本文關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的誤差處理方法研究

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【摘要】：隨著人類對環(huán)境認識水平的不斷提高,越來越多的地球觀測數(shù)據(jù)正有序合理地被分析和利用。數(shù)據(jù)同化方法作為融合模型信息與觀測信息的有力紐帶,近年來在地球科學(xué)中得到了迅速發(fā)展,目前無論是在理論方法的研究還是在實用同化系統(tǒng)的構(gòu)建方面都取得了重要的研究進展。然而,數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)中的誤差問題一直是制約數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸,如何合理、有效地減少數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的不確定性問題,已成為發(fā)展數(shù)據(jù)同化方法所必須面臨的問題。在實際的同化系統(tǒng)中,如果沒有對誤差進行處理,或者是處理得不好,在同化過程中就比較容易造成模型預(yù)報大幅度偏離觀測數(shù)據(jù)的問題,產(chǎn)生濾波發(fā)散現(xiàn)象,最終導(dǎo)致同化系統(tǒng)不穩(wěn)定。針對數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的誤差問題,本文主要做了以下研究工作:(1)分析了順序數(shù)據(jù)同化方法和連續(xù)數(shù)據(jù)同化方法中的誤差機理及來源,對兩種方法中的誤差問題進行了比較。簡要概述了模型誤差和觀測誤差的估計過程,針對集合數(shù)據(jù)同化中的誤差處理方法進行了綜述,簡要羅列了幾種具有代表性的誤差處理方法。(2)詳細分析了經(jīng)典Kalman濾波中的誤差產(chǎn)生過程,針對Kalman濾波不適用于非線性系統(tǒng)和易于發(fā)散的特點,實現(xiàn)了一種基于Cholesky方法分解誤差協(xié)方差矩陣的Kalman濾波改進算法,并在Lorenz混沌系統(tǒng)上研究了改進濾波的性能。結(jié)果顯示,改進后的濾波與Kalman濾波相比,對同化系統(tǒng)的誤差有明顯的改善效果。(3)針對觀測誤差問題,以大氣污染物擴散問題為研究背景,以二維平流擴散模型為預(yù)報模型、集合Kalman濾波為數(shù)據(jù)同化方法在模擬的風(fēng)速場中建立了一個污染物濃度預(yù)報的模擬數(shù)據(jù)同化系統(tǒng),并在該系統(tǒng)上研究了觀測策略、觀測誤差對同化效果的影響,將局地化方法用于處理觀測誤差中的虛假相關(guān)問題。本文在理想模型的基礎(chǔ)上,研究了同化系統(tǒng)中的算法誤差和觀測誤差問題,嘗試從理論角度尋求有效的誤差處理方法,以期為實際數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論參考。
【關(guān)鍵詞】：數(shù)據(jù)同化 誤差處理 Lorenz混沌系統(tǒng) 二維平流擴散模型 集合Kalman濾波
【學(xué)位授予單位】：西北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X87;X831
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 緒論8-13
• 1.1 數(shù)據(jù)同化的基本概念8
• 1.2 本文的研究背景與意義8-10
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-11
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容11-13
• 第2章 數(shù)據(jù)同化中的誤差理論13-22
• 2.1 順序數(shù)據(jù)同化中的誤差問題13-17
• 2.1.1 Kalman濾波14-15
• 2.1.2 集合Kalman濾波15-17
• 2.2 連續(xù)數(shù)據(jù)同化中的誤差問題17-18
• 2.3 兩類誤差問題的比較18-19
• 2.4 誤差處理方法19-21
• 2.5 本章小結(jié)21-22
• 第3章 Kalman濾波中的誤差問題22-27
• 3.1 引言22
• 3.2 濾波發(fā)散問題22-24
• 3.2.1 濾波發(fā)散現(xiàn)象22
• 3.2.2 克服發(fā)散的主要方法22-24
• 3.3 Cholesky分解24
• 3.4 基于Cholesky分解的誤差處理方法24-26
• 3.5 本章小結(jié)26-27
• 第4章 基于Cholesky分解的誤差處理方法數(shù)值試驗27-35
• 4.1 Lorenz混沌系統(tǒng)介紹27
• 4.2 改進濾波的基本同化實驗27-28
• 4.3 觀測方差對同化效果影響28-29
• 4.4 觀測窗口長度對同化效果影響29-30
• 4.5 加密觀測策略對同化效果的影響30-31
• 4.6 與集合Kalman濾波同化性能比較31-34
• 4.7 本章小結(jié)34-35
• 第5章 數(shù)據(jù)同化觀測誤差問題分析35-47
• 5.1 引言35
• 5.2 數(shù)據(jù)同化觀測誤差35-36
• 5.2.1 觀測算子誤差35-36
• 5.2.2 代表性誤差36
• 5.2.3 儀器誤差36
• 5.3 觀測誤差問題的模擬同化試驗36-41
• 5.3.1 局地化技術(shù)36-37
• 5.3.2 二維平流擴散模型簡介37
• 5.3.3 模擬風(fēng)速場的構(gòu)建37-38
• 5.3.4 模擬觀測數(shù)據(jù)的獲取38-39
• 5.3.5 性能評價指標(biāo)39
• 5.3.6 模擬同化試驗的基本設(shè)計39-41
• 5.4 模擬同化試驗結(jié)果41-46
• 5.4.1 基本同化試驗結(jié)果41-42
• 5.4.2 敏感性試驗分析42-45
• 5.4.3 局地化策略研究45-46
• 5.5 本章小結(jié)46-47
• 第6章 總結(jié)與展望47-49
• 參考文獻49-52
• 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的論文及主要成果52-53
• 致謝53

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本文編號：794545