WRF_ROMS-1.2中尺度海气耦合模式简介

本文介绍了WRF_ROMS-1.2中尺度海气耦合模式的研发背景、子模式、耦合技术,并依照模块功能介绍了该耦合模式中各子模块的主要作用。WRF_ROMS-1.2采用的MCT(ModelCoupling Toolkit)耦合器技术及消息传递的并行计算方式,均为当前多模式耦合的先进技术,很大程度上提高了模式的可扩展性和计算效率,为耦合模式的建立以及中尺度海气相互作用(尤其是热带气旋期间的海气相互作用)的研究、模拟和预报提供建设性参考。     

一个区域耦合海气模式及其实验

本文研制了一个区域的简单耦合海气模式,并用来模拟热带太平洋ENSO循环.模式由一层大气模式和一层海洋模式构成.大气模式由运动方程和热力方程组成;海洋模式由运动方程、连续方程和海温方程组成.非绝热加热与风应力构成海气间耦合媒介项,其中大气对海洋的影响以风应力为主,海洋对大气的影响以非绝热加热为主.在理论分析和数值实验的基础上,成功地实现了简单海气耦合模式的正常运转,并且应于对1982-1983年埃尔尼诺现象的数值模拟.对该事件从发展到衰弱的全过程,特别是中期与成熟期获得了良好的模拟效果,显示出本模式的模拟能力,也验证了热带太平洋区域耦合海气作用对ENSO循环的重大贡献.     

海气耦合模式中挟卷参数化的比较

利用美国国家气象中心的综合性大气-海洋资料序列(COADs),采用三种海气耦合模式对海洋挟卷速度的表达方法,计算了实测资料影响下模式挟卷速度的分布特征。利用求得的挟卷速度和由资料序列求得的热量通量分布,采用Niiler—Kraus一维混合层SST预报模式,估计了各种模式扶卷作用对SST的影响。通过比较各个模式的计算结果,提出: 1.挟卷作用是影响SST变化分布的一个重要因子。挟卷速度的分市取决于所采用参数化形式中主要影响因素的分布情况。不考虑平流作用时,模式SST的分布也取决于挟卷参数化形式中主要影响因素的分布。2.由海气耦合不稳定模态的分析得出三个模式对不稳定海气耦合波影响的特征。     

基于MCT耦合器的WRF-POM区域海气耦合模式构建及应用

为研究区域海气耦合模式在中尺度海气相互过程中的应用,利用MPI(ModelCouplingToolkit)并行通信技术,构建了基于MCT耦合器的WRF-POM并行区域海气耦合模式,并利用该模式对台风"凤凰"进行了一系列的数值模拟试验。试验结果表明:该耦合模式可以实现稳定高效的并行计算,并较好地再现了台风"凤凰"的活动过程;相对单一的大气模式,耦合模式可以更加准确地模拟出台风"凤凰"的路径和强度,其中不使用"Bogus方案"的耦合试验模拟效果最好,其路径平均绝对误差相对控制试验和使用"Bogus方案"耦合试验分别减小了20.1%和72.5%,强度的平均均方根误差则分别减小了41.4%和17.9%;耦合模式还能较好地再现表层海洋对大气的响应特征:台风大风使得表层流速显著增大,强烈的"抽吸夹卷"效应使得低层较冷海水上翻,海表温度降低,混合层深度增加。     

集合滤波和三维变分混合数据同化方法研究

发展了一种新的混合数据同化方法——基于集合滤波和三维变分的混合数据同化方法。该方法将集合调整卡尔曼滤波(ensemble adjustment Kalman filter,EAKF)得到的集合样本扰动通过一个转换矩阵的形式直接作用到背景场上,利用顺序滤波的思想得到分析场的一个扰动;然后在三维变分(three dimensional variational analysis,3D-Var)的框架下与观测数据进行拟合,从而给出分析场的最优估计。文中以Lorenz63模型为例,开展了理想数据同化试验,结果表明,相比于集合调整卡尔曼滤波,这种新的混合同化方法可以给出更好的同化结果。     

变分同化方法反演海气耦合模型参数的研究

采用变分资料同化技术,结合最优控制思想,对一个海气耦合模型的模式参数和强迫项进行了反演,结果表明,采用该方法对模式进行优化,既可以补偿模式参数不准确性给预报带来的误差,又可以对模式参数本身进行修正和估计,为将来在实际应用中改善更复杂的预报模式、提高预报准确率提供了一个可借鉴的思路。     

基于大涡模拟耦合模式的小尺度海气相互作用研究

大气和海洋是影响地球气候系统的两个重要因素,它们之间的相互作用是海洋和大气研究的重要课题,海气耦合模式则是研究海气相互作用的重要工具,而海气耦合模式重点考虑的参数是海气通量。针对传统的大尺度海气耦合模式缺少湍流尺度分析的问题,本文使用并行大涡模拟海气耦合模式（The Parallelized Large-Eddy Simulation Model,PALM）,在小尺度上探究风速对海气通量及湍流动能收支（Turbulence Kinetic Energy Budget,TKE Budget）的影响,设置了5、10和15m/s三种地转风速度对大气边界层（Atmospheric Boundary Layer,ABL）和海洋混合层（Oceanic Mixed Layer,OML）进行海气耦合模拟。研究表明：海气通量的分布与风速大小密切相关,风速越大,净热通量和浮力通量相对越大,由于温度上升导致海水蒸发加剧,使得大气的淡水通量增大;海洋湍流动能收支各项在近海面处受风速影响较大,且随着深度加深而逐渐减弱。本研究初步展示了小尺度海气耦合模式在海气通量研究中的应用,对进行小尺度海气相互作用研究具有一定的意义。     

