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集合卡曼滤波算法对FARSITE模型林火蔓延预测的修正效果研究

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火灾科学 2020年第1期29卷 32-41页

作者：钱兰张启兴张永明中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室合肥230026

针对火源位置输入偏差导致的FARSITE林火行为模型火线预测不准确的问题,提出了一种基于集合卡曼滤波算法的动态修正方法。利用FARSITE对复杂工况下的林火蔓延过程进行数值模拟,以火线位置为待修正参量,以均方根误差(RMSE)为评价指标,对... 详细信息

针对火源位置输入偏差导致的FARSITE林火行为模型火线预测不准确的问题,提出了一种基于集合卡曼滤波算法的动态修正方法。利用FARSITE对复杂工况下的林火蔓延过程进行数值模拟,以火线位置为待修正参量,以均方根误差(RMSE)为评价指标,对算法的可行性进行了验证,并研究了算法的集合元素个数,观测数据标准差及同化频率对FARSITE预测偏差的修正效果的影响。结果表明:算法能显著提高FARSITE火线预测精度;逐时同化时:集合元素个数为5时,算法的修正效果并不理想,随着集合元素个数增大,样本误差减小,修正效果得到改善,但增大到30以上时,修正能力的提升就不再明显;观测数据标准差大小与RMSE值呈正相关;给定条件下当同化频率由1 h/次降低至2 h/次,整个模拟时长内的误差仍能得到较好控制,RMSE曲线并不会过快增长。

关键词： FARSITE 集合卡曼滤波火线预测动态修正均方根误差

集合卡曼滤波算法对FARSITE林火蔓延预测的修正效果研究

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集合卡曼滤波算法对FARSITE林火蔓延预测的修正效果研究

作者：钱兰中国科学技术大学

学位级别：硕士

森林火灾是一种全球性的灾害现象,各地每年都会有一定数量的森林火灾发生,这些火灾往往规模较大,有时还会形成特大型火灾,控制起来非常困难。火灾不仅会破坏生态系统,还会释放含碳气体形成大面积环境污染,更有可能对人类生命财产造成威... 详细信息

森林火灾是一种全球性的灾害现象,各地每年都会有一定数量的森林火灾发生,这些火灾往往规模较大,有时还会形成特大型火灾,控制起来非常困难。火灾不仅会破坏生态系统,还会释放含碳气体形成大面积环境污染,更有可能对人类生命财产造成威胁,每年许多国家在森林火灾管理和扑救上都会投入大量精力。利用计算机仿真模拟技术进行林火预测是提前掌握火灾变化,做好危机防范的重要手段。但森林火灾燃烧机理复杂,其发生发展没有明显规律性,无法进行精确建模。火灾行为受可燃物、地形、气象等多种环境参数的影响,参数的准确获取存在困难,这些都会对预报可信度产生很大影响。本文在给定的火灾案例下,选择FARSITE模拟器作为林火蔓延的仿真工具,以集合卡曼滤波算法作为数据同化方法,开展了动态数据驱动的林火蔓延预测研究,为森林火灾的精准预报提供了新的思路,并主要做了以下两个方面的研究工作:林火蔓延的主要气象因子“风”对集合卡曼滤波算法修正效果的影响研究。本文将火线位置作为待修正参量,针对初始火源位置输入偏差导致的FARSITE火线预测不准确的问题,利用集合卡曼滤波算法同化真实火线观测数据进行动态修正。并在这一过程中加入“风”这一动态数据,研究“风”对算法的修正效果的影响。结果表明:风的存在会加剧预测火线拓扑结构的复杂性,但无论是在无风和还是有风情况下,算法都能降低预测偏差,对火线位置和形态进行有效修正;当输入误差由火源位置这一个变为火源位置和风两个参数都存在误差时,算法修正能力下降,状态变量的均方根误差值曲线由持续下降变为波动状态,后者的火线修正结果不能很好反映系统的真实状态。集合卡曼滤波算法参数对修正效果的影响研究。通过控制变量法分别研究了算法中的几个关键参数:集合元素个数,观测数据标准差及同化频率对FARSITE预测偏差的修正效果的影响。改变参数取值,从火线输出图,火线位置状态变量的均方根误差值、距离指标这几个方面比较同化前后结果的差异。结合多个维度的分析结果进行相关性讨论,总结出算法参数在同化过程中的作用机制,得到参数取值对修正效果的影响规律。研究可为集合同化的参数分析和同化方案的设计提供借鉴。

关键词： FARSITE 林火蔓延集合卡曼滤波动态数据驱动风

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评估集合卡曼滤波反演土壤湿度廓线的性能

地球科学进展 2010年第4期25卷 400-407页

作者：苟浩锋刘彦华张述文李得勤兰州大学大气科学学院甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室甘肃兰州730000 兰州市气象局甘肃兰州730020

