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。     

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。     

海洋数据同化与数据融合技术应用综述

简述了不同数据同化和数据融合方法在海洋环境监测与预测方面的应用、国内外相关业务单位的海洋分析和预报系统的现状,以及海洋数据同化将来的业务化应用的发展趋势。四维变分和集合卡尔曼滤波正在成为国际上海洋环境分析与预报的主要应用方向,海-气耦合数据同化以及海冰数据同化是目前数据同化方法研究的热点。     

气候模式FIO-ESM对2015/16年厄尔尼诺的预测

Recently atmospheric and oceanic observations indicate the tropical Pacific is at the El Ni?o condition. However,it's not clear whether this El Ni?o event of this year is comparable to the very strong one of 1997/98 which brought huge influence on the whole world. In this study, based on the Ensemble Adjusted Kalman Filter(EAKF)assimilation scheme and First Institute of Oceanography-Earth System Model(FIO-ESM), the assimilation system is setup, which can provide reasonable initial conditions for prediction. And the hindcast results suggest the skill of El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO) prediction is comparable to other dynamical coupled models. Then the prediction for 2015/16 El Ni?o by using FIO-ESM is started from 1 November 2015. The ensemble results indicate that the 2015/16 El Ni?o will continue to be strong. By the end of 2015, the strongest strength is very like more than 2.0°C and the ensemble mean strength is 2.34°C, which indicates 2015/16 El Ni?o event will be very strong but slightly less than that of 1997/98 El Ni?o event(2.40°C) calculated relative a climatology based on the years1992–2014. The prediction results also suggest 2015/16 El Ni?o event will be a transition to ENSO-neutral level in the early spring(FMA) 2016, and then may transfer to La Ni?a in summer 2016.     

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.     

上海邻近海域风暴潮数据同化与特征分析

风暴潮是一种复杂的对众多因素敏感又备受关注的海洋现象。本文基于协方差局地化的集合卡尔曼滤波方法（EnKF）,选择201810号台风“安比”登陆上海的风暴潮过程,首次将海洋站和FVCOM数值模拟的不同来源、不同误差信息、不同时空分辨率的风暴潮进行数据同化融合,获得了逐72 h的上海海域风暴潮的最优解,进行了同化结果评估验证,并给出了集合样本数和Schur半径设置范围。结果表明,实测计算和数值模拟的风暴增减水之间均方根误差为0.20 m,实测和同化计算的风暴增减水之间均方根误差为0.07 m,准确度提高了65%;独立观测和同化计算的风暴增减水均方根误差为0.09 m,集合离散度与均方根误差比值为0.90,同化效果较好且可信;同化后的风暴增减水能够较好地刻画双峰增水、台风眼增水、增水锋面等特征,对于风暴潮研究、数值模拟结果订正、海洋防灾减灾等有重要意义。     

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。     

简易海洋同化数据中的厄尔尼诺现象

为研究在厄尔尼诺现象演变过程中海气相互作用的性态特征,该文再次应用拓展伴随模态分析于简易海洋同化数据(SODA data).结果表明:通过相互作用形成厄尔尼诺/拉尼娜现象的海洋与大气具有明显不同的性态,气候系统中并不存在一个相对独立的热带太平洋大气变异,但是的确存在一个相对独立的热带太平洋海洋变异;原因在于大气是底部界面受热而海洋是顶部界面受热,从而导致前者具有较后者强烈得多的斜压不稳定性和能够覆盖大部分热带太平洋的赤道辐合带; 再次证实了正是直接来自中纬度海域的西风爆发和海面风辐聚导致赤道太平洋上层海水的东向移动和经向辐聚造就了厄尔尼诺所特有的增温信号.     

海洋温盐度资料多变量同化研究进展

早期海洋资料同化仅考虑温度的调整而忽略盐度的变化,这往往会带来虚假信息,可能导致密度场被严重恶化,同化后的结果甚至比没有同化任何观测资料时还要差。为了解决这个问题,海洋资料同化中的一些温、盐度多变量调整方案便被提出来了。本文对广泛应用于多变量分析的资料同化方法及不同温、盐度多变量调整方案进行了系统的回顾,对它们的优缺点进行了分析与讨论,并指出了不同调整方案的适用条件及应用现状,最后对Argo资料在海洋资料同化中的重要性及今后的研究重点进行了探讨。     

The impact of ocean data assimilation on seasonal predictions based on the National Climate Center climate system model

An ensemble optimal interpolation (EnOI) data assimilation method is applied in the BCC_CSM1.1 to investigate the impact of ocean data assimilations on seasonal forecasts in an idealized twin experiment framework. Pseudo-observations of sea surface temperature (SST), sea surface height (SSH), sea surface salinity (SSS), temperature and salinity (T/S) profiles were first generated in a free model run. Then, a series of sensitivity tests initialized with predefined bias were conducted for a one-year period; this involved a free run (CTR) and seven assimilation runs. These tests allowed us to check the analysis field accuracy against the “truth”. As expected, data assimilation improved all investigated quantities; the joint assimilation of all variables gave more improved results than assimilating them separately. One-year predictions initialized from the seven runs and CTR were then conducted and compared. The forecasts initialized from joint assimilation of surface data produced comparable SST root mean square errors to that from assimilation of T/S profiles, but the assimilation of T/S profiles is crucial to reduce subsurface deficiencies. The ocean surface currents in the tropics were better predicted when initial conditions produced by assimilating T/S profiles, while surface data assimilation became more important at higher latitudes, particularly near the western boundary currents. The predictions of ocean heat content and mixed layer depth are significantly improved initialized from the joint assimilation of all the variables. Finally, a central Pacific El Ni?o was well predicted from the joint assimilation of surface data, indicating the importance of joint assimilation of SST, SSH, and SSS for ENSO predictions.     