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。     

关于海气耦合模式气候漂移及敏感性的一点探讨

本文从概念性的大气或海洋系统及海气耦合系统出发,通过简单的理论分析指出:用观测气候场作为边界条件来调试大气或海洋模式并非最佳选择;海气耦合漂移是由两部分组成的,其中一部分源于未耦合模式模拟得到的气候状态与观测气候状态之间的系统误差,而另一部分则源于海气系统的非线性相互作用;海面“通量修正”可以消除因模式气候与观测气候之间的系统误差而引起的那部分漂移,但仍保留了海气系统的大部分非线性相互作用项.本文最后利用中国科学院大气物理研究所发展的海气耦合模式进行了敏感性试验,指出耦合漂移受到模式海洋的垂真发辨的率、海洋温盐扩散方案、海气耦合强度等诸多因素的影响.     

用简单海气耦合模式研究西太平洋暖池的形成机制及其对大气扰动的影响——Ⅰ.简单海气耦合模式的建立(英文)

试图建立一个简单海气耦合模式,其中大气垂直分为两层,为－β平面近似线性模式。在非绝热加热项中包含了对流凝结潜热与大尺度流场之间相互作用的ＣＩＳＫ机制以及蒸发、感热与扰动风场之间的反馈机制,并考虑了东风区与西风区的不同。由于只研究大气的平均纬向运动,故模式大气中仅含有Ｋｅｌｖｉｎ波。海洋模式为一约化重力模式,只保留了Ｒｏｓｓｂｙ波。对这一海气耦合模式进行特征波动分析,发现考虑海气耦合效应并不影响大气波动的性质,在东风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波仍然增幅和东传;在西风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波振幅衰减。但海气耦合效应却使得大气Ｋｅｌｖｉｎ波的传播速度减慢,周期增大。当考虑海气耦合效应时,海洋Ｒｏｓｓｂｙ波的稳定性质发生变化,由原来的中性波动变为非中性波动。在西风区,波数小于某临界波数的长Ｒｏｓｓｂｙ波振幅增大,而短的Ｒｏｓｓｂｙ波振幅衰减。在东风区结论相反。对海气耦合模式中波动的分析,为数值模拟西太平洋暖池的形成及其对大气扰动的影响建立了理论基础。     

EnKF和SIR-PF在贝叶斯滤波框架下的比较和结合

贝叶斯估计理论为非线性、非高斯系统的数据同化提供了一个统一的框架。在本文中,我们利用著名的洛伦茨吸引子(Lorenz'63)模式对两种基于贝叶斯滤波理论的数据同化方法——集合卡尔曼滤波器(EnKF)和重取样粒子滤波器(SIR-PF)——进行了较为全面的比较。比较的结果揭示了两种方法的优缺点:即当集合成员数目较多时,SIR-PF的同化效果优于EnKF;反之,则EnKF的表现较好。进一步地,我们使用统计方法分析了两者表现的差异和原因。最近提出的一种集合卡尔曼粒子滤波器(EnKPF)通过使用一个可控的参数整合EnKF和SIR-PF的分析格式,可以结合两者的优点。本文在充分比较两种方法的前提下,重新阐释并改进了原有的EnKPF算法,使之适用于非线性的观测算子。通过使用相同的洛伦茨模式实验,我们揭示了EnKPF实质上提供了关于EnKF和SIR-PF的连续插值,使得后两者可以视为其特殊情况。并且,在集合成员数目有限的前提下,EnKPF可以在一定程度上避免滤波退化的发生,取得优于EnKF和SIR-PF的同化效果。     

Predicting seasonal ocean variability around New Zealand using a coupled ocean-atmosphere model

We present a first assessment of the Sea Surface Temperature (SST) and 300m Heat Content (HC) ensemble mean skill of the Australian Community Climate and Earth-System Simulator-Seasonal v1.0 (ACCESS-S1) around New Zealand on seasonal timescales, using a set of retrospective ensemble forecasts for 1990-2012. This was verified against Reynolds AVHRR analysis and Bluelink ReANalysis 3.5 (BRAN3.5). For inshore areas with depth <300m, the model shows skill forecasting for summer at a lead time of 0 months, with 66% and 65% of model grid cells having correlation coefficients exceeding 0.6 for SST and 300m HC respectively. Regions of lower skill seem to be associated with the model representation of the complex and variable frontal systems around New Zealand, and an overly-strong response to the El Niño Southern-Oscillation (ENSO). Nevertheless, the skill of ACCESS-S1 around New Zealand suggests there is potential for the development of useful seasonal forecast products for the region.     

