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MM5－卫星数据变分同化方法及气象预报应用研究

作　者: 谢红琴
导　师: 吴增茂
学　校: 中国海洋大学
专　业: 气象学
关键词: 二维变分三维变分卫星数据同化气象预报应用中尺度气象模式
分类号: P578
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

海洋气象研究中，特别是业务预报中使用各种非常规观测数据和各种迅速发展的大气数据同化方法，已经在全世界引起了越来越大的关注和重视。充分利用非常规资料，提高对非常规资料的同化能力已成为迫在眉睫的问题。“十·五”国家重点科技攻关项目“海洋环境预报与减灾技术”中把海洋气象数值预报及资料同化方法的研究列入重点内容。本论文的任务正是基于此背景，而开展对卫星气象数据同化方法及其应用的研究，寻求同MM5中尺度气象模式业务预报相结合的数据同化方法，为海洋环境预报服务。提高非常规资料的同化质量及应用水平关系到气象预报的未来，而非常规资料的同化利用也是未来数值天气预报的希望所在。很明显，本论文的研究具有重大的实用价值和现实意义。本论文建立了基于Sasaki增广Lagrange算子算法并和MM5中尺度模式相结合的二维变分同化系统。地球同步卫星(Geostationary Meteorological Satellite(GMS-5))的红外和水汽轨迹风数据及来自NOAA极轨卫星的TOVS(TIROS Operational Vertical Sounder)温、湿数据作为观测资料，经过MM5模式的质量控制而最终进入该同化系统。使用该二维变分同化系统，对2002年发生的三个台风进行了同化卫星数据的数值模拟实验，并对模拟结果同三维观测松弛逼近等数据同化方法对台风路径影响做了比较分析。同时也对各同化方法同化不同卫星数据对台风的影响进行了比较分析。结果表明：所发展建立的二维变分同化系统发挥了应有的作用，也不同程度的改善了台风路径的数值模拟结果。选用现有不同卫星数据进行同化对台风路径的影响不同，但都在一定程度上改善了模拟的结果。虽然二维变分数据同化系统同化各卫星数据对台风模拟实验的结果，不如使用三维观测松弛逼近同化方法的效果好。但就所有的同化实验整体而言，台风路径误差在模式积分24时和48时分别减小约5％和10.5％，对单个台风路径误差可减少30％-50％。另外，即使只是使用很简单的同化方案，如卫星资料仅作为观测资料而被吸收到模式的初始场中，都会对模拟结果产生正面的影响。值得一提的是所发展建立的二维数据同化方法原理简单，计算快捷而稳定，而且易于应用到各种相关领域数据同化的研究中。本论文接着改进和发展了由国家数值预报中心引进的，基于增量法和Delpha工作站平台的三维变分同化系统。所发展的三维变分同化系统以MICAPS(气象信息综合分析处理系统，由中国国家气象局和中国气象科学研究院共同研制)T213为背景场并同入D涯5模式相结合。该同化系统有同化GMS一5的红外和水汽轨迹风数据和TOVS温湿数据的能力并可在PC机的Linux系统下顺利运行。使用所改进的同ND涯5模式相结合的三维变分同化系统，对以台风为代表的天气现象进行了数值模拟实验，并检验了该同化系统的同化能力。对文中所用N伍15数值模式所产生的初始场和三维变分同化系统生成的初始场进行了比较和分析。分析比较初始风场、初始位势高度场、初始相对湿度场和台风周围分布的探空站的探空曲线后的结果表明:在三维变分同化后各模式物理量之间更加协调，更加符合实际观测。三维变分数据同化系统同化卫星数据后，所形成的初值场是合理和正确的。在初始场形成的较详细地比较和分析的基础之上，最后本论文进行了三维变分数据同化系统同化卫星数据对台风影响的数值模拟实验结果的比较分析研究。在对三维变分实验与对应控制实验的风场、位势高度场、相对湿度场和几个探空站探空曲线的模拟结果，及对所模拟的台风路径和路径的偏差比较分析研究的基础上，得到如下结果:各模式物理量之间在三维变分数据同化后的分布，在动力上和物理上都更加协调和合理，更加符合实际观测。三维变分数据同化方法能明显减小台风路径的模拟偏差，即使模式积分48小时台风路径的偏差改善也多达50%。平均而言，同控制实验相比，台风路径偏差改善在模式积分24时为49%，48时达到了56%。对单个台风，路径误差的改善更大。对台风路径的预报来说，这是很令人鼓舞的消息。值得注意的是即使所模拟的台风是发生转向的台风，其路径的改善也是明显的。同时使用该三维变分同化系统，比较分析了使用三维变分同化方法仅同化常规观测数据的模拟结果和使用文中所用Nl五遭5模式同化方法进行数值模拟的结果，分析结果表明在其它条件相同的情况下，前一种实验的模拟效果远好于后一种实验，这也证实了变分方法的确比一般的客观分析方法优越。本论文发展、改进和建立的二维和三维变分数据同化方法有很普遍的适用性。把二维变分和三维变分同化方法应用到类似M入15中尺度模式的模式系统中也具有比较现实的意义。这两种数据同化系统中增加新类型的数据是极其方便和快捷的;适用于海洋上发生的各种海洋天气现象的数值预报和模拟研究;而且就计算量和所需的计算时间而言，在数值业务预报所容忍的范围之内。在地方级气象台所能获取的卫星等非常规数据种类和数量都逐渐增加的前提和背景下，使用本论文所建立的基于入D涯5模式的三维变分数据同化系统，对科研投资有限而无法购买昂贵的高

