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基于无导数优化方法的数值模式误差估计

物理学报 2014年第14期63卷 435-445页

作者：黄启灿胡淑娟邱春雨李宽于海鹏丑纪范兰州大学大气科学学院兰州730000 兰州大学数学与统计学院兰州730000

初始场误差和模式误差是制约数值预报准确率的两个关键因素,本文主要考虑利用历史观测资料实现时空演变的模式误差的估计问题.通过把模式误差综合考虑成为准确模式中的未知项,把历史资料看作是带有未知项的准确模式的特解,构造了求解时... 详细信息

初始场误差和模式误差是制约数值预报准确率的两个关键因素,本文主要考虑利用历史观测资料实现时空演变的模式误差的估计问题.通过把模式误差综合考虑成为准确模式中的未知项,把历史资料看作是带有未知项的准确模式的特解,构造了求解时空演变的模式误差项的反问题及其最优控制问题.给出了一个解决最优控制问题的无导数优化方法,该方法的优点是不需要建立原数值模式的切线性模式与伴随模式,它只需在增加一个外强迫项的基础上运行原数值模式即可实现模式误差项的最优估计.关于Burgers方程的算例表明,无论模式的初始状态是否准确已知,无导数优化方法都能有效解决时空演变的模式误差的最优估计问题,它为实际业务模式利用历史数据提取模式误差信息并显著地改进预报效果提供了一种方便可行的数值方法与理论依据.

关键词：模式误差历史资料反问题无导数优化

一种估计模式误差的混合深度学习-资料同化方法

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中国科学：地球科学 2024年第12期54卷 3691-3707页

作者：彭子怡雷荔傈谈哲敏南京大学大气科学学院中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京210023 复旦大学大气与海洋科学系上海200438

在数值天气预报中,预报误差由初始条件误差、模式误差等组成.初始条件通常由短期预报和观测约束优化获得,因此很难将初始条件误差和模式误差清楚地区分开.模式误差对资料同化、预报预测均至关重要.为修正模式误差,本文提出一种混合深度... 详细信息

在数值天气预报中,预报误差由初始条件误差、模式误差等组成.初始条件通常由短期预报和观测约束优化获得,因此很难将初始条件误差和模式误差清楚地区分开.模式误差对资料同化、预报预测均至关重要.为修正模式误差,本文提出一种混合深度学习-资料同化方法.该方法利用卷积神经网络提取初始条件和模式误差的特征,然后得到模式误差的估计;其可以考虑由模式参数不准确导致的模式误差,也可以同时考虑模式误差和初始条件误差.Lorenz05模式的离线和在线实验结果表明,该方法可有效修正由模式参数不准确导致的模式误差,包括强迫项F、耦合系数c和相对尺度b等.相较于仅考虑模式误差,同时考虑模式误差和初始条件误差可得到更准确的估计结果.此外,观测和分析场均可用于验证预报结果,但利用观测验证可更好地估计模式误差,并且在在线资料同化中能更快地趋近模式参数真值.

关键词：资料同化深度学习模式误差

数值模式误差对降水四维变分资料同化及预报的影响

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气候与环境研究 2006年第5期11卷 605-615页

作者：王铁段晚锁郑琴中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室中国人民解放军理工大学理学院南京211101

利用一个无量纲的水汽发展方程,针对同化时间窗口内出现和不出现降水两种情况,分析了不同模式误差和初始误差对降水四维变分资料同化预报效果的影响。结果表明,应用四维变分资料同化方法进行降水预报前,应该充分考虑数值模式中的误差,... 详细信息

利用一个无量纲的水汽发展方程,针对同化时间窗口内出现和不出现降水两种情况,分析了不同模式误差和初始误差对降水四维变分资料同化预报效果的影响。结果表明,应用四维变分资料同化方法进行降水预报前,应该充分考虑数值模式中的误差,才能得到比较满意的同化及预报结果。假定同化窗口内获得的比湿观测场是准确的,当不存在模式误差时,四维变分资料同化方法可以有效地消除初始场误差,找到比湿真实初始场;而存在模式误差时,四维变分资料同化后的模式初始场会偏离真实的比湿初始场,并且模式误差越大,偏离程度越严重。在一些模式误差情况下,由于模式误差在同化窗口及延伸预报时段的作用不同,进行四维变分资料同化处理后,尽管累积降水量的预报结果在同化时间窗口内优于同化前的预报,而在最终预报时刻反而差于同化前。

关键词：累积降水初始误差模式误差四维变分资料同化

风暴尺度天气下利用集合卡尔曼滤波模拟多普勒雷达资料同化试验 Ⅱ.考虑模式误差的情形

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大气科学 2010年第4期34卷 737-753页

作者：兰伟仁朱江 Ming XUE 雷霆 Jidong GAO 中国科学院研究生院北京100049 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室北京100029 Center for Analysis and Prediction of Storms and School of Meteorology University of Oklahoma Norman Oklahoma 61741部队北京100081 中国科学院大气物理研究所北京100029

