北印度洋海浪背景误差分析和同化预报初步评估

基于背景误差分析中的观测法,利用Jason-1卫星高度计沿轨有效波高数据并结合Wave Watch Ⅲ海浪模式预报结果,进行北印度洋海域海浪背景误差分析,得到海浪场背景误差方差和各向同性假设下背景误差相关长度的时空分布特征。按经验函数拟合该海域有效波高背景误差协方差时总残差平方和最小的原则给出了更为适用于该海域的描述公式。在上述工作基础上,采用最优插值同化方法将Jason-1和Jason-2卫星高度计有效波高数据连续同化到海浪模式Wave Watch Ⅲ,按业务化标准对2013年1月北印度洋海域的海浪场进行了同化预报试验,经浮标数据检验发现同化可使海浪24 h预报得到明显改进。     

卫星高度计波高数据同化对西北太平洋海浪数值预报的影响评估

通过数值试验验证卫星高度计波高数据同化对西北太平洋3 d海浪预报的改进效果。驱动海浪模式的强迫场采用国家海洋环境预报中心基于MM5模式预报的风场,波高数据同化使用的观测数据是Jason-1卫星高度计有效波高。用最优插值数据同化方法获得海浪有效波高的最优估计并重构相应的海浪方向谱,以此为初始场进行为期3 d的数值预报试验。与没有同化的预报进行了比较和分析,结果表明卫星高度计海浪数据同化对0~72 h预报有不同程度的明显改善,改进程度随预报时效的增加而减少。     

HY-2卫星高度计波高资料在集合最优插值同化中的应用研究——以台风“Lipee”为例

基于海浪模式SWAN（Simulating Waves Nearshore）,以台风“Lipee”为例,开展了集合最优插值（EnOI）同化HY-2卫星高度计有效波高（SWH）资料的台风浪数值预报影响研究。结果表明,利用HY-2卫星高度计波高资料结合EnOI方法进行同化,可有效改善海浪初始场质量,同化对绝对误差的改进可达15%,均方根误差改进14%。同化对预报误差、均方根误差都有一定程度的改进,其中在0~24 h预报时效内的改进最为明显,绝对误差可改进12%,均方根误差改进13%。研究结果不仅可为海洋预报、同化提供参考,而且可为进一步加强HY-2卫星高度计资料的应用提供技术支持。     

基于SWAN模式的全球有效波高数值预报结果之初步验证

利用国家海洋环境预报中心基于SWAN模式和NCEP预报风场模拟的全球海浪预报场,结合Jason-2卫星高度计和NDBC浮标资料对全球海浪场进行了自2013年7月到2014年6月为期1 a的统计检验。结果表明:预报波高与实测值吻合较好,24 h、48 h、72 h预报的均方根误差均小于0.6 m,偏差绝对值均小于0.1 m,相关系数均大于0.91。有效波高的预报精度随预报时效的增加而降低,预报误差在48 h内变化不大,而在48 h后明显增大。有效波高的预报偏差存在地域性差别,全球西风带和热带地区的偏差较大,而赤道无风带和副热带高压控制地区的偏差较小。     

基于HY-2卫星高度计机载校飞数据的有效波高信息提取及初步分析

利用HY-2卫星雷达高度计校飞数据,开展了有效波高信息提取及精度比对研究。首先对其进行波形筛选、1s平均和去噪,然后基于Hayne海面回波模型进行波形拟合,提取出波高均方根并得到有效波高,并与浮标和同轨迹的Jason-1卫星高度计有效波高进行了比较。结果表明,本次校飞其高度计测波精度存在系统偏差,初步分析可能是其数据未经仪器校正等原因导致。     

卫星高度计海面风速的校准与验证

为了改善不同卫星高度计海面风速数据之间的一致性,以浮标数据为基准,对国内的HY-2A和国外的T/P、GFO、Jason-1、Envisat、Jason-2、CryoSat-2共7颗卫星高度计的海面风速数据进行了分析,给出了各个卫星高度计的海面风速校准公式,并对其校准效果进行了验证。验证结果表明:各个卫星高度计的海面风速在经过校准后,与浮标海面风速差异的均值和均方根都有所降低,其中HY-2A最为显著。经过校准后所有卫星高度计的海面风速与浮标海面风速差异的均值都在±0.2m/s以内。除了HY-2A、GFO和Jason-1,其余4颗卫星高度计校准后的海面风速与浮标海面风速差异的均方根都在1.6m/s以下。由此可以得出结论,利用本文的校准公式对各个卫星高度计(特别是HY-2A卫星高度计)的海面风速进行校准,可以有效减少其与浮标海面风速之间的差异。     

