【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,具有計算成本低、便于同化多種觀測資料及背景誤差協(xié)方差具有流依賴性的優(yōu)點。混合同化中,能描述天氣形勢演變特征的流依賴的背景誤差協(xié)方差隱含于集合擾動中,因此集合預(yù)報的效果很大程度上影響著集合-變分混合同化的效果。為建立簡便可行的、穩(wěn)定高效的集合-變分循環(huán)同化預(yù)報系統(tǒng),本文對集合-變分混合同化中的集合更新方法進行了一系列研究。首先,為討論集合變換卡爾曼濾波中不同協(xié)方差膨脹方案對混合同化及預(yù)報效果的影響,開展了中國中東部區(qū)域一次連續(xù)大范圍降水過程的連續(xù)10天的循環(huán)同化和預(yù)報試驗。結(jié)果表明:幾種協(xié)方差膨脹方案相對于無協(xié)方差膨脹的方案,均有效地提高了混合同化和預(yù)報的效果:對于風(fēng)場,將預(yù)報誤差協(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;對于溫度場、濕度場和降水預(yù)報,采用平均新息協(xié)方差信息的方案和采用了同化時次前兩次集合預(yù)報比率的方案最好。其次,針對集合變換卡爾曼濾波在同化過程中易受不同時次觀測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)定的問題,構(gòu)建了一種基于物理控制變量擾動的混合同化預(yù)報系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對分析場的隨機擾動并經(jīng)過模式變換得到擾動量,從而實現(xiàn)集合更新,而集合擾動的誤差統(tǒng)計由靜態(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)生的擾動受平衡約束。連續(xù)10天的循環(huán)同化及預(yù)報試驗表明,本同化方案效果明顯優(yōu)于三維變分方案,動力場的整體同化和預(yù)報效果與集合轉(zhuǎn)換卡爾曼濾波方案基本相當(dāng)。本方案不受觀測資料差異的影響,在沒有經(jīng)任何參數(shù)調(diào)試情況下,取得了良好同化和預(yù)報效果,為混合同化的便捷運行提供了一種穩(wěn)定可靠的手段。第三,為了在不增加或僅增加很小計算代價和存儲成本的前提下,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間滯后集合的快速更新混合同化方案。試驗結(jié)果表明:時間滯后集合充分利用了歷史觀測,使各集合成員包含了其對應(yīng)時次的同化及預(yù)報信息,與動力模式協(xié)調(diào)且具有動力增長結(jié)構(gòu),因而時間滯后集合體現(xiàn)了天氣流型即預(yù)報誤差協(xié)方差的流依賴性,對于動力場和熱力場的改進作用明顯。
【學(xué)位授予單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：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（背景場）；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)同化觀測資料后生成的分析逡逑場；Ｖ是ＷＲＦ模式進行預(yù)報得到的預(yù)報場；擴為經(jīng)過ＯＢＳＰＲＯＣ邋（觀測前處理）得到的觀逡逑測場。（需要注意的是：ＰＲＥＰＢＵＦＲ，雷達，輻射和降水資料不需要經(jīng)過ＯＢＳＰＲＯＣ預(yù)處理）；逡逑７逡逑

合成員的循環(huán)同化及預(yù)報試驗，每１２小時同化…次。在前述四個協(xié)方差膨脹方案的基礎(chǔ)上，逡逑增加了一組無協(xié)方差膨脹方案ＮＯＩＦ邋（Ｎｏ邋Ｉｎｆｌａｔｉｏｎ）的試驗，共設(shè)計了五組協(xié)方差膨脹方案逡逑對比試驗。試驗區(qū)域如圖２．２，水平方向格點數(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，模式微物理過程采用ＷＳＭ６方逡逑案，積云對流參數(shù)化采用Ｋａｉｎ－Ｆｒｉｔｓｃｈ對流方案，長波輻射方案為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，陸面過程米用Ｎｏａｈ－ＭＰ逡逑方案》側(cè)邊界條件由每６小時一次的ＧＦＳ再分析資料提供。逡逑在試驗中，靜態(tài)背景誤差協(xié)方差矩陣由ＮＭＣ方法計算得到（Ｐａｒｒｉｓｈ邋ａｎｄ邋Ｄｅｒｂｅｒ邋１９９２），逡逑樣本為２０１１年７月１日００時起，連續(xù)一個月每隔１２小時一次的ＷＲＦ模擬的１２小時預(yù)報逡逑場和２４小時預(yù)報場。Ｈｙｂｒｉｄ集合擾動中，初始集合成員是在ＧＦＳ再分析場的基礎(chǔ)上通過逡逑ＲａｎｄｏｍＣＶ方法擾動得到，在之后的同化時次里采用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)方差膨脹方案對誤差協(xié)方差估計的趨勢。逡逑為直觀比較不同ＥＴＫＦ協(xié)方差膨脹方法，本章對協(xié)方差膨脹系數(shù)隨各同化時次的變化進行了逡逑分析。從各協(xié)方差膨脹系數(shù)隨各同化時次變化曲線（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個同化時次是最大的。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，但是存在波動現(xiàn)象；逡逑ＷＧ０３協(xié)方差膨脹系數(shù)經(jīng)過３次循環(huán)后數(shù)值在５０上下波動。幾種方案的協(xié)方差膨脹系數(shù)隨逡逑同化時次變化不同表現(xiàn)說明：（１）由于ＷＧ０７方案采取了將預(yù)報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】

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本文編號：2780126