Nino指数,次表层海温变化等)与NCEP的同期同化结果具有很好的一致性.同时,该系统得出的海洋同化资料气候场与海洋模式气候场相比,有显著的改进.表明该系统具有较好的同化能力,其同化结果可为海-气耦合模式进行季节和跨季节的气候预测业务提供可信的海洋初始场资料,同时还可以为相关研究提供海洋分析场.     

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。     

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。     

资料同化技术的发展及其在海洋科学中的应用

同顾了资料同化技术,特别是基于最优控制和统计估计这两大理论基础发展起来的几种资料同化方法的研究进展,以及这些方法在海洋科学研究中的应用现状.可以看到,由于海洋观测资料(如地转海洋学实时观测阵(Array for Real-time Geostrophic Oceanography,Argo)、热带大气海洋阵列(Trop...     

TRMM海表降水率同化在热带气旋Danas(2001) 数值模拟中的应用研究

研究了TRMM/TMI海表降水率资料的四维变分同化在热带气旋(TC)数值模拟中的作用.使用中尺度气象模式MM5设计了若干数值试验模拟了TC Danas(2001)由热带低压初生到台风生成的发展过程.在满足MM5模式动力约束的前提下,将TRMM海表降水率资料直接同化进入较高分辨率(18 km)的模式初始场.结果表明,使用MM5模式的4D-VAR同化系统直接同化TRMM/TMI海表降水率资料是可行的.这种做法提高了TRMM资料的利用率,不仅在模式初始场中加入了更多实测信息,而且避免了两次同化(1DVAR+4DVAR)可能引起的误差.直接同化TRMM资料通过调整气压、温度、湿度等要素初始场,改善了模式对热带气旋结构(如暖心、涡度、散度)的描述和降水的模拟.在此基础上,同化不仅改进了对Danas强度的模拟,而且成功地模拟了热带气旋环境场的演变过程,因而改进了路径的模拟.     

资料同化中的伴随方法及其在海洋中的应用

较系统地综述了资料同化中各种方法的分类,并着重说明了伴随方法的基本原理和具体实现步骤。并总结了伴随方法在海洋中的应用现状,并指出由于观测资料特别是遥感资料的日益丰富,伴随方法将有广泛地应用前景。