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集合最优插值方法在北印度洋海浪同化中的应用

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海洋科学进展 2015年第1期33卷 45-55页

作者：曹蕾齐鹏中国科学院海洋研究所山东青岛266071 中国科学院海洋环流与波动重点实验室山东青岛266071 中国科学院大学北京100049

基于第三代海浪模式WaveWatch Ⅲ,采用集合最优插值（EnOI）方法对北印度洋海浪进行同化数值实验研究。在集合样本选取方案上,针对不同的实验分别选取有效波高（SWH）的历史后报场（样本A）、24h变化（样本B）以及以同一时刻72h预报时效... 详细信息

基于第三代海浪模式WaveWatch Ⅲ,采用集合最优插值（EnOI）方法对北印度洋海浪进行同化数值实验研究。在集合样本选取方案上,针对不同的实验分别选取有效波高（SWH）的历史后报场（样本A）、24h变化（样本B）以及以同一时刻72h预报时效和24h预报时效的差异（样本C）用于估计背景误差协方差。样本A和样本B是为海浪模拟而设计,样本C是为海浪预报而设计;通过与由高度计数据确定的模式背景误差进行比较,认为样本B优于样本A。采用样本B对2011年北印度洋海浪场进行同化模拟,结果表明2011-03-11相对误差改进都在5%及以上,其中7月份改进效果最佳。采用样本C对2013-07的有效波高进行0~72h预报,发现同化使0~24h预报改进最明显：均方根误差改进0.12m,相对误差改进5%。浮标检验结果支持上述结论。

关键词：集合最优插值 WaveWatch Ⅲ 海浪预报海浪模拟

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集合最优插值中的样本选取

气候与环境研究 2011年第4期16卷 452-458页

作者：闫长香朱江中国科学院大气物理研究所北京100029

背景误差协方差控制了分析向观测调整的幅度以及调整的结构,所以其对同化分析的质量起着至关重要的作用。对于集合同化方法而言,样本决定了背景误差协方差的分布。基于HYCOM海洋数值模式结果,针对集合最优插值方法,探讨了静态样本的选... 详细信息

背景误差协方差控制了分析向观测调整的幅度以及调整的结构,所以其对同化分析的质量起着至关重要的作用。对于集合同化方法而言,样本决定了背景误差协方差的分布。基于HYCOM海洋数值模式结果,针对集合最优插值方法,探讨了静态样本的选取和更新对背景误差协方差结构分布的影响,研究结果表明:由变量的原始状态数据估计的静态样本会夸大样本相关性,由扣除季节变化得到的距平数据统计出的静态样本能比较合理地反映背景误差协方差的结构;在季风控制区,具有季节变化的样本比静态样本更能适应背景误差协方差随流形分布的特征。同时一系列的同化试验也被实施来进一步调查不同样本对同化分析的影响。

关键词：样本集合最优插值背景误差协方差流依赖

集合最优插值同化方法在HYCOM及ROMS中的应用及改进

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集合最优插值同化方法在HYCOM及ROMS中的应用及改进

作者：吕国坤中国海洋大学

学位级别：硕士

数据同化是海洋数值预报系统中不可或缺的一部分。近年来，随着超级计算技术的发展，许多国家先后建立了高分辨率业务化海洋数值预报系统。考虑到海洋预报的时效性以及海洋数值预报模式较大的计算资源需求，其同化方法必须有效并且高效... 详细信息

