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Bogus资料的四维变分同化试验

给出人造台风(即Bogus)资料同化方案,并用于生成台风的初始结构,同时用9608号台风进行了测试,资料同化和预报均采用第5代中尺度模式系统(The Fifth-Generation NCAR/Penn State Mesoscale Model,简称MM5),结果发现该方案能产生成熟台风的许多结构特征,对9608号台风的预报也有明显改进.模式的初始场更适合于预报模式,能有效抑制积分初期的旋转加强(即Spinup)现象;强度预报和路径预报都得到改善,Bogus资料同化方案的各时次路径预报误差均比Bogus资料直接嵌入方案的误差要小.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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].     

浅水潮波模式变分同化共轭码技术研究

以浅水潮波模式为例，详细讨论了共轭码技术的使用方法以及代码检验，并建立了海洋浅水模式的共轭模式。利用浅水潮波模式及其共轭模式进行了流速和水位的初始场优化试验。试验结果表明，初始场优化对于潮波系统数值模拟具有重要的作用，同时也说明利用共轭码技术可以有效地设计共轭模式，进行各种同化试验研究，显示了共轭码技术的诸多优点。     

解析四维集合变分参数优化方法研究

传统的四维变分数据同化方法在同化观测资料的同时可以对数值模式参数进行优化,然而传统的四维变分方法需要针对不同的数值模式编写特有的伴随模式,因此算法的可移植性差,同时计算时耗费大量资源。本文提出了一种新的基于解析四维集合变分的参数优化方法,该方法以迭代搜索得到的模式参数为基准展开扰动并构建样本集合,由此显式地计算协方差矩阵,并得到代价函数极小值的解析解,从而避免了伴随模式的使用。基于Lorenz-63模型对该方法进行单参数和多参数数值试验和优化效果检验,并在不同的同化时间窗口长度和观测采样间隔情况下,采用传统四维变分方法与之进行对比,结果显示,新方法表现出与传统四维变分相同的优化性能,都能有效收敛到真值,而新方法不需要计算伴随模式,可移植性好。本文还测试了不同的集合成员个数和模式参数真值的情况下新方法的同化效果,结果表明,新方法对集合样本个数及模型参数真值不敏感,采用较少的集合样本即可完成数据同化。     

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。     

Study and application of an improved four-dimensional variational assimilation system based on the physical-space statistical analysis for the South China Sea

The four-dimensional variational assimilation (4D-Var) has been widely used in meteorological and oceanographic data assimilation. This method is usually implemented in the model space, known as primal approach (P4D-Var). Alternatively, physical space analysis system (4D-PSAS) is proposed to reduce the computation cost, in which the 4D-Var problem is solved in physical space (i.e., observation space). In this study, the conjugate gradient (CG) algorithm, implemented in the 4D-PSAS system is evaluated and it is found that the non-monotonic change of the gradient norm of 4D-PSAS cost function causes artificial oscillations of cost function in the iteration process. The reason of non-monotonic variation of gradient norm in 4D-PSAS is then analyzed. In order to overcome the non-monotonic variation of gradient norm, a new algorithm, Minimum Residual (MINRES) algorithm, is implemented in the process of assimilation iteration in this study. Our experimental results show that the improved 4D-PSAS with the MINRES algorithm guarantees the monotonic reduction of gradient norm of cost function, greatly improves the convergence properties of 4D-PSAS as well, and significantly restrains the numerical noises associated with the traditional 4D-PSAS system.     

基于ROMS和4DVAR的沿轨与网格化SSH数据同化效果评价

Remote sensing products are significant in the data assimilation of an ocean model. Considering the resolution and space coverage of different remote sensing data, two types of sea surface height(SSH) product are employed in the assimilation, including the gridded products from AVISO and the original along-track observations used in the generation. To explore their impact on the assimilation results, an experiment focus on the South China Sea(SCS) is conducted based on the Regional Ocean Modeling System(ROMS) and the four-dimensional variational data assimilation(4 DVAR) technology. The comparison with EN4 data set and Argo profile indicates that, the along-track SSH assimilation result presents to be more accurate than the gridded SSH assimilation, because some noises may have been introduced in the merging process. Moreover, the mesoscale eddy detection capability of the assimilation results is analyzed by a vector geometry–based algorithm. It is verified that, the assimilation of the gridded SSH shows superiority in describing the eddy's characteristics, since the complete structure of the ocean surface has been reconstructed by the original data merging.     

变分资料同化中不同的变分求解方法

在应用变分资料同化方法时面临着两方面的难题:一是背景场误差协方差矩阵的求逆问题;二是与背景场误差协方差矩阵相关的计算与存储问题。为了解决这两方面的问题,不同的求解方法便被提出来了。对主要的变分求解方法,包括增量法、运用空间滤波算子的变分分析法、预处理化法、物理空间统计分析法、谱统计插值法等进行了系统的回顾,对它们的优缺点进行了分析与讨论,并指出了变分资料同化中各种求解方法的适用条件。     

连云港温带风暴潮及可能最大温带风暴潮的计算

用46a资料首次对连云港温带风暴潮进行了统计分析,计算了不同重现期的温带风暴潮(增、减水)值,并划分引起温带风暴潮的天气类型;进而首次构造引起连云港可能最大温带风暴潮(增、减水)的天气系统;最后,采用经过典型温带风暴潮过程数值模拟检验的风暴潮数学模型,计算了连云港可能最大温带风暴潮,计算结果已被江苏田湾(连云港)核电站厂址设计部门采用.     

珠江口地区台风风暴潮的数值模拟试验

本文选取了3个珠江口对造成严重风暴潮灾害的南海西北向路径的台风作为个例,利用国家海洋环境预报中心建立的业务化的台风风暴潮模式进行风暴潮后报检验.将结果与珠江口地区三个验潮站实际观测资料进行对比发现:模式的后报效果比较理想,对业务预报中最为关心的最大风暴增水值模拟较好,说明该模式对模拟这类型路径台风引起的风暴增水有较好的预报适用性.并且进一步发现:强度越大的台风,增水峰值模拟效果越好;该地区各验潮站的最大增水通常发生在台风中心距离验潮站最短的几个小时内.     

0814号强台风"黑格比"风暴潮分析与数值模拟

2008年第14号强台风“黑格比”是12年来袭击粤西最强的台风,由于它移动速度快、登陆强度强,给粤西沿海带来了严重的风暴潮灾害,珠江口至阳江一带有多个潮位站的高潮位超过历史极值。本文根据珠江口、粤西、雷州半岛等几个潮位站资料探讨了“黑格比”台风的风暴增水特征;利用国家海洋环境预报中心业务化的风暴潮集合预报模式对本次过程进行了模拟,并分析了模拟效果。     

渤海典型温带风暴潮数值模拟及改进实验

分析了2010年渤海两次典型温带风暴潮过程及规律,发现沿岸的最大增水基本由北沿渤海西岸向南传播且各站出现最大增水时间有较稳定的滞后,利用一套基于非结构网格的高分辨率风暴潮模式(ADCirc)和NMEFC温带风暴潮模式(CES)分别对“20101212”强温带风暴潮过程进行数值模拟,对比分析其结果的优劣后提出基于测站风场...