The Ensemble Kalman Filter: theoretical formulation and practical implementation

The purpose of this paper is to provide a comprehensive presentation and interpretation of the Ensemble Kalman Filter (EnKF) and its numerical implementation. The EnKF has a large user group, and numerous publications have discussed applications and theoretical aspects of it. This paper reviews the important results from these studies and also presents new ideas and alternative interpretations which further explain the success of the EnKF. In addition to providing the theoretical framework needed for using the EnKF, there is also a focus on the algorithmic formulation and optimal numerical implementation. A program listing is given for some of the key subroutines. The paper also touches upon specific issues such as the use of nonlinear measurements, in situ profiles of temperature and salinity, and data which are available with high frequency in time. An ensemble based optimal interpolation (EnOI) scheme is presented as a cost-effective approach which may serve as an alternative to the EnKF in some applications. A fairly extensive discussion is devoted to the use of time correlated model errors and the estimation of model bias.Responsible Editor: Jörg-Olaf Wolff     

大亚湾一次赤潮生消期间浮游植物群落变化研究

2003年8月12日至29日,广东省大亚湾的哑铃湾海域发生了小规模的赤潮,经现场跟踪监测发现是由锥状斯氏藻Scrippsiel latrochoidea和海洋卡盾藻Chattonella marina形成的混合赤潮。8月13日浮游植物群落由锥状斯氏藻占绝对优势,密度达6.52×106cells·L-1,占总细胞数量的99%以上;8月19日为赤潮高峰期,锥状斯氏藻密度最高时达5.59×107cells·L-1,约占总细胞数量的91%;而海洋卡盾藻在8月20日密度达到最大值1.17×107cells·L-1,约占总细胞数量的28%。以锥状斯氏藻、海洋卡盾藻占总细胞数量比例的不同,可将各站分为锥状斯氏藻控制区、海洋卡盾藻控制区及混合区3类,随环境条件的不断变化,这2种藻的数量随之变化,此3类区也处于变化之中。与海洋卡盾藻相比,锥状斯氏藻更适于在温度较高、盐度较低的情况下生长。还初步探讨了赤潮长时间持续的原因。     

新疆卡拉麦里清水东斜长花岗岩的锆石U-Pb年龄及地质意义

新疆卡拉麦里蛇绿混杂岩带中广泛存在斜长花岗岩,对其形成时代及成因还存在较大争议。在研究卡拉麦里地区岩石地球化学特征和测定LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄时发现,清水东斜长花岗岩与蛇绿岩中斜长花岗岩、堆晶辉长岩在稀土、微量元素成分特征上存在较大差异,但与其中块状辉长岩具有相似的稀土、微量元素配分模式,并且两者符合部分熔融趋势,清水东斜长花岗岩的成岩年龄为(342.0±3.8)Ma,表明它是处于早石炭世后碰撞背景下的一次构造-热事件的产物,而不可能是蛇绿岩中的浅色岩。     

帕米尔东北侧地壳结构研究

1998年在帕米尔东北侧伽师及其周边地区完成了两条深地震宽角反射/折射剖面. 结果表明,西昆仑、塔里木和天山在地壳速度结构、构造特征上显示出较大差异. 塔里木块体具有稳定地块的地壳结构特征,地壳平均速度较高(6.5km/s). 向南进入西昆仑,地壳明显增厚,厚度可达0km左右,且地壳平均速度偏低(6.0-6.2km/s),偏低的地壳平均速度主要来源于相对低速度的下地壳结构,反映了西昆仑褶皱系下地壳介质的特征. 向北进入天山后,地壳同样明显增厚,但增厚的程度低于西昆仑下,约为50-55km. 天山地壳同样具有明显低的平均速度(6.2km/s),显示了天山地壳相对"软"的特征,但天山地壳偏低的平均速度来源于广泛分布于中地壳的低速度层和速度偏低的下地壳. 在印度块体向北强烈推挤的作用下,该区地壳遭受强烈的不均匀变形,塔里木块体向南插入西昆仑下,向北插入天山下,形成了该区强烈地震频繁发生的深部构造环境.     

钒矿带矿区地质灾害危险性评价——以陕西山阳-商南钒矿带中村镇钒矿开采区为例

在查明地质灾害孕灾背景、发育现状、矿区开采现状的基础上,基于定性结合定量的评价方法,开展了矿区地质灾害危险性评价.基于评价结果和野外调查情况,总结采矿活动对矿区主要地质灾害的影响.主要成果如下：1）总结了研究区地质灾害的发育及分布特征;2）综合分析矿区孕灾环境及地质灾害致灾因子,构建了研究区危险性评价指标体系,以ArcGIS为工作平台,以斜坡单元为最小评价单元,进行了由地质灾害易发性到地质灾害危险性的评价;3）针对评价结果,理论分析了采矿活动对滑坡、崩塌、泥石流及塌陷等灾害发生的影响方式.     