数据同化是海洋数值预报系统中不可或缺的一部分。近年来，随着超级计算技术的发展，许多国家先后建立了高分辨率业务化海洋数值预报系统。考虑到海洋预报的时效性以及海洋数值预报模式较大的计算资源需求，其同化方法必须有效并且高效。EnOI (Ensemble Optimal Interpolation)是一种基于EnKF（EnsembleKalman Filter）简化的同化方法，被广泛应用于低分辨率的气候模式以及高分辨率的海洋预报模式，本文主要基于EnOI开展了如下工作：首先，针对前人提出的基于EnOI及HYCOM(HYbird Coordinate Ocean Model)模式同化Argo廓线方案进行了改进。针对HYCOM垂向混合坐标的特点，对前人同化方案中诊断温度/盐度的方案进行改进。另外基于EnOI多变量同化特点，在同化水层厚度时，采用同时更新了模式正压变量(ubavg，vbavg，pbavg)的方式,避免同化Argo廓线后对海表面高度造成不确定的影响。通过同化实验我们得到以下结论：（1）改进的方案中显著减小了温度及盐度的均方根偏差，温度均方根偏差在200m深度减小1.5℃，盐度减小0.1psu。（2）通过与WOA（World Ocean Atlas）资料及TAO（Tropical Atmosphere Ocean)观测温度比较，发现改进的方案有效提高温跃层处温度垂向梯度，减小温跃层深度，同化后盐度的分布与观测匹配良好。（3）通过与TAO沿赤道剖面的纬向流速比较，发现改进之后的两种方案可以增强沿赤道剖面的流核强度，但是其垂向深度上仍然偏深，表层流偏弱。（4）通过与高度计资料的比较，改进方案高估热带太平洋区域的海表面高度变率，显著提高了模式模拟海表面高度与观测的空间相关性。（5）通过减小削减系数及诊断深度可以减小对赤道表层纬向流调整，但是与观测仍差别较大。其次，我们将EnOI同化方案应用到ROMS（Regional Ocean Modeling System）海洋模式中，并进行同化TSLA（along-Track Sea Level Anomaly）的研究。基于ROMS海洋模式建立南海1/10×模拟系统，并同化TSLA资料。自2004年至2006年，根据是否考虑由于观测与同化时间不一致造成的观测误差，我们设计了AGE和NoAGE2组实验检验同化TSLA的优势，并对两种同化方案进行了比较。实验结果显示：（1）模式7天预报的海表面高度异常均方根偏差由同化之前的10.57cm分别减小到6.70cm（NoAGE方案），7.01cm(AGE方案)，并且该均方根偏差随时间变化较为平稳。（2）同化TSLA数据后，温度均方根偏差在1000m以上均减小，最大可减小0.5℃。盐度均方根偏差在200m以上减小了0.1psu，200m之下并无明显变差。（3）同化TSLA数据之后，海表面流场与观测的海表面浮子的轨迹匹配较好。（4）同化TSLA数据之后，模式模拟的海表面高度变率与观测匹配非常好，其位于菲律宾以西以及越南以东的强变率区域位置及强度与观测吻合较好，围绕西沙群岛的弱变率区域也较好的刻画出来。（5）通过局部同化实验，我们探究了现阶段高分辨模式模拟南海北部变率偏高的原因。结果证明：过强的黑潮入侵是高分辨率模式模拟南海的普遍问题，通过同化高度计数据很好地解决了这个问题。最后，我们探究了南海海表面高度异常的可预报性研究。通过2009年6月10日菲律宾以西一个强暖涡个例预报实验，我们发现，模式能够较好的预报较大的中尺度涡，但是尺度较小的冷涡无法刻画出来。本文尝试对中尺度涡的中心位置及移动轨迹进行可预报性研究，但是由于观测数据分辨率以及现阶段的涡检测技术对于模式中的噪音较为敏感，不适用于现阶段的预报研究。通过集合后报实验，本文发现：在1月份及10月份，预报的时效较长，分别可以达到27天及18天。4月及7月份，预报时效较短，在10天内。

关键词：集合最优插值数据同化 TSLA Argo ROMS HYCOM

集合最优插值同化方法在邢台市O3模拟中的初步应用

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集合最优插值同化方法在邢台市O3模拟中的初步应用

作者：韦钰华中国矿业大学

学位级别：硕士

随着污染治理力度的加大,我国大气污染出现了新情况,PM污染下降,O浓度持续增加。人们对于高准确度的O预报要求也不断提升,为了达到提高模式预报准确度的目的,本文提出了基于空气质量模式CAMx(Comprehensive Air quality Model with exte... 详细信息

随着污染治理力度的加大,我国大气污染出现了新情况,PM污染下降,O浓度持续增加。人们对于高准确度的O预报要求也不断提升,为了达到提高模式预报准确度的目的,本文提出了基于空气质量模式CAMx(Comprehensive Air quality Model with extensions)的污染物预报优化方案。结合观测站污染物浓度数据,对模式O预报的初始场使用EnOI方法进行同化试验。具体如下:首先,为了给空气质量模式提供更接近真实状态的排放清单输入,本研究以2017年为基准年,以排放因子法和物料守衡算法估算出包含七类大气污染物的邢台市人为源排放清单,从各个污染源对不同污染物的贡献量上来看,治理空气污染重点还是在减少工业排放上。然后,本研究利用WRF、CAMx、SMOKE模式搭建了邢台市大气污染物模拟系统,验证了WRF模式对气象要素的模拟效果和CAMx模式对邢台市2018年1、4、7、10四个典型月的O浓度变化时空分布的模拟效果。CAMx模式对与O的模拟整体偏低,对于日最大值的模拟效果不理想,但对O浓度变化趋势有较好的模拟。之后讨论了EnOI方法背景误差协方差的估算方法,选择用模式长期运行过程中获得的整体预测样本来形成背景误差协方差场,通过背景误差场高值区的分布分析了模式模拟不确定性较大的区域。对同化试验的两个参数进行敏感性试验分析,得到最优的局地化尺度和同化站点数为50km和390个站点。同化试验设计在1月,同化后分析场基本解决了1月份模式背景场O浓度值较观测值普遍偏高的情况以及O浓度大于大约80μg/m时模拟值集体呈现出低估的情况。最后对CAMx模式O浓度模拟中对初始场的敏感性做了讨论,做8h预报窗口的连续同化试验,以邢台市为例讨论优化效果。在初始场同化试验中同化站和检验站RMSE平均下降41.69%和34.85%,在8h预报窗口的同化试验中RMSE平均下降20.39%,结果表明同化试验可以为空气质量模式提供一个更接近真实情况的初始场,并对短期预报效果起到改善作用。

