卫星遥感海表温度资料和高度计资料的变分同化

利用国家气候中心正在发展的第二代全球海洋资料同化系统(BCC_GODAS2.0),针对多变量同化的协调性问题,发展了一种基于三维变分框架(3DVAR)下的高度计和海表温度(SST)相互约束的同化方法。该方法使海面高度和SST资料在同一个动力约束关系下进行同化。在一般方法中,海面高度和SST观测项是代价函数中2个独立的观测项,海面高度项引入动力高度计算公式,海表温度项用统计关系进行垂向投影。在代价函数的实际求解的计算过程中,虽然其总体积分效应受海面高度观测的约束,但整个水柱中各层温盐分析变量的调整是无序的。针对这个问题,文章提出一种新的同化方案。该方案将SST的观测项并入海面高度观测项中,海面高度的一部分,确切说是上层海洋部分,由SST决定,因此至少在SST的统计关系能影响到深度的上层海洋,在代价函数的求解过程中,温盐的调整是受较强的统计关系约束的,而这种统计关系的有效性已经在很多SST的同化试验中被其他学者广泛应用并证明。利用该方法,对1993—1997年的AVHRR卫星遥感海表温度资料进行变分同化试验,用TAO、OISST和SODA数据集进行检验证明,通过对卫星遥感资料的同化能够有效改进对海洋温度和盐度的估...     

基于时空四维多尺度分析方法的卫星遥感和现场观测联合同化研究

充分融合使用卫星遥感与现场观测信息，构建高质量的水下温盐场是海洋科学研究发展的前沿课题。目前，绝大多数同化系统使用的同化方案，均需要假设要素在海表与水下存在某种人为预先设定的关系，从而导致得到的温盐分析场人为性较强，不能完全客观地反映真实的海洋状态。本研究提出了一种不做任何关系假设，仅依靠不同种类的观测资料在时间和空间上的相互补充作用，融合卫星遥感与现场观测资料，进行时空四维多尺度分析的方案。通过与分别单独同化这两类观测资料的试验结果相比，该方案既可以得到较精准的温盐剖面结构特征，又能够反映出海面中尺度变化的细节信息，最大化地提取了观测资料中的多尺度信息，实现了“1+1> 2”的效果，构建了完全客观的温盐分析场。研究结果还表明，同化卫星遥感海表面盐度资料可以有效改善温度和盐度的分析，证明了海表面盐度观测在温盐同化中的重要性。     

海洋资料同化对气候季节-年际预测技巧及初始场的影响试验

集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman filter, EnKF)是一种国内外广泛使用的海洋资料同化方案, 用集合成员的状态集合表征模式的背景误差协方差, 结合观测误差协方差, 计算卡尔曼增益矩阵, 有效地将观测信息添加到模式初始场中。由于季节、年际预测很大程度上受到初始场的影响, 因此资料同化可以提高模式的预测性能。本文在NUIST-CFS1.0预测系统逐日SST nudging的初始化方案上, 利用EnKF在每个月末将全场(full field)海表温度(sea surface temperature, SST)、温盐廓线(in-situ temperature and salinity profiles, T-S profiles)以及卫星观测海平面高度异常(sea level anomalies, SLA)观测资料同化到模式初始场中, 对比分析了无海洋资料同化以及加入同化后初始场的区别、加入海洋资料同化后模式提前1~24个月预测性能的差异以及对于厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-southern oscillation, ENSO)预测技巧的影响。结果表明, 加入海洋资料同化能有效地改进初始场, 并且呈现随深度增加初始场改进越显著的特征。加入同化后, 对全球SST、次表层海水温度的平均预测技巧均有一定的提高, 也表现出随深度增加预测技巧改进越明显的特征。但加入海洋资料同化后, 模式对ENSO的预测技巧有所下降, 可能是由于模式误差的存在, 使得同化后的预测初始场从接近观测的状态又逐渐恢复到与模式动力相匹配的状态, 加剧了赤道太平洋冷舌偏西、中东部偏暖的气候平均态漂移。     

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。     

利用卫星观测海面信息反演三维温度场

基于历史观测的温盐剖面资料,采用回归分析方法统计出海面温度异常、海面动力高度异常与温度剖面异常之间的相关关系;然后利用高分辨率的卫星遥感海表面温度(SST)和卫星观测海面高度(SSH)信息重构了三维海洋温度场。在台湾岛周边海域建立了时间分辨率为天、空间分辨率为0.25°×0.25°的三维温度分析场。通过与实测资料的比较分析,文章所构建的分析场能够较好地描述海洋三维温度场的结构特征,能够较为真实地反映海洋的中尺度变化过程。该分析场可以作为海洋数值模式的初始场,也可以作为伪观测同化到海洋数值再分析和预报系统中,进而改善三维温、盐、流的数值再分析和预报。     