塔里木北缘前寒武基底隆升剥露史：来自磷灰石裂变径迹的证据

库鲁克塔格隆起位于塔里木盆地北缘,广泛出露前寒武基底岩石。辛格尔村附近出露的太古宙杂岩,包括灰色片麻岩、角闪岩、片岩、混合岩和大理岩。新元古代地层出露在库鲁克塔格隆起西部的兴地、西山口、辛格尔和杀马山附近,不整合在古元古代和中元古代的片麻岩、角闪岩和片岩之上,并被早古生代的地层不整合。因此,该地区是了解塔里木盆地前寒武基底热演化史的理想地区。本研究的目的是为了探索：①塔里木基底岩石最初于何时剥露于地表？②塔里木基底剥露以后是否经历过再次埋藏和剥露？③塔里木基底岩石构造热演化过程对大陆边缘不同构造事件的响应。为了获取塔里木北缘剥露史和冷却过程信息,我们开展了裂变经迹的研究。含磷灰石的样品采自库鲁克塔格隆起的兴地断裂两侧。样品池年龄介于146．0±13．4和67．6±6．7Ma之间,平均经迹长度介于．11．79±0．14和13．89±0．27μm之间。根据样品年龄和样品所处的构造位置,样品可以分为3组。A组样品包括F2、F3、F4、F5和F8,裂变经迹表观年龄约100～110Ma,通常位于未遭断层变形的地区。B组样品包括F7、D和F10,裂变经迹表观年龄小于80Ma,构造上位于断层上盘并靠近断层。c组样品F11具有最大的裂变经迹表观年龄146．0±13．4Ma。热模拟表明,库鲁克塔格地区的隆升剥露作用可以划分为四期,分别是早侏罗世晚期（180Ma）、晚侏罗世-早白垩世（144～118Ma）、晚白垩世早期（94～82Ma）和新生代晚期（约10Ma）。裂变经迹记录的库鲁克塔格多阶段隆升作用,是对亚洲南缘多期地体碰撞增生的响应。     

内蒙古大沟井寒武纪黑色页岩元素地球化学特征及钒赋存形式

对内蒙古大沟井钒矿床的矿石样品进行了系统的常量和微量元素、X射线粉晶衍射以及显微能谱分析,探讨矿石中钒的赋存形式、形成环境以及保存条件等.研究结果表明,矿石样品中P2 O5含量变化范围为0.81％～6.14％,显示其磷含量普遍较高,反映地层中较为富集磷;样品烧失量的范围为7.75％～41.24％,比较大,反映云母及泥质...     

Absarokites from the western Mexican Volcanic Belt: constraints on mantle wedge conditions

We have investigated the near liquidus phase relations of a primitive absarokite from the Mascota region in western Mexico. Sample M.102 contains ~11.6 wt% MgO, Mg#=0.73 and the lava contains Fo₉₀ olivine phenocrysts, indicating near equilibrium with the mantle. High-pressure experiments on a synthetic analogue of the absarokite composition containing low and high H₂O abundances of (~2 and ~5 wt%, respectively) were performed in a piston cylinder apparatus over the pressure range of 1.2 to 2.0 GPa. The composition containing ~2 wt% H₂O is multiply saturated with olivine and orthopyroxene at 1.6 GPa and 1,400 °C. At the same pressure, clinopyroxene appears 30 °C below the liquidus. At an H₂O content of ~5 wt% the multiple saturation with olivine and orthopyroxene occurs at 1.7 GPa and 1,300 °C. Assuming a batch-melting process, we suggest that the primitive absarokite was segregated from a depleted lherzolite or harzburgite residue at ~50 km, placing the depth of origin well within the mantle wedge beneath the Jalisco Block. A low degree (<5 %wt%) batch-melt of an original metasomatized depleted lherzolite or harzburgite source would contain the observed trace element abundances found in M.102. The liquidus phase relations are not consistent with the presence of non-peridotitic veins at the depth of last equilibration. Therefore, we propose that the Mascota absarokites segregated at an apparent melt fraction of less than 5% from a depleted peridotitic source. Melting first began at a greater depth as a small degree H₂O- and trace element- rich melt of a metasomatized peridotite that ascended into the overlying wedge and re-equilibrated with shallower, hotter mantle.Editorial responsibility: J. Hoefs     

Hydrodynamic characteristics of the western Doñana Region (area of El Abalario), Huelva,Spain