气候模式中海洋数据同化对热带降水偏差的影响

本文采用海洋卫星观测海表温度(SST)和海面高度异常(SLA)数据,对国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography Earth System Model version 1.0)中海洋模式分量进行了集合调整卡尔曼滤波(EAKF)同化,对比分析了大气环流、湿度和云量对海洋数据同化的响应,探讨了海洋同化对热带降水模拟偏差的影响。结果表明:海洋数据同化能有效改善海表温度和上层海洋热含量的模拟,30°S~30°N纬度带内年平均SST的绝均差降低60%。同化后大气模式模拟的赤道两侧信风得到明显改善,上升气流在赤道以北热带地区增强而在赤道以南热带地区减弱,热带降水模拟的动力结构更为合理,水汽和云量分布也更切合实际。热带年平均降水的空间分布和强度在同化后均得到改善,赤道以南的纬向年平均降水峰值显著降低,降水偏差明显减小,同化后30°S~30°N纬度带内年平均降水绝均差降低35%。     

热带三大洋海-气耦合主模态及其相互作用的研究进展

从地球气候系统的角度,回顾了国内外热带太平洋、大西洋和印度洋海洋-大气相互作用研究,特别是有关这三大洋海-气耦合主模态研究已取得的成就;提出了热带印度洋、大西洋在被热带太平洋“充电”的同时,如何通过大气桥“放电”,从而改变热带太平洋海洋动力过程是目前面临的重要科学问题.指出了海洋动力过程在三大洋相互作用中的重要性.     

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...     

海-陆-气耦合模式中海洋分量的温盐模拟分析

基于OASIS耦合器,发展了一套具有较高分辨率并行化的海-陆-气耦合模式,并进行了30年以上的耦合积分。为了评估模式中海洋分量的基本性能,首先考察了耦合模式对"气候漂移"的控制,然后对比分析了耦合与未耦合海洋环流模式模拟温度和盐度的气候态特征和季节变化,结果显示耦合模式的模拟结果中没有出现明显的"气候漂移现象",同时能较好的模拟全球大洋温盐分布的基本特征和季节变化。     

航空重力测量中FIR滤波与高斯滤波的比较

数字滤波器是影响航空重力测量数据处理成果质量的关键技术之一。分析比较了布莱克曼窗函数滤波和高斯滤波的特点,并利用实测数据对各类滤波器的性能进行了实际验证。结果表明,航空重力测量数据处理中高斯滤波和布莱克曼滤波的精度相当,高斯滤波略优,表明高斯滤波器同样适用于航空重力数据的滤波处理。     

集合资料同化方法的理论框架及其在海洋资料同化的研究展望

在海洋动力系统的数值模拟中,海洋资料同化是一种能够有效融合多源海洋观测资料和数值模式的方法。它不仅可以显著地提高数值模拟的效果,构造海洋再分析资料场,还能有效减少海洋和气候预报时模式初始条件的不确定性。因此,海洋资料同化对于海洋研究和业务化应用具有非常重要的意义。资料同化方法的研究一直是大气、海洋科学的热门课题之一。其中,集合卡尔曼滤波器(EnKF)是一种有效的资料同化方法,自提出以来经过了20多年的发展和改进,已经在海洋资料同化中得到了广泛的研究和应用。近年来,随着动力模式的不断发展和计算能力的提高,粒子滤波器由于不受模型线性和误差高斯分布假设的约束,也逐渐成为了当前资料同化方法研究的热点。本文分析和总结了目前关于集合卡尔曼滤波器和粒子滤波器的一些最新理论研究结果,在贝叶斯滤波理论的框架下讨论了这两类算法的关联和区别,以及各自在资料同化实践中的优势和不足。在此基础上,我们探讨了粒子滤波器应用于海洋模式资料同化的主要困难和目前可行的一些解决方法,展望了集合资料同化方法研究的新趋势,为集合资料同化方法的进一步发展和应用提供理论基础。     

南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统研制

本文主要介绍了南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的研制概况。预报区域为99°E~135°E,15°S~45°N,包括渤海、黄海、东海和南海及其周边海域。为了给耦合预报模式提供较准确的预报初始场,在预报开始之前,分别进行了海浪模式和海洋模式的前24小时同化后报模拟。海浪模式和海洋模式都采用了集合调整Kalman滤波同化方法,海浪模式同化了Jason-2有效波高数据;海洋模式同化了SST数据、MADT数据和ARGO剖面数据。为了改进海洋温度和盐度的模拟,我们在海洋模式的垂向混合方案中引入波致混合和内波致混合的作用。预报系统的运行主要包括两个阶段,首先海浪模式和海洋模式进行了2014年1月至2015年10月底的同化后报模拟,强迫场源自欧洲气象中心的六小时的再分析数据产品。然后耦合预报系统将同化后报模拟的结果作为初始场进行了14个月的耦合预报。预报产品包括大气产品（气温、风速风向、气压等）、海浪产品（有效波高和波向等）、海流产品（温度、盐度和海流等）。一系列观测资料的检验比较表明该大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的预报结果较为可靠,可以为南海及周边海洋资源开发和安全保障提供数据和信息产品服务。