利用资料同化方法优化观测系统的空间布局:以泰国湾为例

海洋观测费用高昂,设计科学高效的观测系统可以充分发挥观测的效能。本文以泰国湾高频地波雷达观测系统为例,利用数据同化方法对观测系统进行了最优布局。首先基于FVCOM海洋数值模式建立了泰国湾海域高分辨率三维斜压水动力模式,在此基础上利用一种改进的高效集合卡曼滤波同化方法对岸基高频地波雷达表层海流观测系统开展观测效能评估数值实验。通过观测区域的不同组合方式将3个区域的雷达表层海流数据同化到数值模式中,实验结果表明,岸基高频地波雷达表层海流观测系统可有效降低高分辨数值模式的海流模拟误差。但不同观测区域的组合提供的观测数据对改善海流模拟的作用存在明显差别,泰国湾现有观测系统雷达站位布设方式应进一步优化。本文最后给出了研究区域最优观测站位的布局方案,可作为下一步观测系统进行布局调整的指导。     

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.     

基于卷影拷贝服务技术的海洋实时观测数据备份

为了提高服务器对海洋实时观测数据的备份性能,提出了对NTFS文件系统中海量数据基于卷影拷贝服务的备份方案。该方案解决了传统备份方案中备份时间过长、不能有效备份的问题。将本文备份方案和传统备份方案的性能进行了对比,并对备份的数据进行了恢复演练。实验结果表明,基于卷影拷贝服务的备份方案能够使海洋实时观测数据的备份性能获得较大的提升,且基于该方案备份的数据是可用的。该方案能够进一步保障海洋数据的安全存储。     

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究——Ⅱ.集合样本对同化效果的影响

背景误差相关结构的确定是影响海浪同化效果的关键因素之一。集合Kalman滤波是一种较为成熟的同化方法,其可以对背景误差进行实时更新和动态估计,现已广泛应用于海洋和大气领域的研究。本文基于MASNUM-WAM海浪模式,分别采用静态样本集合Kalman滤波和EAKF方法,针对2014年全球海域开展海浪数据同化实验,同化资料为Jason-2卫星高度计数据,利用Saral卫星高度计资料对同化实验结果进行检验。结果表明,两组同化方案均有效提高了海浪模式的模拟水平,EAKF方案在风场变化较大的西风带区域表现显著优于静态样本集合Kalman滤波方案,但总体上两者相差不大。综合考虑计算成本和同化效果,静态样本集合Kalman滤波方案更适用于海浪业务化预报。     

一个稳态Kalman滤波风暴潮数值预报模式

利用Kalman滤波资料同化技术将海洋站水位观测资料融入二维线性风暴潮模式中,研制具有资料同化能力的风暴潮预报模式,改进风暴潮模式计算结果.通过在风暴潮模式的动量方程中加入模式噪声项来修正模式本身和气象强迫力的不确定性.确定性模式的输出通过带有观测噪声的观测方程与可利用的海洋站的潮位观测资料联系起来.假定初始的模式噪声和观测噪声满足均值为0的高斯分布,用迭代法得到计算区域的状态向量的稳态Kalman滤波,进而得到风暴潮模式输出的最优线性校正结果.利用这种资料同化技术,对1956年发生在东海的一次强风暴潮过程进行了后报试验,结果表明,该同化方法对短期风暴潮水位后(预)报有一定的改进.     

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。     

Numerical solution to the problem of variational assimilation of operational observational data on the ocean surface temperature

The problem of variational assimilation of satellite observational data on the ocean surface temperature is formulated and numerically investigated in order to reconstruct surface heat fluxes with the use of the global three-dimensional model of ocean hydrothermodynamics developed at the Institute of Numerical Mathematics, Russian Academy of Sciences (INM RAS), and observational data close to the data actually observed in specified time intervals. The algorithms of the numerical solution to the problem are elaborated and substantiated, and the data assimilation block is developed and incorporated into the global three-dimensional model. Numerical experiments are carried out with the use of the Indian Ocean water area as an example. The data on the ocean surface temperature over the year 2000 are used as observational data. Numerical experiments confirm the theoretical conclusions obtained and demonstrate the expediency of combining the model with a block of assimilating operational observational data on the surface temperature.     

卫星高度计资料在三维海温和盐度数值预报中的应用

随着卫星遥感观测技术的发展,越来越多的卫星观测资料被应用于数值模式的同化研究中.基于国家海洋环境预报中心西北太平洋三维湿盐流预报系统,利用法国CLS中心的沿轨高度计资料的海表面高度异常的融合数据,结合基于三维变分的OVALS(ocean variational analysis system)同化系统,在垂向将海面高度...     