文章的第I部分(兰伟仁等,2010),利用模拟雷达资料在假定模式无误差的情况下进行了一系列的集合卡尔曼滤波(EnKF)敏感性试验,验证了EnKF方法在风暴尺度天气资料同化中的作用。本文继续探讨EnKF在有显著模式误差的情况下同化模拟多普勒雷... 详细信息

文章的第I部分(兰伟仁等,2010),利用模拟雷达资料在假定模式无误差的情况下进行了一系列的集合卡尔曼滤波(EnKF)敏感性试验,验证了EnKF方法在风暴尺度天气资料同化中的作用。本文继续探讨EnKF在有显著模式误差的情况下同化模拟多普勒雷达资料的效果问题。试验中假定模式误差主要来源于微物理过程参数化的不确定性。结果表明:模式误差在不同程度上影响了EnKF分析的效果,对微物理量的影响尤其明显;在EnKF分析中,利用微物理过程参数化集合的方法来考虑模式误差,对速度场、位温场以及比湿场有较明显的正作用,但对于微物理量场分析效果较差;若包含控制试验的微物理过程参数化方案,则EnKF对所有变量都有正效果,随着同化循环次数的增加,分析结果更加合理;只考虑冰相过程的微物理过程参数化方案的集合,分析效果进一步提高。

关键词：风暴尺度模拟多普勒雷达资料集合卡尔曼滤波模式误差敏感性试验

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典型热层密度模式误差分析

空间科学学报 2017年第5期37卷 538-546页

作者：刘卫王荣兰刘四清龚建村中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049

以CHAMP卫星2001年5月15日至2008年12月31日期间2755天的加速度计反演热层大气密度数据为基准,对JB2008和MSISE00两种模式的反演误差进行了统计分析.发现这两种模式整体上均高估了热层大气密度,但JB2008模式的精度优于MSISE00模式.JB200... 详细信息

以CHAMP卫星2001年5月15日至2008年12月31日期间2755天的加速度计反演热层大气密度数据为基准,对JB2008和MSISE00两种模式的反演误差进行了统计分析.发现这两种模式整体上均高估了热层大气密度,但JB2008模式的精度优于MSISE00模式.JB2008和MSISE00模式的平均相对误差分别为2.2%和17.6%.对空间环境简要分类,统计各类型事件下热层实测和模式密度的纬度和地方时特性,发现MSISE00模式具有较好的地方时特性,而JB2008模式具有较好的纬度特性.研究结果对掌握目前热层密度模式误差特性及指导模式改进方向具有一定意义.

关键词：热层密度模式误差误差特性

伴随模式同化系统在修正模式误差中的应用研究

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热带气象学报 2007年第2期23卷 182-188页

作者：杜钦沈桐立南京信息工程大学/江苏省气象灾害和环境变化重点实验室江苏南京210044

资料误差和模式误差都是制约数值预报结果准确性提高的关键因素,传统四维资料同化都是假设模式完全正确仅对初始资料进行修正,忽略了模式误差本身造成的预报误差。伴随模式同化系统不仅具有修正资料误差的能力,也可应用于修正模式误差... 详细信息

资料误差和模式误差都是制约数值预报结果准确性提高的关键因素,传统四维资料同化都是假设模式完全正确仅对初始资料进行修正,忽略了模式误差本身造成的预报误差。伴随模式同化系统不仅具有修正资料误差的能力,也可应用于修正模式误差方面的研究。本文将卫星中心导风系统提供的GMS5卫星风场与非常规温度资料用于MM5伴随同化系统修正模式地形误差进行试验性研究表明,该方法能够反演出一个既与初始气象要素场相匹配,又与模式更协调的地形场,得到比一般包络地形更好的效果,改善模式对强降水中心及降水区域的预报;数值试验结果还揭示模式误差对模式预报造成一定的影响,用伴随方法对观测资料进行修正的同时也对模式误差进行修正的方法是可行的。

关键词：伴随同化系统模式误差地形参数云导风

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GRAPES全球模式的模式误差估计

大气科学 2010年第3期34卷 591-598页

作者：庄照荣薛纪善李兴良张利红中国气象科学研究院数值预报研究中心北京100081 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国气象局成都高原气象研究所成都610072

现代数值天气模式考虑的物理过程和边界条件越来越复杂,但是它描述的大气状态和真实的大气流体运动轨迹还有一定的差距,存在模式误差。在以往的研究中,模式误差往往被忽略,在集合卡尔曼滤波同化系统中,如果忽略模式误差会导致滤波发散... 详细信息

现代数值天气模式考虑的物理过程和边界条件越来越复杂,但是它描述的大气状态和真实的大气流体运动轨迹还有一定的差距,存在模式误差。在以往的研究中,模式误差往往被忽略,在集合卡尔曼滤波同化系统中,如果忽略模式误差会导致滤波发散现象。本文用不同分辨率的模式预报差异估计了GRAPES全球模式的模式误差,研究发现模式误差随着分辨率降低而线性增加,而且模式误差随着预报时效的增加呈现线性增长的趋势。