HY-2A卫星高度计有效波高信息提取业务化算法

2011年8月16日我国成功发射了第一颗自主海洋动力环境卫星HY-2A,有效波高是其搭载的雷达高度计可获取的重要海洋动力环境参数之一。本文详细介绍了应用于HY-2A雷达高度计的有效波高信息提取业务化算法,该算法通过迭代最小二乘拟合方法提取有效波高信息。同时,基于HY-2A雷达高度计业务化运行获取的有效波高数据,分别与Jason-2卫星高度计有效波高和NDBC浮标海浪波高数据进行了比对分析。比较结果表明,HY-2A雷达高度计与Jason-2有效波高的标准偏差为-0.26m,RMS为0.58m;HY-2A高度计与NDBC浮标数据间的标准偏差为-0.22m,RMS为0.37m。结果证明了目前应用于HY-2A雷达高度计业务化运行中的有效波高信息提取算法的可行性。     

利用南海石油平台的卫星雷达高度计定标与检验

在对南海石油平台所处的南海北部海域海底地形、平均海平面、风浪时空分布等进行分析基础上,利用南海石油平台水位计对Jason-2卫星高度计进行了测高绝对定标,定标结果为30.9 cm±7.8 cm,分析发现南海北部中尺度涡可能对定标结果产生影响;利用南海石油平台测波雷达对Jason-1高度计有效波高进行了精度检验,Jason-1高度计Ku波段和C波段有效波高测量的均方根误差分别为0.43 m和0.45 m。分析和检验结果表明,南海石油平台所处海洋环境条件、平台上装载的水位计和测波雷达均满足卫星雷达高度计定标与检验要求。南海石油平台定标场预期可用于中国海洋二号卫星和其他卫星高度计的定标与检验。     

高度计波高数据同化对印度洋海域海浪模式预报影响研究

为提高海浪模式预报的精度,改善初始场是途径之一。研制了基于最优插值(OI)方法的海浪数据同化并行程序模块,并将其植入第三代海浪模式WAVEWATCH IIITM,建立了印度洋海域海浪同化预报方法,使用卫星高度计波高数据进行了同化预报试验。OI模块的并行设计使得植入同化模块的海浪模式仍能以并行方式运行。文中5°S以北印度洋海域为目标区域,嵌套在WAVE-WATCH IIITM的全球网格中,使得目标区域开边界条件得到较好解决。同化数据使用Jason-2高度计测量有效波高(SWH)沿轨数据。海浪同化预报模式由大气模式WRF(Weather Research andForecasting)输出的1小时一次的海面10 m风场驱动。将同化的模式结果(SWH)、无同化的模式结果(SWH)分别与高度计沿轨数据(SWH)进行比较,表明同化改善模式预报初始场的效果是明显的。以同化初始场出发进行海浪预报试验,结果表明,高度计波高数据同化在一定程度上可改进海浪短期预报的精度。     

基于海浪谱分解与重构的资料同化试验

针对有效波高资料提出一种海浪谱分解与重构的资料同化方案:利用历史时段内的有效波高观测资料和模式计算波高场,采用最优插值方法得到分析波高场;在WAVEWATCH-Ⅲ模式的波浪能量密度谱和有效波高分析值之间引入一个变异系数矩阵,描述模式的误差,以此为状态向量构建卡尔曼滤波系统,对分解过的海浪谱进行修正和重构,得到同化后的海浪谱初始场。利用美国阿拉斯加湾北部海域的7个浮标站进行同化和72 h预报试验,对连续1个月的预报结果进行统计表明:采用该同化方案后24 h预报结果的有效波高均方根误差比未同化的结果降低了0.13 m;同化方案对预报效果的影响可持续36 h左右,随着预报时效延长,同化的效果减弱。     