Numerical analysis of hydrophysical fields on the northwestern shelf of the Black Sea

A numerical experiment with assimilation of hydrological observational data from a survey in October 2007 on the northwestern shelf of the Black Sea was carried out using the hydrodynamic model with nonlinear equations of motion, equations of heat and salt advection, and data assimilation. The results of this calculation are compared with thermohydrodynamic fields obtained without taking into account temperature and salinity measurements. It is shown that allowance for the observation data leads to qualitative and quantitative differences in the structure of the hydrophysical fields. Mesoscale eddies and intense jet streams that agree with satellite observations were found in the field of currents and were investigated. These eddies are not resolved in low-resolution field experiments.     

Sensitivity of large-scale atmospheric analyses to humidity observations and its impact on the global water cycle and tropical and extratropical weather systems in ERA40

Reanalysis data obtained from data assimilation are increasingly used for diagnostic studies of the general circulation of the atmosphere, for the validation of modelling experiments and for estimating energy and water fluxes between the Earth surface and the atmosphere. Because fluxes are not specifically observed, but determined by the data assimilation system, they are not only influenced by the utilized observations but also by model physics and dynamics and by the assimilation method. In order to better understand the relative importance of humidity observations for the determination of the hydrological cycle, in this paper we describe an assimilation experiment using the ERA40 reanalysis system where all humidity data have been excluded from the observational data base. The surprising result is that the model, driven by the time evolution of wind, temperature and surface pressure, is able to almost completely reconstitute the large-scale hydrological cycle of the control assimilation without the use of any humidity data. In addition, analysis of the individual weather systems in the extratropics and tropics using an objective feature tracking analysis indicates that the humidity data have very little impact on these systems. We include a discussion of these results and possible consequences for the way moisture information is assimilated, as well as the potential consequences for the design of observing systems for climate monitoring. It is further suggested, with support from a simple assimilation study with another model, that model physics and dynamics play a decisive role for the hydrological cycle, stressing the need to better understand these aspects of model parametrization.     

一次温带气旋的同化试验

温带气旋在浙江海域入海发展形成的瞬时大风和大浪常常会造成船只倾覆、人员伤亡等灾情。本文采用WRF中尺度数值模式对一次入海温带气旋过程进行3个试验分析,包括试验一(不同化任何资料)、试验二(将未经质量控制的云迹风资料全部放入模式同化)和试验三(将经质量控制以后的云迹风资料放入模式同化)。通过对高度场和风场等的模拟,并与实况对比,表明将经质量控制的云迹风资料放入模式可以较大程度改进温带气旋的模拟结果,为提高影响浙江海域的温带气旋预报的准确率提供一定参考。     

The statistical observation localized equivalent-weights particle filter in a simple nonlinear model

This paper presents an improved approach based on the equivalent-weights particle filter(EWPF) that uses the proposal density to effectively improve the traditional particle filter. The proposed approach uses historical data to calculate statistical observations instead of the future observations used in the EWPF’s proposal density and draws on the localization scheme used in the localized PF(LPF) to construct the localized EWPF. The new approach is called the statistical observation localized E...     

Temporal evolution of innovation and residual statistics in the ECMWF variational data assimilation systems

The temporal evolution of innovation and residual statistics of the ECMWF 3D‐ and 4D‐Var data assimilation systems have been studied. First, the observational method is applied on an hourly basis to the innovation sequences in order to partition the perceived forecast error covariance into contributions from observation and background errors. The 4D‐Var background turns out to be ignificantly more accurate than the background in the 3D‐Var. The estimated forecast error variance associated with the 4D‐Var background trajectory increases over the assimilation window. There is also a marked broadening of the horizontal error covariance length scale over the assimilation window. Second, the standard deviation of the residuals, i.e., the fit of observations to the analysis is studied on an hourly basis over the assimilation window. This fit should, in theory, reveal the effect of model error in a strong constraint variational problem. A weakly convex curve is found for this fit implying that the perfect model assumption of 4D‐Var may be violated with as short an assimilation window as six hours. For improving the optimality of variational data assimilation systems, a sequence of retunes are needed, until the specified and diagnosed error covariances agree.     

黄海海雾短时临近预报中云水路径的EnKF同化研究

在海雾的短时临近预报中,初始场的水汽凝结状态扮演着重要角色。为了改进初始场的云水含量,本文提出直接同化雾体云水信息的思路。针对2011年5月一次大范围的黄海海雾,借助EnKF (Ensemble Kalman Filter)方法,尝试进行了极轨卫星反演云水路径数据的同化试验。结果表明:(1)通过利用EnKF将云水混合比增加到背景场和分析场的控制变量中,构建云水观测数据与背景场之间的关系,实现云水路径数据的直接同化是可行的;(2)同化云水路径可显著改善海面气温与湿度状态,大幅提高海雾预报效果;(3)EnKF能够基于集合体动态统计流依赖的背景误差协方差是其取得良好同化效果的主要原因。值得指出的是,受集合样本误差的影响,需要特别关注云水含量与风之间的相关关系。