The Doñana region, in southwestern Spain, comprises a large and important nature reserve, the wetlands of which are affected by human activity. Planting of an extensive eucalyptus forest in the 1950s and, more recently, the use of aquifers for irrigation and water supply for some coastal tourist resorts, have altered the natural groundwater-flow system. The area of the study is the western sector of the region, called El Abalario, which is a gentle topographic elevation between the Atlantic coast and La Rocina Creek (Arroyo de la Rocina). Underneath a variable layer of eolian sands with high dunes near the coast, thick Plio-Quaternary detritic strata, mostly fine silica sands, overlie marls. Near the base there is a variable, deltaic-origin layer of coarse sands and gravels. The dome-shaped water table, inside the sands, is close to the surface everywhere except beneath the dune belt, and small, temporary, shallow lagoons are numerous. The coarse sand and gravel layer conditions groundwater flow and behaves as a semiconfined layer between sands. A cross section through the area was simulated with a model to check the validity of the conceptual groundwater-flow pattern and its sensitivity to the hydraulic parameters. The model was calibrated using parameter values obtained by pumping tests and multilevel piezometric data, and checked against the estimated groundwater discharge into La Rocina Creek. Groundwater flows peripherally to the sea coast, to La Rocina Creek, or directly east and southeastward into the Doñana marshlands, in the Guadalquivir River delta. The average net aquifer recharge rate was calculated to be between 100 and 200 mm year^–1 for the area covered by brush, but is remarkably lower in the areas of eucalyptus trees. The transient-state model shows that recharge varies spatially and is not clearly proportional to annual precipitation. Phreatic evapotranspiration plays an important role in decreasing the net value of aquifer recharge to approximately 0.4–0.6 of that calculated with a soil-balance model. The cross section model was used to study the effect of groundwater abstraction on water-table depth by subtracting the contribution of vertical flow, calculated by a well-hydraulics formula, to the semiconfined deep aquifer. The result was a decrease in phreatic evapotranspiration, flow into La Rocina Creek, and lagoon-inundation frequency. Replacement of the eucalyptus forest with native vegetation may raise water-table levels and even reactivate old tributaries to La Rocina Creek.

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Resumen La región de Doñana, situada en el sudoeste de España, incluye una gran e importante reserva natural, cuyos humedales están siendo afectados por la actividad humana. La extensa plantación de eucaliptus en la década de 1950 y el uso más reciente de los acuíferos para riego y para abastecimiento de centros turísticos costeros han modificado el sistema de flujo del agua subterránea en esta zona. Este estudio se ha realizado en el sector occidental, llamado El Abalario. Se trata de una elevación suave situada entre el océano Atlántico y el arroyo de La Rocina. Debajo de un manto variable de arenas eólicas, que forma un alto cordón dunar costero, se encuentran sedimentos detríticos plio-cuaternarios formados por arenas silíceas finas, que hacia la base incluyen una capa de arenas gruesas y gravas de origen deltrico, los que a su vez yacen sobre margas. El flujo de agua subterránea está relacionado con niveles de gravas y gravillas semiconfinadas por las arenas fluvio-marinas que contienen el nivel freático. El nivel freático es somero excepto debajo del cordón dunar. Son frecuentes pequeñas lagunas temporales. Se ha simulado el flujo de agua subterránea en una sección para comprobar el modelo de flujo conceptual y la sensibilidad a variaciones de los parámetros. El modelo fue calibrado usando los valores de los parámetros hidráulicos obtenidos en ensayos de bombeo y datos piezométricos medidos a diferentes profundidades, y la descarga estimada al arroyo de La Rocina. La recarga de agua subterránea drena lateralmente, por un lado hacia la costa y por otro lado a través del arroyo de La Rocina, o directamente hacia las Marismas de Doñana situadas en el delta del río Guadalquivir. Con una lluvia media anual entre 550 y 600 mm, la recarga neta media estacionaria anual del acuífero, considerando periodos de tiempo largos, se estima entre 100 y 200 mm en las zonas de vegetación autóctona, y es notablemente menor en las zonas de plantación de eucaliptos. El modelo transitorio indica que la recarga varia espacialmente y no es claramente proporcional a la precipitación para periodos de un año. La evapotranspiración freática varia espacialmente y juega un papel importante; disminuye el valor neto de la recarga al acuífero para dejarlo en 0,4 a 0,6 de lo que se calcula mediante un balance de agua en el suelo. La sección modelada sirve para estudiar el efecto de la extracción de agua subterránea sobre la profundidad del nivel freático mediante la substracción del flujo vertical, que se calcula mediante una fórmula de hidráulica de pozos para el acuífero semiconfinado profundo. El resultado es una disminución de la evapotranspiración freática, del flujo al arroyo de la Rocina y de la frecuencia de inundación de las lagunas. La substitución del bosque de eucaliptus por vegetación nativa puede elevar los niveles freáticos e incluso reactivar antiguos "caños" tributarios al arroyo de La Rocina.