WAVEWATCHIII 同化模块的建立和检验

将基于最优插值 (OI) 的同化并行模块植入全谱空间的第三代海浪模式WAVEWATCH III version3.14,建立数据同化的海浪模式预报系统, 并通过实际的预报个例对同化系统进行检验。个例实验是以5°S 以北的印度洋海域为目标计算区域, 海面风场强迫采用业务单位的中尺度天气预报模式WRF(weather research and forecast) 提供的逐时海面风场预报产品。模式积分过程中连续同化2010 年12 月15 日、16 日和17 日过境北印度洋的Jason-2 卫星高度计沿轨有效波高 (SWH) 数据 (需要指出的是, 每次同化得到新的SWH 分析场后需重构相应的二维海浪谱用于谱模式)。SWH 同化分析值和无同化的对照组分别与高度计沿轨观测数据比较发现, 就日平均统计来看, 同化较无同化使SWH分析值的均方根误差减小约25%～50%。以SWH 同化分析场作为初始场的预报表明, 同化对预报影响的时效性可延长至48～60 h。本研究目的是通过将高度计测量的SWH 数据同化到海浪模式进一步提升海浪数值预报的准确度。     

Jason-2有效波高产品在中国海域的准确性评估

Jason-2卫星高度计的有效波高(Hs)产品在海洋学领域得到了广泛应用。为了综合评估Jason-2有效波高产品在中国多个海域和不同海况下的准确性,为其在中国海域的应用研究提供参考,本文基于国家海洋局20个水文气象浮标从2008年至2014年的长期观测数据,对Jason-2有效波高产品在中国三个海区(渤黄海、东海、南海)和不同海况(观测有效波高Hs最大为6.2m)下的准确性进行综合分析,并研究其准确性与离岸距离的关系。结果表明Jason-2有效波高产品:(1)在中国海域具有较好的准确性,均方根误差RMSE=0.445m;(2)在南海的准确性最高,而在渤黄海的准确性较差;(3)在2m≤Hs≤5m的海况条件下准确性较好;(4)在越远离陆地的海域准确性越高。     

数据同化的南海台风浪后报模式

将基于最优插值(OI)的同化并行模块植入第三代海浪模式WAVEWATCH III version3.14, 建立数据同化的台风海浪模式预报系统。该系统的强迫风场采用模型台风风场与台风来前海区背景风场混成的风场。以模式后报2010 年7 月严重影响南海北部的“康森”和“灿都”台风引起的海浪场为例, 首先对所构造的混合风场的台风海面风场结构进行定性检验, 并用高度计沿轨风速对混合风场精度进行定量验证。在此基础上, 海浪模式在混合风场强迫下边积分边同化。同化数据采用上述台风过境南海期间Jason-2 卫星高度计沿轨有效波高 (SWH)。值得指出的是, 同化时只取SWH 沿轨数据的一部分用于同化计算, 而另一部分沿轨数据则用于对同化分析结果进行检验。先后同化了4 条轨道上的SWH数据。将SWH 的同化分析与无同化的对照组结果分别与高度计测量SWH 比较, 发现同化较无同化可使均方根误差获得50%以上的明显改进。以同化分析场作为初始场, 同化影响预报(这里是后报)的时效性约在48 h 以内。本研究目的是通过同化高度计SWH 数据进一步提升台风海浪模式预报的准确度。     

集合最优插值方法在北印度洋海浪同化中的应用

基于第三代海浪模式WaveWatch III,采用集合最优插值(EnOI)方法对北印度洋海浪进行同化数值实验研究。在集合样本选取方案上,针对不同的实验分别选取有效波高(SWH)的历史后报场(样本A)、24h变化(样本B)以及以同一时刻72h预报时效和24h预报时效的差异(样本C)用于估计背景误差协方差。样本A和样本B是为海浪模拟而设计,样本C是为海浪预报而设计;通过与由高度计数据确定的模式背景误差进行比较,认为样本B优于样本A。采用样本B对2011年北印度洋海浪场进行同化模拟,结果表明2011-03-11相对误差改进都在5%及以上,其中7月份改进效果最佳。采用样本C对2013-07的有效波高进行0~72h预报,发现同化使0~24h预报改进最明显:均方根误差改进0.12m,相对误差改进5%。浮标检验结果支持上述结论。     