集合卡曼滤波由于易于使用而被广泛地应用到陆面数据同化研究中,它是建立在模型为线性、误差为正态分布的假设上,而实际土壤湿度方程是高度非线性的,并且当土壤过干或过湿时会发生样本偏斜。为了全面评估它在同化表层土壤湿度观测来反... 详细信息

集合卡曼滤波由于易于使用而被广泛地应用到陆面数据同化研究中,它是建立在模型为线性、误差为正态分布的假设上,而实际土壤湿度方程是高度非线性的,并且当土壤过干或过湿时会发生样本偏斜。为了全面评估它在同化表层土壤湿度观测来反演土壤湿度廓线的性能,特引入不需要上述假设的采样重要性重采样粒子滤波,比较非线性和偏斜性对同化算法的影响。结果显示:不管是小样本还是大样本,集合卡曼滤波都能快速、准确地逼近样本均值,而粒子滤波只有在大样本时才能缓慢地趋近;此外,集合卡曼滤波的粒子边缘概率密度及其偏度和峰度与粒子滤波完全不同,前者粒子虽不完全满足正态分布,但始终为单峰状态,而后者粒子随同化推进经历了单峰到双峰再到单峰的变化。

关键词：集合卡曼滤波粒子滤波土壤湿度 Richards方程

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南海北部集合卡曼滤波同化SST试验

热带海洋学报 2010年第5期29卷 10-16页

作者：舒业强隋丹丹王伟文肖贤俊中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学重点实验室广东广州510301 国家气候中心北京100081

基于POM(Princeton Ocean Model)建立一个南海北部集合卡曼滤波的同化模式,主要用于卫星海表面温度的同化。模式的平均水平分辨率为5km,垂向分层为20层;侧边界条件嵌套到一个大范围的南海海洋模式,在同化方案上采用一个均方根集合卡曼... 详细信息

基于POM(Princeton Ocean Model)建立一个南海北部集合卡曼滤波的同化模式,主要用于卫星海表面温度的同化。模式的平均水平分辨率为5km,垂向分层为20层;侧边界条件嵌套到一个大范围的南海海洋模式,在同化方案上采用一个均方根集合卡曼滤波算法,避免观测的扰动;适当引入局地化算子,消除样本在空间上的虚假相关,同时增加集合样本的自由度。该同化试验同化了2008年夏季6月到7月的GHRSST(Global High-Resolution Sea Surface Temperature),然后采用2008年夏季SCOPE(Northern South China Sea Coastal Oceanographic Process Ex-periment)航次的温、盐数据对同化结果进行评估。结果表明,相对于未同化模式模拟结果,同化模式温度的改善比较明显,表现在加强了南海北部的上升流,校正了海表温度的偏差,改善了温度的垂向分布。由于集合卡曼滤波是一种多变量调整的同化方法,同化SST不仅能改善表层与次表层的温度分布,而且对流场和盐度的调整也比较明显。

关键词：集合卡曼滤波同化南海北部 SST

基于Lorenz-96模式的集合平方根滤波同化方法研究

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基于Lorenz-96模式的集合平方根滤波同化方法研究

作者：王文强兰州大学

学位级别：硕士

在大气和海洋科学研究中，随着卫星雷达等各种非常规资料迅速增加和模式的模拟能力加强，作为“把各种时空上不规则的零散分布的观测融合到基于物理规律的模式当中”的同化技术，在大气海洋的研究中扮演着越来越重要的角色。近几年来，... 详细信息

在大气和海洋科学研究中，随着卫星雷达等各种非常规资料迅速增加和模式的模拟能力加强，作为“把各种时空上不规则的零散分布的观测融合到基于物理规律的模式当中”的同化技术，在大气海洋的研究中扮演着越来越重要的角色。近几年来，一种新的同化方法——集合平方根滤波受到人们广泛的关注和研究。现有的研究成果初步表明，集合平方根滤波是一种具有业务应用潜力的同化方法。国内在集合平方根滤波方面的研究开展得比较晚，因此对集合平方根滤波资料同化方法研究具有重要的科学价值和现实意义。集合平方根滤波与集合卡曼滤波一样是利用随流型演变的背景场误差协方差来进行资料分析，这是在目前变分同化中难以实现的，也是变分同化中存在的主要问题之一。与需要对观测添加随机扰动的具有随机性质的集合卡曼滤波相比，集合平方根滤波不需对观测添加随机扰动，克服可能的抽样误差，并且当观测空间不相关时，不需求逆矩阵。因此，我们选取集合平方根滤波作为本论文的同化方案。当然，集合平方根滤波也同样存在滤波发散、分析变量不平衡等问题，必须采用其它技巧(如方差扩大、减小影响半径等)来克服。本文利用数据同化界广泛采用的Lorenz-96模式，通过一系列精心设计的数值试验来检验集合平方根滤波同化技术的性能，考察其同化效果。主要研究包括观测误差、采样误差、观测稀疏度及其影响半径和集合数大小对于集合平方根滤波同化质量的影响。