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Résumé La région de Doñana, située dans le sud ouest de l'Espagne, comprend une importante réserve naturelle avec des zones humides, affectée par l'activité humaine. L'exploitation de vastes plantations d'eucalyptus pendant les années 50 et l'usage plus récent des nappes souterraines pour l'irrigation et l'alimentation en eau des centres touristiques côtiers ont modifié le système de flux d'eau souterraine dans cette zone. La présente étude a été réalisée dans le secteur occidental, appelé El Abalario. Ce secteur consiste en une légère élévation située entre l'Océan Atlantique et la ravine de La Rocina. Une couverture variable de sables éoliens, formant une haute crête dunaire côtière, recouvre des sédiments detritiques plio-quaternaires, déposés eux même sur des sables siliceux lesquels reposent à leur tour sur des marnes. Près de la base se trouvent des sables grossiers et des graviers d'origine deltaïque, dont l'épaisseur varie spatialement. Le flux d'eau souterraine est conditionné par l'aquifère semi confinés des graviers et des sables grossiers. Le niveau phréatique de l'aquifère libre des sables fluvio-marins est peu profond, excepté sous les dunes. On y trouve souvent des petites lagunes temporaires peu profondes. Le flux de l'eau souterraine a été simulé dans une section verticale pour vérifier le modèle hydrogéologique conceptuel et la sensibilité aux variations des paramètres. Le modèle a été calé en utilisant d'une part les valeurs des paramètres hydrauliques obtenus par des essais de pompage et d'après les données piezométriques mesurées à différentes profondeurs, et d'autre part l'apport estimé de la ravine de La Rocina. L'écoulement d'eau souterraine s'effectue par drainage latérale dans trois directions, d'une part vers la côte, d'autre part à travers la ravine de La Rocina et finalement directement vers les Marais de Doñana situés à l'est et sud-est dans le delta du fleuve Guadalquivir. Avec une pluviométrie moyenne comprise entre 550 et 600 mm, la recharge nette moyenne annuelle des nappes, pour des périodes de temps assez longues, est estimée entre 100 et 200 mm dans les aires de végétation autochtone, et elle est nettement inférieure dans les aires plantées d´eucalyptus. Le modèle transitoire montre que la recharge varie dans l'espace et qu'elle n'est pas clairement proportionnelle aux précipitations annuelles. L'évapotranspiration phréatique joue un rôle important et diminue la valeur nette de la recharge des nappes de 0,4 à 0,6 de la valeur calculée avec un modèle de bilan d'eau dans le sol. La section modélisée est utilisée pour étudier l'effet de l'extraction d'eau souterraine sur la profondeur du niveau phréatique en soustrayant le flux vertical, calculé grâce à une formule d'hydraulique des puits, de la nappe profonde semi-confinée. Le résultat de cette extraction est une diminution de l'évapotranspiration phréatique, du flux au niveau de la ravine de La Rocina et de la fréquence d'inondation des lagunes. La substitution de forêts d'eucalyptus par de la végétation autochtone peut permettre la remonté des niveaux phréatiques et même réactiver d'anciens ravins affluents à La Rocina.

     

Seasonal prediction of global sea level anomalies using an ocean–atmosphere dynamical model

Advanced warning of extreme sea level events is an invaluable tool for coastal communities, allowing the implementation of management policies and strategies to minimise loss of life and infrastructure damage. This study is an initial attempt to apply a dynamical coupled ocean–atmosphere model to the prediction of seasonal sea level anomalies (SLA) globally for up to 7 months in advance. We assess the ability of the Australian Bureau of Meteorology’s operational seasonal dynamical forecast system, the Predictive Ocean Atmosphere Model for Australia (POAMA), to predict seasonal SLA, using gridded satellite altimeter observation-based analyses over the period 1993–2010 and model reanalysis over 1981–2010. Hindcasts from POAMA are based on a 33-member ensemble of seasonal forecasts that are initialised once per month for the period 1981–2010. Our results show POAMA demonstrates high skill in the equatorial Pacific basin and consistently exhibits more skill globally than a forecast based on persistence. Model predictability estimates indicate there is scope for improvement in the higher latitudes and in the Atlantic and Southern Oceans. Most characteristics of the asymmetric SLA fields generated by El-Nino/La Nina events are well represented by POAMA, although the forecast amplitude weakens with increasing lead-time.