【摘要】：集合-變分混合同化方法將集合卡爾曼濾波法和變分法結(jié)合,具有計(jì)算成本低、便于同化多種觀測(cè)資料及背景誤差協(xié)方差具有流依賴性的優(yōu)點(diǎn)�；旌贤�,能描述天氣形勢(shì)演變特征的流依賴的背景誤差協(xié)方差隱含于集合擾動(dòng)中,因此集合預(yù)報(bào)的效果很大程度上影響著集合-變分混合同化的效果。為建立簡(jiǎn)便可行的、穩(wěn)定高效的集合-變分循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng),本文對(duì)集合-變分混合同化中的集合更新方法進(jìn)行了一系列研究。首先,為討論集合變換卡爾曼濾波中不同協(xié)方差膨脹方案對(duì)混合同化及預(yù)報(bào)效果的影響,開展了中國(guó)中東部區(qū)域一次連續(xù)大范圍降水過(guò)程的連續(xù)10天的循環(huán)同化和預(yù)報(bào)試驗(yàn)。結(jié)果表明:幾種協(xié)方差膨脹方案相對(duì)于無(wú)協(xié)方差膨脹的方案,均有效地提高了混合同化和預(yù)報(bào)的效果:對(duì)于風(fēng)場(chǎng),將預(yù)報(bào)誤差協(xié)方差投影到集合子空間的方案和采用平均新息協(xié)方差信息的方案表現(xiàn)較好;對(duì)于溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和降水預(yù)報(bào),采用平均新息協(xié)方差信息的方案和采用了同化時(shí)次前兩次集合預(yù)報(bào)比率的方案最好。其次,針對(duì)集合變換卡爾曼濾波在同化過(guò)程中易受不同時(shí)次觀測(cè)資料差異的影響而產(chǎn)生較大程度的協(xié)方差震蕩,從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題,構(gòu)建了一種基于物理控制變量擾動(dòng)的混合同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)分析場(chǎng)的隨機(jī)擾動(dòng)并經(jīng)過(guò)模式變換得到擾動(dòng)量,從而實(shí)現(xiàn)集合更新,而集合擾動(dòng)的誤差統(tǒng)計(jì)由靜態(tài)背景誤差協(xié)方差提供。由于靜態(tài)背景誤差協(xié)方差的平衡屬性,因此產(chǎn)生的擾動(dòng)受平衡約束。連續(xù)10天的循環(huán)同化及預(yù)報(bào)試驗(yàn)表明,本同化方案效果明顯優(yōu)于三維變分方案,動(dòng)力場(chǎng)的整體同化和預(yù)報(bào)效果與集合轉(zhuǎn)換卡爾曼濾波方案基本相當(dāng)。本方案不受觀測(cè)資料差異的影響,在沒(méi)有經(jīng)任何參數(shù)調(diào)試情況下,取得了良好同化和預(yù)報(bào)效果,為混合同化的便捷運(yùn)行提供了一種穩(wěn)定可靠的手段。第三,為了在不增加或僅增加很小計(jì)算代價(jià)和存儲(chǔ)成本的前提下,提高目前基于變分同化的快速更新同化系統(tǒng)的性能,本文初步研究了基于時(shí)間滯后集合的快速更新混合同化方案。試驗(yàn)結(jié)果表明:時(shí)間滯后集合充分利用了歷史觀測(cè),使各集合成員包含了其對(duì)應(yīng)時(shí)次的同化及預(yù)報(bào)信息,與動(dòng)力模式協(xié)調(diào)且具有動(dòng)力增長(zhǎng)結(jié)構(gòu),因而時(shí)間滯后集合體現(xiàn)了天氣流型即預(yù)報(bào)誤差協(xié)方差的流依賴性,對(duì)于動(dòng)力場(chǎng)和熱力場(chǎng)的改進(jìn)作用明顯。
【學(xué)位授予單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P456
【圖文】：

２．２邋ＷＲＦＤＡ同化系統(tǒng)及其混合同化方法逡逑２．２．１邋ＷＲＦＤＡ同化系統(tǒng)逡逑ＷＲＦＤＡ系統(tǒng)在ＷＲＦ數(shù)值模式中的作用如圖２．１，其中藍(lán)色部分為ＷＲＦＤＡ同化系統(tǒng)功逡逑能。圖２．１中，３表示由ＷＲＦ或者由ＷＰＳ／ＲＥＡＬ輸出結(jié)果得到的初猜場(chǎng)（背景場(chǎng)）；ｘ？表逡逑示由ＷＰＳ／ＲＥＡＬ得到的側(cè)邊界條件；是由ＷＲＦＤＡ同化系統(tǒng)同化觀測(cè)資料后生成的分析逡逑場(chǎng)；Ｖ是ＷＲＦ模式進(jìn)行預(yù)報(bào)得到的預(yù)報(bào)場(chǎng)；擴(kuò)為經(jīng)過(guò)ＯＢＳＰＲＯＣ邋（觀測(cè)前處理）得到的觀逡逑測(cè)場(chǎng)。（需要注意的是：ＰＲＥＰＢＵＦＲ，雷達(dá)，輻射和降水資料不需要經(jīng)過(guò)ＯＢＳＰＲＯＣ預(yù)處理）；逡逑７逡逑