关键词：资料同化集合平方根滤波 Lorenz-96模式集合卡曼滤波

基于微地震约束的多尺度复杂压裂缝网自动反演新方法

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天然气工业 2023年第12期43卷 46-54页

作者：李俊超戴城方思冬西安石油大学中国石化石油勘探开发研究院

水平井多级压裂是实现页岩气藏有效动用的关键技术。然而,大规模体积压裂形成的缝网由不同尺度的压裂主缝和次生裂缝构成,裂缝的分布情况及其参数难以确定。为此,以微地震监测数据作为先验约束,建立考虑微地震湿事件区域与监测灵敏度的... 详细信息

水平井多级压裂是实现页岩气藏有效动用的关键技术。然而,大规模体积压裂形成的缝网由不同尺度的压裂主缝和次生裂缝构成,裂缝的分布情况及其参数难以确定。为此,以微地震监测数据作为先验约束,建立考虑微地震湿事件区域与监测灵敏度的多尺度离散裂缝参数模型,再通过嵌入式离散裂缝方法建立正演模型,利用集合卡曼滤波方法自动反演确定多尺度离散裂缝的位置与渗透率等属性参数。研究结果表明:①反演并确定验证模型的多尺度离散裂缝参数,参数均收敛到真实值附近,与前验统计矩相比,参数的不确定性明显下降,产量预测符合率显著提高;②通过定产气量拟合井底流压,反演并确定了实际压裂水平井模型微地震有效区域及缝网参数,拟合阶段与预测阶段井底流压符合率分别提高了75.7%和82.4%;③反演得到的裂缝有效长度是微地震事件点显示裂缝长度的1/2~2/3,表明微地震数据与裂缝参数的不确定性较高;④微地震监测灵敏度的后验值为3.59,说明可能有大量压裂激发的微地震事件没有反映在监测数据中。结论认为,该方法可有效反演并确定微地震约束下的多尺度复杂压裂缝网参数,并可适应具有较高不确定性的微地震数据和缝网模型。

关键词：页岩气藏压裂水平井多尺度裂缝微地震数据嵌入式离散裂缝模型集合卡曼滤波历史拟合参数反演

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基于数据同化的哈佛森林地区水、碳通量模拟

应用生态学报 2013年第10期24卷 2746-2754页

作者：张廷龙孙睿张荣华张蕾西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100 北京师范大学地理学与遥感科学学院北京100875 遥感科学国家重点实验室/北京师范大学/中国科学院遥感应用研究所北京100875 西北农林科技大学林学院生态预测与全球变化实验室陕西杨凌712100

模型模拟和站点观测是陆地生态系统水、碳循环研究最主要的两种手段,但各有优势和不足,若二者相互结合,则能更准确地反映生态系统水、碳通量的动态变化.数据同化为模型与观测结合提供了一条有效的途径.本文采用哈佛森林环境监测站相关数... 详细信息

模型模拟和站点观测是陆地生态系统水、碳循环研究最主要的两种手段,但各有优势和不足,若二者相互结合,则能更准确地反映生态系统水、碳通量的动态变化.数据同化为模型与观测结合提供了一条有效的途径.本文采用哈佛森林环境监测站相关数据,利用集合卡曼滤波同化算法,将实测叶面积指数(LAI)和遥感LAI同化进入Biome-BGC模型中,对该地区水、碳通量进行模拟.结果表明:与未同化模拟相比,将1998、1999和2006年实测LAI数据同化后,模型模拟碳通量(NEE)与通量观测NEE的决定系数(R2)平均提升8.4%;蒸散发(ET)的R2平均提升10.6%;NEE的绝对误差和(SAE)和均方根误差(RMSE)平均下降17.7%和21.2%,ET的SAE和RMSE平均下降26.8%和28.3%.将2000—2004年MODIS LAI产品与模型同化后,NEE、ET模拟值与观测值间的R2分别提升7.8%和4.7%;NEE的SAE和RMSE分别下降21.9%和26.3%,ET的SAE和RMSE分别下降24.5%和25.5%.无论实测LAI还是遥感观测LAI,同化进入模型都能不同程度地提高水碳通量的模拟精度.