关键词：集合最优插值 CAMx模式资料同化空气质量

基于集合最优插值方法的南海北部海区的数据同化试验

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海洋通报 2011年第4期30卷 377-386,396页

作者：叶冬谢基平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

基于ROMS(Regional Ocean Modeling System)模式建立一个南海北部集合最优插值的同化系统,并且利用2008年夏季SCOPE(Northern South China Sea Coastal Oceanographic Process Experiment)航次的温盐数据以及航次期间逐日OSTIA(Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis)数据进行同化试验。试验结果表明:同化较好地改善了海表温度的模拟,加强了南海北部的上升流,尤其是加强了珠江冲淡水的模拟,垂向定量的分析表明,温度整层都得到改善,表层改善达到30%,盐度在80 m以上得到明显改善,表层改善40%。此外,针对近岸卫星SST(sea surface temperature)和航次SST的不协调性问题以及不同观测数量对同化结果的影响,利用敏感性同化试验进行了初步探讨,结果显示:相对于剔除40 m以浅,同化所有区域内卫星SST资料能显著减小近岸区域的SST均方根误差(约51%);加密用于同化的SST数据量,如由每隔5个格点调整为每隔3个格点选取观测数据,也能在此基础上再减小SST的均方根误差(约9.1%),但二者的SST分布形态均与观测吻合。

关键词：南海北部 ROMS 同化集合最优插值

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一种基于集合最优插值的排放源快速反演方法

气候与环境研究 2021年第2期26卷 191-201页

作者：吴煌坚林伟孔磊唐晓王威王自发陈松蹊北京大学光华管理学院北京100871 北京大学数学科学学院北京100871 北京大学统计科学中心北京100871 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 中国环境监测总站北京100012 中国科学院区域大气环境研究卓越创新中心福建厦门361021

基于集合卡尔曼滤波的源反演方法是估计排放源、提高空气质量模拟和预报精度的有效方法。为构建排放源与污染物浓度之间的误差协方差矩阵,该方法通常需要运行几十次大气化学传输模式。庞大的计算量限制了该方法的应用,使其无法为实时预... 详细信息

基于集合卡尔曼滤波的源反演方法是估计排放源、提高空气质量模拟和预报精度的有效方法。为构建排放源与污染物浓度之间的误差协方差矩阵,该方法通常需要运行几十次大气化学传输模式。庞大的计算量限制了该方法的应用,使其无法为实时预报系统快速更新排放源。本研究发展了一种基于集合最优插值的排放源反演方法。该方法使用历史集合数据构建误差协方差矩阵,仅需一次常规的空气质量模拟便可根据观测模拟差异反演排放源,从而显著降低计算量。本文使用该方法同化2015年1月全国1107个地面站点观测的CO小时浓度数据,结合2014年1月的历史集合数据集,估计2015年1月全国15 km分辨率的CO排放源。该方案反演的全国CO排放总量仅比使用2015年1月集合数据集的反演量高1%,表明历史时段与反演时段的气象条件差异对月均CO排放的影响有限。使用历史集合数据集更新的排放源再次模拟可将全国349个独立验证站点的平均低估从0.74 mg m^(−3)降至0.01 mg m^(−3),均方根误差降低18%,表明该方法可快速更新排放源并降低其不确定性。

关键词：排放源反演集合最优插值 CO排放源

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台风条件下的海洋资料集合最优插值同化分析

台风条件下的海洋资料集合最优插值同化分析

作者：刘霄燕中国气象科学研究院

学位级别：硕士

至今海洋资料同化研究多针对一般天气条件的情况进行,缺少在台风条件下的相关海洋资料同化研究。台风作为最强大的天气系统对海洋的强迫有其特殊性,其搅拌和抽吸作用可影响到较深的海洋温盐流结构。因此,台风条件下的集合最优插值(En OI... 详细信息