合成員的循環(huán)同化及預(yù)報(bào)試驗(yàn)，每１２小時(shí)同化…次。在前述四個(gè)協(xié)方差膨脹方案的基礎(chǔ)上，逡逑增加了一組無(wú)協(xié)方差膨脹方案ＮＯＩＦ邋（Ｎｏ邋Ｉｎｆｌａｔｉｏｎ）的試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了五組協(xié)方差膨脹方案逡逑對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)域如圖２．２，水平方向格點(diǎn)數(shù)為１６０ｘ１１０，垂直方向３８層，水平分辨率為逡逑２７ｋｍ，模式層頂氣壓為５０ｈＰａ。采用的模式為ＷＲＦＶ３．５．１，模式微物理過(guò)程采用ＷＳＭ６方逡逑案，積云對(duì)流參數(shù)化采用Ｋａｉｎ－Ｆｒｉｔｓｃｈ對(duì)流方案，長(zhǎng)波輻射方案為ＲＲＴＭ方案，短波輻射方逡逑案為Ｄｕｄｈｉａ方案，行星邊界層方案為Ｍｅｌｌｏｒ－Ｙａｍａｄａ－Ｊａｎｊｉｃ方案，陸面過(guò)程米用Ｎｏａｈ－ＭＰ逡逑方案》側(cè)邊界條件由每６小時(shí)一次的ＧＦＳ再分析資料提供。逡逑在試驗(yàn)中，靜態(tài)背景誤差協(xié)方差矩陣由ＮＭＣ方法計(jì)算得到（Ｐａｒｒｉｓｈ邋ａｎｄ邋Ｄｅｒｂｅｒ邋１９９２），逡逑樣本為２０１１年７月１日００時(shí)起，連續(xù)一個(gè)月每隔１２小時(shí)一次的ＷＲＦ模擬的１２小時(shí)預(yù)報(bào)逡逑場(chǎng)和２４小時(shí)預(yù)報(bào)場(chǎng)。Ｈｙｂｒｉｄ集合擾動(dòng)中，初始集合成員是在ＧＦＳ再分析場(chǎng)的基礎(chǔ)上通過(guò)逡逑ＲａｎｄｏｍＣＶ方法擾動(dòng)得到，在之后的同化時(shí)次里采用ＥＴＫＦ方法更新，靜態(tài)背景誤差協(xié)方差逡逑和集合背景誤差協(xié)方差的權(quán)重各占一半

協(xié)方差膨脹系數(shù)數(shù)值的變化反映了不同協(xié)方差膨脹方案對(duì)誤差協(xié)方差估計(jì)的趨勢(shì)。逡逑為直觀比較不同ＥＴＫＦ協(xié)方差膨脹方法，本章對(duì)協(xié)方差膨脹系數(shù)隨各同化時(shí)次的變化進(jìn)行了逡逑分析。從各協(xié)方差膨脹系數(shù)隨各同化時(shí)次變化曲線（圖２．５）可以看出，ＷＧ０７方案協(xié)方差逡逑膨脹系數(shù)的數(shù)值最小，ＴＲＮＫ方案協(xié)方差膨脹系數(shù)要大于ＷＧ０７方案，ＷＧ０３和ＢＯＷＬ方逡逑案協(xié)方差膨脹系數(shù)則明顯較大，其屮ＷＧ０３協(xié)方差膨脹系數(shù)在前８?jìng)�(gè)同化時(shí)次是最大的。逡逑從圖中也可以看出，ＷＧ０７方案和ＴＲＮＫ方案協(xié)方差膨脹系數(shù)比較穩(wěn)定，ＷＧ０７方案數(shù)值基逡逑本維持在８上下，ＴＲＮＫ方案協(xié)方差膨脹系數(shù)經(jīng)過(guò)３次循環(huán)后趨于穩(wěn)定，數(shù)值維持在２０－３０逡逑之間；ＢＯＷＬ方案經(jīng)過(guò)大概５次循環(huán)趨于穩(wěn)定，數(shù)值在４０－５０附近，但是存在波動(dòng)現(xiàn)象；逡逑ＷＧ０３協(xié)方差膨脹系數(shù)經(jīng)過(guò)３次循環(huán)后數(shù)值在５０上下波動(dòng)。幾種方案的協(xié)方差膨脹系數(shù)隨逡逑同化時(shí)次變化不同表現(xiàn)說(shuō)明：（１）由于ＷＧ０７方案采取了將預(yù)報(bào)誤差投影到集合子空間的逡逑方法以改善采樣誤差

【參考文獻(xiàn)】

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6 沈艷;潘e

本文編號(hào)：2780126