过去状态估计之集合Kalman滤波扩充状态变量法研究

集合Kalman滤波是由大气数据同化发展的新的同化算法,它利用蒙特卡罗方法计算背景场的误差协方差矩阵,克服了Kalman滤波需要线性化的模型算子和观测算子的难点。但是这种同化方法是一种顺序数据同化方法,无法对过去状态变量进行同化订正。而过去状态的估计对于建立大气或海洋历史资料库、获得准确的数值预报初始场有着重要的意义。本文在集合Kalman滤波同化方法的基础上,提出了可以对过去状态进行估计的集合Kalman滤波扩充状态变量法,然后分别采用空气质量方程和Lorenz系统对这种方法进行了检验。数值试验结果表明,这种方法可以对非线性系统中的过去状态变量进行有效的估计订正,说明该方法是可行的。     

改进的台风初值化方案及四维变分同化的个例试验

由于洋面上常规观测资料严重不足,使得客观分析的结果难以准确地描写初始台风的热力结构和环流特征,这是造成台风数值预报误差较大的重要原因.传统的Bogus方案虽然对台风预报有很大改进,但是仍有许多不足.文中在前人研究工作的基础上,对Bogus方案进行了改进,提高了对台风强度的描述能力,并结合四维变分资料同化的方法,利用模式动力学约束,自动生成具有非对称环流结构的台风初值,最后进行了四维变分同化试验和数值模拟试验.数值结果表明:这种结合Bogus方法和四维变分同化方法的台风初值化方案对于台风的路径模拟和强度模拟均有较好的改进.     

EXPERIMENTAL STUDY ON A DYNAMIC ASYMMETRICAL TYPHOON INITIALIZATION SCHEME BASED ON 4D-VAR

Axisymmetric bogus vortexes at sea level are usually used in the traditional bogus data assimilation (BDA) scheme. In the traditional scheme, the vortex could not accurately describe the specific characteristics of a typhoon, and the evolving real typhoon is forced to unreasonably adapt to this changeless vortex. For this reason, an asymmetrical typhoon bogus method with information blended from the analysis and the observation is put forward in this paper, in which the impact of the Subtropical High is also taken into consideration. With the fifth-generation Penn State/NCAR Mesoscale Model (MM5) and its adjoint model, a four-dimensional variational data assimilation (4D-Var) technique is employed to build a dynamic asymmetrical BDA scheme to assimilate different asymmetrical bogus vortexes at different time. The track and intensity of six summer typhoons much influenced by the Subtropical High are simulated and the results are compared. It is shown that the improvement in track simulation in the new scheme is more significant than that in the traditional scheme. Moreover, the periods for which the track cannot be simulated well by the traditional scheme can be improved with the new scheme. The results also reveal that although the simulated typhoon intensity in the new scheme is generally weaker than that in the traditional scheme, this trend enables the new scheme to simulate, in the later period, closer-to-observation intensity than the traditional scheme. However, despite the fact that the observed intensity has been largely weakened, the simulated intensity at later periods of the BDA schemes is still very intensive, resulting in overly development of the typhoon during the simulation. The limitation to the simulation effect of the BDA scheme due to this condition needs to be further studied.     

台风过程数值模拟中4种初值化方案对比分析

了解、比较并改善各种Bogus技术,对台风数值模拟和数值预报具有重要意义.介绍了4种不同的台风初值化方案:基于四维变分资料同化原理的BDA方案、MM5模式附带的Bogus方案、王国民的Bogus方案,以及广州热带海洋所业务上曾使用的Bogus方案,具体台风个例,对这几种方案在台风数值模拟中所起的作用,进行对比讨论.数值...     

集合变分法在大气边界层湍流粘性系数反演中的应用

利用集合变分法研究了大气边界层EK模式(考虑了水平气压梯度力、科氏力和湍流粘性力3力平衡的大气边界层模式)中湍流粘性系数的反演问题.首先利用集合变分法推导了目标函数关于反演参数的梯度表达式,然后给出了反演计算方案,最后再就反演湍流粘性系数k进行了一系列理想数值试验.数值试验结果表明:利用集合变分法对EK模式中的湍流粘性系数的反演比较成功.通过适当调整集合数,初始扰动均方差及初始值的大小,可以进一步提高集合变分法对湍流粘性系数k的反演精度.将集合变分法应用于大气边界层参数的反演是一种值得研究的计算方案.     

集合卡尔曼滤波数据同化在一维波动方程中的应用

简要回顾了集合卡尔曼滤波(EnKF：Ensemble Kalman Filter)数据同化方法的发展历史,并介绍了EnKF数据同化方法的基本原理,利用一维非线性波动方程进行了数值试验。EnKF数据同化方法的实现过程简单可行。避免了EKF中协方差演变方程预报过程中出现的计算不准确和关于协方差矩阵的大量数据的存储问题,最主要的是EnKF可以有效控制模式变量估计误差方差的增长,改善预报效果。     

基于4D-VAR的动态非对称台风初值化方法试验研究

经典BDA台风初值化方案中台风模型为一个不能充分反映个别台风具体特征的轴对称海平面涡旋场,且在同化窗口内强迫发展着的台风向这个静止涡旋场适应。本文针对该特点,提出一种充分融合分析场信息和实况信息并考虑副高影响的非对称台风Bogus方法,利用PSU/NCAR的MM5模式及其伴随模式,通过四维变分同化(4D-VAR)技术,建立动态非对称BDA方案,对多个不同时次的Bogus资料进行同化。通过对夏季受副热带高压影响较大的6个台风的数值模拟试验对比发现,新方案的路径模拟普遍优于经典方案,且对于经典方案没能改善路径模拟的时段,新方法的模拟效果却能得以改进;新方法模拟的强度普遍弱于经典方案,但这种趋势使得新方法的中后期模拟强度较经典方案更接近于实况。另外,当实况中台风强度已大为减弱时,同化试验模拟的台风仍然保持很强的强度,造成气旋的过度发展,这种情况对BDA方案模拟效果的限制作用还需进一步研究。     

NMOHEMS探头外形对其下沉运动的影响分析

NMOHEMS 探头是一种由无人机运载的小型投掷式探头,采用混合网格技术结合湍流模型,建立了探头下沉运动的数值计算方法,分析了导流腔、收缩段及尾翼对探头下沉运动的影响;通过6种外形探头在不同雷诺数下的阻力系数和相同质量下的极限速度对比,发现探头外形对其下沉运动数值计算的结果影响较大;其中导流腔和收缩段均具有明显的减阻作用,且收缩段的影响更大,而尾翼具有一定的增阻作用;lgRe 在2.3~3.8时,6种外形探头的阻力系数差别较大,随着雷诺数的增加,阻力系数均迅速减小;lgRe 在3.8~5.1时,6者的阻力系数比较接近,虽仍然保持减小趋势,但变化趋于缓慢.NMOHEMS 探头的体型较小,下沉速度较慢,对其下沉运动进行数值计算时,必须考虑外形对数值计算结果的影响.