基于浮标数据的卫星雷达高度计海浪波高数据评价与校正

卫星雷达高度计是海浪有效波高（significant wave height,SWH）观测的重要手段之一,本文利用时空匹配方法对T/P、Jason-1、Envisat、Jason-2、Cryosat-2和HY-2A共6颗卫星雷达高度计SWH数据与NDBC（National Data Buoy Center,NDBC）浮标SWH数据进行对比验证,并对雷达高度计SWH数据进行校正。全部卫星雷达高度计SWH数据时间跨度为1992年9月25日到2015年9月1日,对比验证NDBC浮标共53个,包括7个大洋浮标。精度评价发现除T/P外,各卫星雷达高度计SWH的RMSE都在0.4~0.5 m之间,经过校正后,RMSE都有显著下降,下降程度最大为13.82%;对于大洋浮标,评价结果RMSE在0.20~0.28 m之间,结果明显优于全部NDBC浮标的精度评价结果;HY-2A卫星雷达高度计SWH在经过校正后数据质量与国外其他5颗卫星雷达高度计SWH数据质量差异较小。     

波浪骑士数据在高度计有效波高检验中的再处理

以2011年10～11月南海现场试验得到的9次波浪骑士测量数据,进行波浪骑士再处理与默认计算结果比对。比对结果表明两者平均误差为0.16m,均方根误差为0.32m,分析产生误差的原因在于波浪骑士默认计算有效波高时间段的中心与卫星过境时间不统一和未进行数据质量控制。研究表明在卫星高度计有效波高产品检验中,波浪骑士测量的有效波高需要进行再处理,以达到减少卫星高度计有效波高检验误差的目的。     

西北太平洋夏季海浪数值模拟研究

为了解第三代海浪模式SWAN在西北太平洋海浪模拟效果,利用2013年7月期间Jason-2卫星高度计观测资料,通过计算模拟值和观测值的绝对误差、均方根误差和进行逐日统计、分级统计、一次台风过程的统计,对FNL风场资料驱动SWAN模式的西北太平洋海浪数值模拟有效波高进行了检验。检验结果表明,模式对较小波高模拟效果较好,模拟波高与实测值误差在可接受的范围之内,可满足业务化预报的要求,但对较大波高的模拟存在一定的误差,且驱动风场的精细化水平直接影响模拟效果。     

静态集合样本的构造及其在全球海浪滤波同化中的应用

本文提出一种最佳静态集合样本的构造方法,利用不同时段内海浪有效波高的模拟偏差构造静态集合样本,并将其与由模拟结果和观测资料统计的模式误差进行概率密度分布及时空相关性分析,结果表明24h间隔有效波高偏差与后者的相关性最好,称为最佳静态集合样本,可用于近似背景误差。将所构造的静态集合样本应用于滤波同化调整过程,采用MASNUM海浪模式,利用Jason-1卫星高度计数据,对2008年全球海域开展海浪同化实验,实验结果表明,基于最佳静态集合样本的海浪同化调整,可以有效地改善海浪模式的模拟效果。     

最优化插值同化方法在预报南海台风浪中的应用

由经验的holland台风模型和NCEP再分析风场资料相结合构造出南海台风风场，结果较好地符合了TOPEX／Poseidon(T／P)卫星高度计观测的风速分布。以此作为第三代海浪模式的输入风场，模拟了1999年约克(York)台风经过南海海域的台风浪，并利用T／P卫星高度计观测的有效波高资料对模式进行同化。结果显示，同化影响半径取为2000km效果较好，同化影响时间是35h，同化改善了模式预报的精度。     

WAVEWATCH Ⅲ模式在全球海域的数值模拟试验及结果分析

基于第三代海浪数值预报模式WAVEWATCH III(v3.14),构建了全球区域海浪数值预报系统,采用1999年9月—2009年7月的Quik SCAT/NCEP混合风场作为驱动场,对模式进行了10a的积分。利用NDBC浮标数据及Jason-1卫星高度计资料对模式模拟结果进行了检验,结果表明:模式对全球海浪模拟效果较好。通过对模式误差的分析,为后续开展全球海浪同化工作中背景误差协方差矩阵的构建及集合样本的选取提供了依据。