集合—变分混合同化中集合更新方法及循环同化预报研究

发布时间：2020-08-04 05:45

【摘要】：集合-变分混合同化方法将集合卡尔曼滤波法和变分法结合,具有计算成本低、便于同化多种观测资料及背景误差协方差具有流依赖性的优点。混合同化中,能描述天气形势演变特征的流依赖的背景误差协方差隐含于集合扰动中,因此集合预报的效果很大程度上影响着集合-变分混合同化的效果。为建立简便可行的、稳定高效的集合-变分循环同化预报系统,本文对集合-变分混合同化中的集合更新方法进行了一系列研究。首先,为讨论集合变换卡尔曼滤波中不同协方差膨胀方案对混合同化及预报效果的影响,开展了中国中东部区域一次连续大范围降水过程的连续10天的循环同化和预报试验。结果表明:几种协方差膨胀方案相对于无协方差膨胀的方案,均有效地提高了混合同化和预报的效果:对于风场,将预报误差协方差投影到集合子空间的方案和采用平均新息协方差信息的方案表现较好;对于温度场、湿度场和降水预报,采用平均新息协方差信息的方案和采用了同化时次前两次集合预报比率的方案最好。其次,针对集合变换卡尔曼滤波在同化过程中易受不同时次观测资料差异的影响而产生较大程度的协方差震荡,从而可能导致系统不稳定的问题,构建了一种基于物理控制变量扰动的混合同化预报系统。该系统通过对分析场的随机扰动并经过模式变换得到扰动量,从而实现集合更新,而集合扰动的误差统计由静态背景误差协方差提供。由于静态背景误差协方差的平衡属性,因此产生的扰动受平衡约束。连续10天的循环同化及预报试验表明,本同化方案效果明显优于三维变分方案,动力场的整体同化和预报效果与集合转换卡尔曼滤波方案基本相当。本方案不受观测资料差异的影响,在没有经任何参数调试情况下,取得了良好同化和预报效果,为混合同化的便捷运行提供了一种稳定可靠的手段。第三,为了在不增加或仅增加很小计算代价和存储成本的前提下,提高目前基于变分同化的快速更新同化系统的性能,本文初步研究了基于时间滞后集合的快速更新混合同化方案。试验结果表明:时间滞后集合充分利用了历史观测,使各集合成员包含了其对应时次的同化及预报信息,与动力模式协调且具有动力增长结构,因而时间滞后集合体现了天气流型即预报误差协方差的流依赖性,对于动力场和热力场的改进作用明显。
【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】：2015
【分类号】：P456
【图文】：

模式相关,同化系统,蓝色,关系图

２．２邋ＷＲＦＤＡ同化系统及其混合同化方法逡逑２．２．１邋ＷＲＦＤＡ同化系统逡逑ＷＲＦＤＡ系统在ＷＲＦ数值模式中的作用如图２．１，其中蓝色部分为ＷＲＦＤＡ同化系统功逡逑能。图２．１中，３表示由ＷＲＦ或者由ＷＰＳ／ＲＥＡＬ输出结果得到的初猜场（背景场）；ｘ？表逡逑示由ＷＰＳ／ＲＥＡＬ得到的侧边界条件；是由ＷＲＦＤＡ同化系统同化观测资料后生成的分析逡逑场；Ｖ是ＷＲＦ模式进行预报得到的预报场；扩为经过ＯＢＳＰＲＯＣ邋（观测前处理）得到的观逡逑测场。（需要注意的是：ＰＲＥＰＢＵＦＲ，雷达，辐射和降水资料不需要经过ＯＢＳＰＲＯＣ预处理）；逡逑７逡逑

过程图,协方差,累积降水,预报效果

合成员的循环同化及预报试验，每１２小时同化…次。在前述四个协方差膨胀方案的基础上，逡逑增加了一组无协方差膨胀方案ＮＯＩＦ邋（Ｎｏ邋Ｉｎｆｌａｔｉｏｎ）的试验，共设计了五组协方差膨胀方案逡逑对比试验。试验区域如图２．２，水平方向格点数为１６０ｘ１１０，垂直方向３８层，水平分辨率为逡逑２７ｋｍ，模式层顶气压为５０ｈＰａ。采用的模式为ＷＲＦＶ３．５．１，模式微物理过程采用ＷＳＭ６方逡逑案，积云对流参数化采用Ｋａｉｎ－Ｆｒｉｔｓｃｈ对流方案，长波辐射方案为ＲＲＴＭ方案，短波辐射方逡逑案为Ｄｕｄｈｉａ方案，行星边界层方案为Ｍｅｌｌｏｒ－Ｙａｍａｄａ－Ｊａｎｊｉｃ方案，陆面过程米用Ｎｏａｈ－ＭＰ逡逑方案》侧边界条件由每６小时一次的ＧＦＳ再分析资料提供。逡逑在试验中，静态背景误差协方差矩阵由ＮＭＣ方法计算得到（Ｐａｒｒｉｓｈ邋ａｎｄ邋Ｄｅｒｂｅｒ邋１９９２），逡逑样本为２０１１年７月１日００时起，连续一个月每隔１２小时一次的ＷＲＦ模拟的１２小时预报逡逑场和２４小时预报场。Ｈｙｂｒｉｄ集合扰动中，初始集合成员是在ＧＦＳ再分析场的基础上通过逡逑ＲａｎｄｏｍＣＶ方法扰动得到，在之后的同化时次里采用ＥＴＫＦ方法更新，静态背景误差协方差逡逑和集合背景误差协方差的权重各占一半

变化曲线,观测资料,协方差,膨胀系数

协方差膨胀系数数值的变化反映了不同协方差膨胀方案对误差协方差估计的趋势。逡逑为直观比较不同ＥＴＫＦ协方差膨胀方法，本章对协方差膨胀系数随各同化时次的变化进行了逡逑分析。从各协方差膨胀系数随各同化时次变化曲线（图２．５）可以看出，ＷＧ０７方案协方差逡逑膨胀系数的数值最小，ＴＲＮＫ方案协方差膨胀系数要大于ＷＧ０７方案，ＷＧ０３和ＢＯＷＬ方逡逑案协方差膨胀系数则明显较大，其屮ＷＧ０３协方差膨胀系数在前８个同化时次是最大的。逡逑从图中也可以看出，ＷＧ０７方案和ＴＲＮＫ方案协方差膨胀系数比较稳定，ＷＧ０７方案数值基逡逑本维持在８上下，ＴＲＮＫ方案协方差膨胀系数经过３次循环后趋于稳定，数值维持在２０－３０逡逑之间；ＢＯＷＬ方案经过大概５次循环趋于稳定，数值在４０－５０附近，但是存在波动现象；逡逑ＷＧ０３协方差膨胀系数经过３次循环后数值在５０上下波动。几种方案的协方差膨胀系数随逡逑同化时次变化不同表现说明：（１）由于ＷＧ０７方案采取了将预报误差投影到集合子空间的逡逑方法以改善采样误差

【参考文献】