关键词： GRAPES全球模式模式误差模式分辨率

不同模式误差方案在集合Kalman滤波土壤湿度同化中的比较试验

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大气科学 2010年第3期34卷 580-590页

作者：聂肃平朱江罗勇中国科学院大气物理研究所北京100029 中国科学院研究生院北京100049 国家气候中心北京100081

本文主要目的是探讨不同模式误差方案在土壤湿度同化中的性能。基于集合Kal man滤波同化方法和AVI M(At mosphere-Vegetation Interaction Model)陆面模式,利用理想试验对膨胀因子方案(Covariance Infla-tion,简称CI)、直接随机扰动方案... 详细信息

本文主要目的是探讨不同模式误差方案在土壤湿度同化中的性能。基于集合Kal man滤波同化方法和AVI M(At mosphere-Vegetation Interaction Model)陆面模式,利用理想试验对膨胀因子方案(Covariance Infla-tion,简称CI)、直接随机扰动方案(Direct Random Disturbance,简称DRD)、误差源扰动方案(Source RandomDisturbance,简称SRD)等3种模式误差方案的同化效果进行了比较,讨论了各方案在不同观测误差、观测层数、观测间隔情况下的同化性能。试验结果表明在观测误差估计完全准确的情况下,3种方案都能获得较好的同化效果,并且SRD方案相对于真值的均方根误差最小。当观测误差估计不准确时,SRD方案的同化效果仍能基本得以保持,而CI和DRD方案则对观测误差估计更为敏感,同化效果下降明显。当同化多层观测时,CI和DRD方案由于难以保持不同层观测之间的匹配关系,同化结果反而变差,而SRD方案能有效协调同化多层观测,增加观测层后同化结果有了进一步的改善。当观测时间间隔较大时,CI和DRD方案的同化效果显著下降;而SRD方案由于包含了一定的误差订正功能,在观测稀疏时仍能保持较好的同化效果。

关键词：集合Kalman滤波土壤湿度模式误差误差源资料同化

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模式误差对估算土壤湿度影响的研究

模式误差对估算土壤湿度影响的研究

作者：毛伏平兰州大学

学位级别：硕士

土壤湿度作为影响陆气相互作用的一个重要物理量,通过改变土壤热容量,影响地表反照率、径流、地面蒸发,以及调整热通量分配等方式控制土壤-植被-大气交界面上的物质和能量收支平衡,进而对天气和气候产生影响,因此准确预测土壤湿度的时... 详细信息

土壤湿度作为影响陆气相互作用的一个重要物理量,通过改变土壤热容量,影响地表反照率、径流、地面蒸发,以及调整热通量分配等方式控制土壤-植被-大气交界面上的物质和能量收支平衡,进而对天气和气候产生影响,因此准确预测土壤湿度的时空分布信息有助于提升预报质量。土壤湿度单点观测精度高,但存在空间代表性不足的问题,遥感观测只能提供表层几厘米深度的土壤湿度,陆面模式虽然可以得到全球的土壤湿度数据,但是受到陆面模式自身物理过程描述不准确,未知的次网格尺度物理过程,以及大气驱动数据和输入参数不准确等影响,模拟得到的土壤湿度数据很难准确。陆面数据同化方法虽然可以在模式动态运行过程中,融合不同时空分辨率的观测数据,从而提供所需时空尺度一致且动力协调的土壤湿度估算,但是当模式存在系统性偏差时,同化得到的土壤廓线资料仍然存在误差。因此在同化过程中如何处理系统性偏差是一个必须考虑的问题,本文围绕与土壤湿度估算中相关误差处理,开展以下几方面的工作：首先,考虑时间关联误差对集合平方根滤波(EnSRF)估算土壤湿度的影响。具体来说,将模式时间关联误差看成一个整体,加到模式预报上,探究在估算土壤湿度时同步订正模式误差的可行性。结果表明：当时间关联误差存在系统性偏差时,EnSRF估算的土壤湿度不再准确,因此对模式误差订正是必须的,而同步考虑时间关联误差后估算的土壤湿度分析值则接近真值。其次,考察模式存在常值偏差或者随时间正弦变化的偏差对土壤湿度估算的影响,结果表明：当模式存在上述偏差时,集合卡尔曼滤波(EnKF)估算的土壤湿度不再可靠,特别是当偏差较大时,EnKF估算的土壤湿度与真值偏差很大,而采用偏差剔除的SepKF (Separate bias Kalman Filter)估算的土壤湿度则取得成功。最后,探讨在同化地表观测更新土壤湿度廓线的同化框架中,如何对土壤含水量进行同步估算,并提出一个经验性算法,结果表明：同化过程中如果不对土壤含水量进行同步更新,土壤湿度以及土壤含水量的估算精度都会很低,而采用同步估算方案以后,较之未更新情况显著改善估算值精度。总之,当模式存在系统性偏差时,卡尔曼滤波分析值会不准确,特别当系统性偏差较明显时,有必要对模式误差进行订正。

关键词：模式误差陆面数据同化土壤湿度集合平方根滤波