集合变换卡尔曼滤波局地化（LETKF）方案的发展及应用研究

发布时间：2020-06-04 04:50

【摘要】：集合变换卡尔曼滤波(ETKF)是一种有效的集合预报初始扰动方案,得到广泛应用。但是,有限的集合样本、相同的集合成员设置以及预报模式误差等可能会使ETKF方案中两个距离较远的状态变量产生较高的虚假相关,从而影响集合扰动的质量。为了有效解决远距离虚假相关的问题,将局地化思想引入ETKF方案。本文针对GRAPES区域集合预报系统(GRAPES REPS),研究发展了 ETKF局地化方案(LETKF),确定了 LETKF方案的局地化尺度等关键参数;通过暴雨个例和连续批量试验,从初始扰动的相关分布、能量结构、演变特征以及集合预报综合检验等多方面,分析了 LETKF方案消除远距离虚假扰动的有效性。结果表明,GRAPES区域集合预报中,LETKF局地化能够有效消除远集合扰动的距离虚假相关,进一步改善了集合扰动的质量,更加合理地捕捉到快速增长的分析误差的物理结构,较准确地再现数值模式预报误差的线性与非线性传播和演变特征。主要结论如下:(1)研究发展了 GRAPES REPS的LETKF局地化初始扰动方案。新构建的LETKF局地化方案能够有效消除区域集合扰动的远距离虚假扰动信息,提高集合扰动的整体质量。(2)在当前模式水平分辨率和15个集合成员的条件下,LETKF局地化半径为700 km的结果,对于消除集合扰动的远距离虚假、改进集合扰动质量的效果相对最好。集合扰动的相关分布、能量结构、演变特征证明了局地化方案的有效性及相应扰动结构的合理性。另外,引入低层大气信息合理增大预报的集合离散度,进一步优化了 LETKF局地化方案的性能。(3)基于个例分析和批量试验,结果表明LETKF局地化方案对改进集合预报预报质量,尤其是小雨、中雨、暴雨量级的预报具有较好效果。相比于GRAPES REPS,局地化方案的区域集合预报整体质量具有较明显的优势,尤其是对温度场的改善更为显著。不同物理量、不同层次的集合扰动、离散度的发展与传播特征并不一致。通常,对流层中高层质量较好,低层相对较差。
【图文】：

格点分布

可以有效解决极地离散格点计算问题。在实际计算离散差分过程中，计算非静力模式的逡逑垂直运动方程容易受到垂直分层设置的影响，尤其是上、下边界条件对其影响更大，基逡逑于此，ＧＲＡＰＥＳ模式采用了邋Ｃｈａｒｎｅｙ—Ｐｈｉｌｉｐｓ跳层非均勾分层设计（图２．２）。逡逑图２．１邋Ａｒａｋａｗａ－Ｃ格点分布设置逡逑Ｃｈａｒｎｅｙ－Ｐｈｉｌｌｉｐｓ邋垂直层次逦Ｌｏｒｅ＂Ｋ逡逑ｚ，ｚ，，０，ｗ，ｗ逦ｋ邋＝邋Ｎ逦ｚ，ｚ，ｗ，ｗ逡逑Ｚ，Ｚ，ｐ，Ｐ，Ｕ，Ｖ逦ｋ邋＝邋Ｎ－Ｑ．５逦ｚ，ｚ，６，ｐ，Ｐ，ｕ，ｖ逡逑ｚ，ｚ，６＞，ｖｈｗ逦ｋ＾Ｎ－＼．０逦ｚ，ｚ，ｗ，ｗ逡逑上边界逡逑ｚ，ｚ，ｐ，Ｐ，ｕ，＼逦ｋ邋＝邋Ｎ邋－邋＼邋．５逦ｚ，ｚ，６，ｐ，Ｐ，ｕ，ｖ逡逑？逦？逦？逡逑？逦？逦？逡逑？逦？逦？逡逑ｚ，ｚ，６，ｗ，ｗ逦Ａ：邋＝邋２＿０逦ｚ，ｚ，ｗ，ｗ逡逑ｚ

模拟观测,试验方案,站点

确定的模式区域，理想情况是对该区域内每个格点进行局地化求解致计算量大，实际操作难以实现。为减小计算量提高计算效率，将分为Ｎ个小方块，每个方块的中心点选定为“局地化中心”（如试验设定合适的局地化半径，利用该局地半径内的观测（图中小圆分布）计算该中心点对应的的变换矩阵。该中心点所在局地区域内同的变换矩阵更新扰动，即由ＥＴＫＦ线性扰动变换关系Ｘａ邋＝邋ＸｆＴｎ：逡逑Ｘａ＝ＸｆＴＬｎ逦（３．４）逡逑ｈ为高度。局地化算子Ｌ是包含局地化方案中模式水平空间内局地化半径及其随高度的变化等参数。为了简化问题，这里将随高度ｈＬ简化为不随高度变化的定常值。逡逑
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P456.7

【参考文献】