至今海洋资料同化研究多针对一般天气条件的情况进行,缺少在台风条件下的相关海洋资料同化研究。台风作为最强大的天气系统对海洋的强迫有其特殊性,其搅拌和抽吸作用可影响到较深的海洋温盐流结构。因此,台风条件下的集合最优插值(En OI)同化分析可能与一般天气条件下存在差异,尤其是对次表层及其以深的海洋分析,至今这方面的研究少见。另外,台风条件下一般缺少海洋观测资料,本文利用国家973项目“上层海洋对台风的响应和调制机理研究”在南海北部布设的强化观测浮标阵列资料,而2014年第15号台风“海鸥”恰好经过该浮标列阵中心,它为本文开展资料同化分析提供了有利条件。本文从中科院大气物理研究所引进集合最优插值En OI程序,并根据POM模式模拟的静态样本与台风条件下观测资料计算出新的海温离散度膨胀系数,通过同化卫星海表面温度SST资料,结合南海浮标观测阵列资料的验证,对台风条件下同化以后的南海海洋海温分析场进行深入研究。结果表明,台风条件下膨胀系数与EnOI原有的膨胀系数存在一定的差别,主要表现出0-200米之内膨胀系数随深度增大较快,量值较大,从200米至350米膨胀系数数值有下降趋势更加迅速。改进后的集合最优插值同化方法有效提高了台风影响下的上层海洋海温分析场准确性,与浮标观测对比,改进后的集合最优插值同化方法获得的上层海洋海温分析场比未经同化的模式背景场和原有膨胀系数方案计算的海温分析场,其均方根误差分别减小了0.49℃和0.11℃。另一方面,为了进一步提高对上层海洋的模式模拟准确性,为台风海气耦合模式提供更加合理的动量交换耦合方案,本文应用一个分粒径段的海洋飞沫函数给出一个新的海面拖曳系数DC计算方案,它体现了台风高风速条件下海洋飞沫层使海面拖曳系数数值减小特点。论文以2014年第15号台风“海鸥”经过南海强化观测区域时段作为个例,应用POM三维海洋环流模式进行数值模拟试验,结果发现低风速情况下,考虑海洋飞沫因素后的DC与传统计算方案数值相近,在高风速情况下,考虑海洋飞沫因素后的C方案与模式传统计算方案不同,表现出随风速增长趋缓,直至随风速略有下降现象。与传统拖曳系数方案相比,采用新的拖曳系数方案后,模拟的台风条件下上层海洋的温度降温幅度、混合层深度加深幅度、温跃层强度减弱程度都略有减弱,这些模拟特征与观测事实更加接近。

关键词：台风海洋资料同化集合最优插值膨胀系数拖曳系数

A weakly coupled data assimilation system of a coupled physical–biological model for the northeastern South China Sea

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Atmospheric and Oceanic Science Letters 2016年第5期9卷 352-360页

作者： LI Xia ZHU Jiang International Center for Climate and Environment Sciences(ICCES) Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of SciencesBeijingChina College of Earth Science University of Chinese Academy of SciencesBeijingChina

南海东北部沿岸海域在每年夏季都存在显著的物理过程(如上升流,珠江冲淡水)和活跃的生物过程,这些基本的物理场和生物场要素对沿岸海域的研究起关键作用。本文在一适应于南海东北部的物理生物耦合模式的基础上建立了一个弱约束的EnOI耦... 详细信息

南海东北部沿岸海域在每年夏季都存在显著的物理过程(如上升流,珠江冲淡水)和活跃的生物过程,这些基本的物理场和生物场要素对沿岸海域的研究起关键作用。本文在一适应于南海东北部的物理生物耦合模式的基础上建立了一个弱约束的EnOI耦合同化系统。开展的SST同化试验结果表明,物理过程存在合理的响应,且近海上升流区的海洋生态变量对物理变量的同化也有响应。

关键词：南海东北部物理生物耦合模式集合最优插值 SST同化过程响应

一个快速海洋三维温盐流分析系统及在亚丁湾临近海域的应用

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气候与环境研究 2011年第4期16卷 419-428页

作者：闫长香谢基平朱江中国科学院大气物理研究所北京100029

开发了一个能快速估计三维海洋温盐流场的分析系统。这种系统以海洋数值模式多年积分的气候态结果作为背景场,通过多变量的集合最优插值同化方法利用现场观测和遥感卫星高度计及海表温度观测先对背景场进行偏差订正,以订正的背景场产生... 详细信息

开发了一个能快速估计三维海洋温盐流场的分析系统。这种系统以海洋数值模式多年积分的气候态结果作为背景场,通过多变量的集合最优插值同化方法利用现场观测和遥感卫星高度计及海表温度观测先对背景场进行偏差订正,以订正的背景场产生当前或瞬时的背景场,结合实时或近期观测通过集合最优插值方法得到三维海洋状态的估计。这种分析系统的优点是无需耗费时间去积分海洋数值模式,以较少的计算代价快速获得当前的海洋状态,便于某些应急事件的应用或不具备大型计算资源的地方(如舰船)。2009年这个系统被应用在亚丁湾临近海域,通过对分析结果的比较验证,表明开发的快速三维海洋温盐流分析系统具有比较好的性能。

关键词：集合最优插值三维海洋温盐流亚丁湾