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...     

利用热带太平洋TAO浮标阵列评估全球高分辨率浪-潮-流耦合模式同化结果

In order to evaluate the assimilation results from a global high resolution ocean model, the buoy observations from tropical atmosphere ocean(TAO) during August 2014 to July 2015 are employed. The horizontal resolution of wave-tide-circulation coupled ocean model developed by The First Institute of Oceanography(FIOCOM model) is 0.1°×0.1°, and ensemble adjustment Kalman filter is used to assimilate the sea surface temperature(SST), sea level anomaly(SLA) and Argo temperature/salinity profiles. The simulation results with and without data assimilation are examined. First, the overall statistic errors of model results are analyzed. The scatter diagrams of model simulations versus observations and corresponding error probability density distribution show that the errors of all the observed variables, including the temperature, isotherm depth of 20°C(D20), salinity and two horizontal component of velocity are reduced to some extent with a maximum improvement of 54% after assimilation. Second, time-averaged variables are used to investigate the horizontal and vertical structures of the model results. Owing to the data assimilation, the biases of the time-averaged distribution are reduced more than70% for the temperature and D20 especially in the eastern Pacific. The obvious improvement of D20 which represents the upper mixed layer depth indicates that the structure of the temperature after the data assimilation becomes more close to the reality and the vertical structure of the upper ocean becomes more reasonable. At last,the physical processes of time series are compared with observations. The time evolution processes of all variables after the data assimilation are more consistent with the observations. The temperature bias and RMSE of D20 are reduced by 76% and 56% respectively with the data assimilation. More events during this period are also reproduced after the data assimilation. Under the condition of strong 2014/2016 El Ni?o, the Equatorial Undercurrent(EUC) from the TAO is gradually increased during August to November in 2014, and followed by a decreasing process. Since the improvement of the structure in the upper ocean, these events of the EUC can be clearly found in the assimilation results. In conclusion, the data assimilation in this global high resolution model has successfully reduced the model biases and improved the structures of the upper ocean, and the physical processes in reality can be well produced.     

拉格朗日资料同化的研究进展

拉格朗日资料对了解海洋环流和大气环流的动力学过程起到很重要的作用,同化拉格朗日资料有很大的必要性.拉格朗日观测工具主要提供的是水团或空气微团的位置和速度等信息,因为拉格朗日资料提供的是移动框架的数据而不是欧拉格点上的模式变量,所以随着拉格朗日观测覆盖大部分海洋和全球海洋环流模式的实现,采用先进的同化方法充分利用这些资料来提高分析预报准确性势在必行.在同化方法不断的发展中最优插值、变分同化、卡尔曼滤波这几种方法都有很好的应用.     

集合数据同化方法的发展与应用概述

集合数据同化方法具有简洁概念化的公式和应用起来相对容易等优点,因此,它们获得了普及性的应用;近10年来集合数据同化方法已经得到了快速的发展。综述了包括集合卡尔曼滤波(EnKF,Ensemble Kalman Filter)、集合卡尔曼平滑(EnKS,Ensemble Kalman Smoother)、集合方均根滤波(EnSRF,Ensemble Square-Root Filter)和减秩卡尔曼滤波(SEEK,Singular Evolutive Extended Kalman Filter)等集合数据同化方法的研究进展状况。通过与其它数据同化方法的对比,总结出了这些方法的特点,探讨了我国在集合数据同化方法研究中存在的问题并展望了该方法的研究和应用前景。     

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.     

基于海气耦合模式的均权重粒子滤波与集合卡尔曼滤波比较研究

在大气和海洋环境研究中,粒子滤波(PF)由于在非线性数据同化方面突出的优势,逐渐成为研究热点。最近改进的均权重粒子滤波(EWPF)为粒子滤波的进一步发展指明了新方向。集合卡尔曼滤波方法 (EAKF)作为当前主要应用的数据同化方法,使用高斯假设和线性假设来解决非线性问题,然而对均权重粒子滤波方法和卡尔曼滤波方法在非线性模式下的同化结果和特点还缺少系统详细的比较研究。本文在非线性耦合气候模式下,比较研究两种同化方法,采用均方根误差(RMSE)作为评价比较标准。实验结果表明,在非线性低频观测耦合模式中EWPF结果均优于EAKF。同时根据RMSE的结果得出,EWPF的同化结果更接近观察结果,而EAKF的同化结果更接近模式真值。     

对地球系统模式FIO-ESM同化实验中北极海冰模拟的评估

本文评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于集合调整Kalman滤波同化实验对1992-2013年北极海冰的模拟能力。结果显示:尽管同化资料只包括了全球海表温度和全球海面高度异常两类数据,而并没有对海冰进行同化,但实验结果能很好地模拟出与观测相符的北极海冰基本态和长期变化趋势,卫星观测和FIO-ESM同化实验所得的北极海冰覆盖范围在1992-2013年间的线性变化趋势分别为-7.06×105和-6.44×105 km2/(10a),同化所得的逐月海冰覆盖范围异常和卫星观测之间的相关系数为0.78。与FIO-ESM参加CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)实验结果相比,该同化结果所模拟的北极海冰覆盖范围的长期变化趋势和海冰密集度的空间变化趋势均与卫星观测更加吻合,这说明该同化可为利用FIO-ESM开展北极短期气候预测提供较好的预测初始场。     

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].