关键词： Biome BGC模型集合卡曼滤波数据同化叶面积指数碳通量蒸散

不同初始场估计对集合卡尔曼滤波同化多普勒雷达资料的影响

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不同初始场估计对集合卡尔曼滤波同化多普勒雷达资料的影响

青岛近海夏季表层海流特征分析及数值同化研究

第十七届计算机工程与工艺年会暨第三届微处理器技术论坛

作者：干莉张卫民国防科技大学计算机学院

高性能计算机计算性能的不断提升和新一代天气雷达网的建立为风暴尺度数值预报的研究提供了条件。本文利用集合卡曼滤波(EnKF)在WRF模式中同化模拟多普勒雷达径向风资料,并考察了不同初始场下EnKF同化方法性能。结果表明,EnKF同化使用... 详细信息

高性能计算机计算性能的不断提升和新一代天气雷达网的建立为风暴尺度数值预报的研究提供了条件。本文利用集合卡曼滤波(EnKF)在WRF模式中同化模拟多普勒雷达径向风资料,并考察了不同初始场下EnKF同化方法性能。结果表明,EnKF同化使用较好的初始场时,RMSE下降迅速,预报场很快接近真实场。使用较差的初始场时,RMSE下降缓慢。但是经过多个同化周期后(大约2小时),EnKF同化不同初始场的同化结果几乎一致。EnKF同化好的初始可以缩短同化进程。

关键词：多普勒雷达集合卡曼滤波同化初始场估计

来源： cnki会议评论

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青岛近海夏季表层海流特征分析及数值同化研究

作者：赵健中国海洋大学

学位级别：硕士

利用布放在青岛近海的高频地波雷达观测海流,结合浮标记录海流和气象要素数据、验潮站水位数据和锚系ADCP海流数据等多种观测数据,本文对胶州湾及青岛近海区域的2008年夏季表层海流特征进行了综合分析;在观测数据分析的基础上,进一步从... 详细信息

利用布放在青岛近海的高频地波雷达观测海流,结合浮标记录海流和气象要素数据、验潮站水位数据和锚系ADCP海流数据等多种观测数据,本文对胶州湾及青岛近海区域的2008年夏季表层海流特征进行了综合分析;在观测数据分析的基础上,进一步从数值模拟角度对研究海域的潮汐动力过程进行了数值模拟,对地波雷达资料进行数值同化研究。首先,对观测的表层海流进行可靠性检验,对比雷达观测海流和浮标观测海流,二者之间的误差约为10cm/s,且在统计意义上高度相关,说明雷达海流数据质量可靠,能够较好地刻画出青岛近海表层海流的特点。进一步通过气象要素数据、验潮站水位数据和锚系ADCP海流数据分析青岛近海的表层海流特征,揭示潮汐,风,地形以及水位等因素对研究区域表层流的影响,特别是由观测数据揭示了青岛近海区域潮流椭圆类型的空间分布特征。结合气象观测数据与海流数据使我们认识了局地风对青岛近海表层日均余流的控制作用。综合利用海流数据,水位记录和风速数据,揭示了控制胶州湾湾口夏季出入流动量平衡的因子：由胶州湾内外水位差诱导的压强梯度力和随天文潮变化的非线性潮流应力。从雷达海流计算的表层辐合辐散,揭示了局地上升流的频发区域,浮标记录的温度数据也揭示了潮流引起的局地辐合辐散对温度日变化的重要影响。其次,将FVCOM数值模型,雷达海流和集合卡曼滤波方法相结合,构建青岛近海表层海流数值同化系统。针对青岛近海区域的海流特点,我们对数值同化系统的关键部分进行了完善,主要包括：1,以集合卡曼滤波方法为基础,采用不同的数值同化方案(传统集合卡曼滤波和准集合卡曼滤波),对比两种不同方案对数值预报结果误差的改善,以及对预报海流空间结构的改进,同时也考虑到两种不同方案在计算效率上的差异,确定准集合卡曼滤波方法为本数值同化系统的最佳方案。2,鉴于数据同化效果对背景误差估计的敏感性,我们选取三种不同的背景误差生成方法：蒙特卡洛方法;快速生成方法;数据不确定性产生器方法。通过对比三种方法在本数值同化系统的同化效果,确定其适用性。在实施三种方法的过程中,充分考虑了数值模型的特点以及青岛近海的潮汐潮流特征。通过一系列数值同化实验测试以上两部分的改善,以数值预报结果的均方根误差得到最大程度减少为标准,确立了适用于青岛近海的最优同化方案和背景误差估计方法,即以准集合卡曼滤波方法为方案,通过快速生成方法估计背景误差场。同时,我们还研究了数值同化系统对状态集合个数的敏感性,发现在本数值同化系统中,状态集合个数不超过50为宜。

关键词：高频地波雷达海流特征集合卡曼滤波胶州湾及青岛