GPS/LEO掩星观测的变分同化技术

在简单介绍GPS/LEO掩星探测大气的发展历史和科学意义之后,详细阐述了反演的基本原理;分析了标准反演中存在的问题,并说明一维变分同化(1DVAR)在反演方法中的重要性;给出了一维变分同化中价值函数的求解,以及各种同化因子;简单介绍了对当前气象学中普遍使用的四维变分同化(4DVAR);重点讨论了各种同化方法,以及使用各种同化因子的优缺点。最后,通过CHAMP卫星的观测实例分析,验证了GPS数据在数值天气预报(NWP)中的作用,以及相对于标准反演法一维变分对气象要素的改进。     

红外和水色遥感资料同化研究设想

本文指出卫星红外及水色遥感资料同化研究，需要建立在中尺度分辨力大洋热力动力准地转运动与上混合层运动耦合数值模式的基础上，利用该耦合模式可进一步研究中尺度温度结构及相应运动场的形成、演化和统计特征，使该模式具有温度场预报应用的价值，并得到诸如叶绿素、悬浮泥沙等水色要素在空间场的分布，且使温度场和水色要素场与动力环境相协调。该项研究对卫星海洋学发展有深刻的理论意义和潜在应用前景。     

一维扩散方程整体观测资料下的初值变分同化反演

本文考虑一维扩散方程的反问题,利用变分同化方法通过观测资料来确定方程中的未知初值,通过分析观测误差对于初值误差的影响,证明变分同化初值收敛于原问题的真实参数,并得到了参数的收敛精度。同时将得到的初值代入预报模式中,得到预报解,并分析了预报解的收敛性和预报误差。     

非恒定水流计算的最优控制问题及其变分求解

为综合利用各类可用的信息源(如水流运动规律,观测资料和统计信息),在反问题的框架下构建了非恒定水流计算的变分模型.针对模型预测的可能误差来源,给出了初始条件、边界条件、物理参数三类独立参量及综合控制问题的定义.在此基础上,阐述了变分法求解这类偏微分方程最优化控制问题的基本原理及模型求解步骤.同时,为便于应用参考,选取初始条件、边界条件和物理参数作为控制向量,以实际常用的水流运动微分方程为基础,导出了一、二维非恒定水流计算的通用伴随方程.并以珠江黄浦至大虎段二维潮流计算为例,展示了变分模型的应用.     

伴随模式同化系统在修正模式地形中的应用

任何模式都只是实际大气的一种近似模拟，存在误差。鉴于传统的四维资料伴随模式同化系统都是假设模式完全正确仅对初始场进行修正。将伴随模式同化系统应用于修正模式地形误差，通过对不同初始地形的修正试验表明，MM5伴随模式同化系统能很好地对地形误差进行修正，能够反演出与初始气象要素场分辨率相匹配、与模式更协调的地形场，为伴随模式同化系统的广泛应用提供了一种新的思路。     

变分同化方法在Lorenz系统中的简单应用研究

利用Lorenz模式作变分同化数值试验，通过对一个简单系统的讨论，介绍四维变分同化方法。对初值敏感性和观测点的个数及观测值作了对比试验，发现随着模式对初值敏感性的增加，同化效果会越来越差；观测点越少，观测值误差越大，这些都会影响同化效果，甚至导致同化失败。     

改进的切线性模式对一个边界层模式变分资料同化的改善

大气、海洋中边界层物理过程的强非线性会对切线性模式近似（尤其是当积分时间长时）有较大的影响，从而给相应的4维变分资料同化问题的求解造成困难。本构造了Mellor-Yamada湍流封闭模式（level 2.5)的一个改进的切线性模式，相比通常的切线性模式和简化的切线性模式可以提高对非线性扰动的逼近。利用这个改进的切线性模式的伴随模式分别进行了1到7天的变分资料同化试验，得到了满意的结果。而用通常的伴随模式和简化的伴随模式都无法得到令人满意的结果。     

总磷作为饮用水生物稳定性控制指标的研究

根据国内提出的控制饮用水生物稳定性的可同化有机碳(AOC)标准,通过配制水样研究了AOC及细菌再生长潜力(BRP)同水中磷含量的关系;同时针对净水工艺试验出水水样,考察了水中的磷同其生物稳定性的关系。结果表明,对于配水水样,在一定的磷浓度范围内,磷是水中细菌生长的限制因子;在净水试验工艺出水水样中添加50μg/L的PO₄3--P后,AOC增加了55%,BRP增加了123%,表明水中磷是其生物稳定性的限制因子。由于常规的净水工艺对水中的磷可以有效去除,把水中总磷(TP)控制在5μg/L内来提高饮用水生物稳定性具有一定的可能性和现实性。     

GPS折射角资料的变分同化试验

越来越多的新型观测资料为数值天气预报水平的进一步提高提供了许多新的机会。在各种新型的观测资料中,GPS(全球定位卫星系统)折射角资料无疑是非常重要的。GPS折射角资料具有分辨率高、全天候探测、覆盖全球等优点,实现对GPS折射角资料的变分同化,将具有非常重要的意义。文中介绍了如何获得及同化GPS折射角资料的原理。对GPS折射角资料的变分同化可以分为两种:间接同化和直接同化,文中对这两种方法都作了具体介绍。在变分同化的最小化过程中,计算效率无疑是最重要的,而优化步长的计算又直接关系到算法效率的成败。根据最小化算法的特点,通过数学推导,得出一种适合于各种最小化算法的计算优化步长的自适应方法。最后,还利用1995年10月11日的GPS折射角资料进行了数值试验,结果表明了变分同化方法和计算优化步长方法的有效性。     

扩展卡尔曼滤波数据同化试验--基于Lorenz(1960)系统的研究

本文采用Lorenz(1960)系统，在只考虑初始误差及观测误差而不考虑模式误差的情况下，利用扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter)数据同化方法进行了数值模拟试验。数值试验的结果表明：扩展卡尔曼滤波数据同化方法对系统状态的估计有较好的改善作用，能有效的抑制估计误差的增长；加大观测频率，可以进一步改善数据同化的效果，使估计误差进一步减小；由于模式误差的存在，系统的不稳定能量会不断的累积，出现了估计误差的异常增长和计算的不连续现象，在模式预报方程中的均值演变方程加人二阶偏差纠错项，对控制估计误差的异常增长，进一步改善数据同化的效果有较明显作用。