全文目录

第一章绪论  11-27
  1.1 数据同化的由来和发展  11-17
  1.2 卫星资料的同化及其意义  17-19
    1.2.1 我国卫星数据接收现状  17
    1.2.2 卫星数据同化研究的必要性和意义  17-18
    1.2.3 卫星数据同化的国内外的发展和现状  18-19
  1.3 本文研究的主要内容  19-20
  1.4 本论文结构安排  20-21
  第一章附录 Some FDDA Definitions  21-27
第二章二维变分与观测松弛逼近同化  27-37
  2.1 二维变分的同化应用  27-28
  2.2 共轭梯度方法的介绍  28-30
  2.3 松弛逼近(牛顿松弛)方法的同化应用  30-32
  2.4 GMS-5和TOVS数据的吸纳过程  32-34
  第二章附录共轭梯度方法相关内容的介绍  34-37
第三章二维变分的建立及模拟效果分析  37-57
  3.1 模式与资料介绍  37-40
    3.1.1 MM5中尺度气象模式介绍  37
    3.1.2 二维变分卫星数据同化系统和MM5模拟系统的联接  37-39
    3.1.3 资料介绍  39-40
  3.2 台风简介  40-41
  3.3 模拟结果  41-51
    3.3.1 实验设计概述  41-42
    3.3.2 GMS-5卫星资料同化对台风路径的影响  42-51
  3.4 本章小结  51-57
第四章三维变分数据同化方法及实现方案  57-78
  4.1 变分数据同化方法的发展  57-59
  4.2 三维变分方法数学基础及发展  59-75
    4.2.1 目标函数及其梯度  59-60
    4.2.2 增量方法  60-61
    4.2.3 变量变换Ⅰ--平衡算子与物理变换  61-62
    4.2.4 背景误差的统计模型  62-67
      4.2.4.1 模式变量的误差统计  62-63
      4.2.4.2 单变量误差协方差矩阵的构造  63-67
    4.2.5 变量变换Ⅱ--最优化的预处理  67-68
    4.2.6 最优化的实施--大矩阵的计算  68-69
      4.2.6.1 递归滤波表示水平相关矩阵R  68
      4.2.6.2 变量预处理与递归滤  68-69
    4.2.7 最优化的实施--极小化算法  69-70
    4.2.8 观测算子、切线性算子及其转置  70-72
    4.2.9 三维变分计算步骤小结  72-75
      4.2.9.1 三维变分计算公式汇总  72-73
      4.2.9.2 三维变分主要计算步骤  73-75
  第四章附录几种极小化算法  75-78
第五章三维变分同化的初值场形成及对比分析  78-95
  5.1 三维变分(3DVar)系统介绍  78-79
  5.2 三维变分系统流程介绍  79-81
  5.3 实验设计  81-82
  5.4 初始场形成的对比分析  82-88
    5.4.1 初始位势高度场的比较  82
    5.4.2 初始风场的比较  82-83
    5.4.3 初始相对湿度场的比较  83
    5.4.4 探空曲线的比较  83-88
  5.5 本章小结  88-95
第六章三维变分实验结果分析  95-123
  6.1 模式物理量的模拟结果比较分析  95-96
  6.2 探空曲线模拟结果的比较分析  96-99
  6.3 三维变分卫星资料同化对台风路径的影响  99-102
  6.4 本章小结  102-123
第七章总结和展望  123-125
  7.1 主要成果和结论  123
  7.2 展望  123-125
主要参考文献  125-133

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