不可微预报系统的广义变分同化方法及数值试验

讨论了不可微预报系统中的广义变分同化方法· 对于不可微预报系统,由于不可微性,系统不存在切线性系统,而切线性系统的不存在,使得无法用通常的途径导出伴随系统· 引进不可微系统的弱形式后,可以不考虑切线性系统,而直接导出伴随系统· 主要就3种形式的问题展开了讨论,第1种为低维系统,第2种情形为高维系统整体观测资料。

一种卫星反演海温资料的补缺方法

卫星反演海温资料的补缺问题一直受到气象海洋工作者的关注,本文对海温补缺问题提出一种新的构想。首先对所研究的区域分块处理,对每一块子区域海温缺失部分进行Kriging方法插值,并利用历史资料,将海温缺失部分构成一个时间序列,借助于Kalman滤波,得到滤波以后的海温,然后对插值与滤波后的海温进行数据拟合。在拟合过程中引入区域信息量γ,在不同象素点参数条件下拟合出最优拟合参数α、β并进行误差估计,实际试验表明子区域选取200×200个象素点,并把整张云图分为144块区域,对海温补缺效果十分明显。本文为海温补缺提供了一种全新的,具有较高精度且实际业务系统可操作的方法。

用实测风场资料提取基本气流

该文从 f平面线性无粘的二维Boussinesq方程组出发 ,通过求取函数的极小值 ,提出了从实测风场资料中提取基本气流的方案。用该方案提取的基本气流既满足控制方程 ,同时又与实测风场之差其模的平方在垂直方向取平均后达到最小 ;将实测风场与该基本气流相减 ,可提取出扰动风场 ,从而能研究基流的失稳问题和扰动场随时间的演变。该文还给出了该方案实际操作的数值计算方法 ,并对实际个例进行了计算和分析 。

变分方法反演双多普勒雷达低层二维风场

提出用变分方法和正则化方法相结合反演双多普勒雷达资料的低层二维风场的方法,即在目标泛函中加入正则化项(先验信息项)且合理选择正则化参数。数值试验结果表明:正则化项的引入能有效滤除反演风场中因奇点和观测资料引起的误差,提高反演精度,得到最优的全局反演风场。

赤道东太平洋海气耦合振荡的非线性分析及ENSO循环的极限环理论

把赤道东太平洋地区大气对流层,海洋混合层看作是在定常热源(太阳辐射)驱动下的动力系统,利用一个局域平均的热力学气候模式,建立了海气耦合自激振荡模型,得到了一个封闭的自治的二次系统,对系统进行了线性和非线性分析· 结合系统稳定的极限环解,对海气耦合的物理机制进行了探讨· 和观测事实的比较表明,在赤道东太平洋区域平均的以500hPa为代表的大气对流层的温度距平和海表温度距平。

Clifford代数及其函数理论在力学上应用

众所周知,无论是弹性力学或流体力学,处理平面问题比处理空间问题要方便得多,其原因之一单复变函数尤其是解析函数有一整套完整的理论,而对空间问题来说就困难得多.本文首先介绍Clifford代数的一般理论,然后着重讨论三维空间上的Clifford代数,建立起三维空间中类似于解析函数的所谓正则函数.把平面问题的一些重要结果推广到三维或高维空间中去,这无疑是对弹性力学或流体力学有重要的意义.但由于Clifford代数是不可交换的代数.故把二维空间向三维推广时,许多地方仍存在着本质上的困难,故不能简单地平推一些结果.对存在的问题有待于以后深入研究.

正压大气中非线性重力惯性波的非频散周期解——论Taylor展开的可能性

本文论证了正压大气中非线性重力惯性波的非频散周期解存在性及找到了该波解存在条件。通常来说要得到解析解是困难的,故利用Taylor展开来得到近似解。本文给出了Taylor展开的可能性。然后在Taylor展开允许的情况下,我们得到了近似解的表达式及波速公式,给出了该波动流场与位势高度场的配置结构,并揭示了非线性效应使得波动结构变得不对称。

半地转模式中非线性慢行波解的研究

本文讨论了在半地转近似下带有Ｒａｙｌｅｉｇｈ摩擦并以静止流体为背景的非线性Ｒｏｓｓｂｙ行波解的存在性。研究表明：当μ＝０时存在孤波解和周期解；当０＜μ＜μ０时存在振荡型行波解；当μ≥μ０时存在单调行波解，特别在一组特定参数下，导出了单调行波解的解析表达式。最后指出：对于中纬地区，且Ｃｘ（波速）远大于Ｃｘ（临界波速）时，系统易产生振荡型行波解；对于高、低纬地区，且Ｃｘ接近Ｃｘ时，系统易产生单调行波解。

低纬地区非线性孤立波存在性讨论

本文讨论了静力平衡下的绝热自由大气非线性重力惯性波的孤立渡解存在性,设运动在y方向是均匀的,又采用了β平面近似,同时忽略了动量方程中垂直平流项,我们导出了孤立波解的解析解表达式,通过对波速c的讨论,我们指出:在中纬地区,很难形成孤立波;在低纬地区(热带地区),由于科氏力很小,层结稳定度较弱有可能产生孤立波。最后我们讨论了孤立波的波速c与科氏力f,β和稳定参数σ_8之间关系。

区域三维变分同化中背景误差协方差的模拟

背景误差协方差(B)是变分同化中的一个重要部分,极大地影响同化系统输出的分析场。由于计算和指定B中有关统计量需要巨大的资料存储量和计算量,因此进行相关的研究较为困难。本文首先论述了B在变分同化中的重要性以及进行模拟的必要性;接着介绍了美国NMC方法的原理,并研究将其应用到区域三维变分同化中的方法;然后利用WRF模式生成的预报场差值集合对有关统计量进行了估计。揭示了以下结论:通过使用平衡变换和回归系数,控制变量被限制在较小范围内,保证了分析场的质量;流函数第一全局特征向量在200hPa附近的最大分量,表示了急流层中强西风误差;流函数前五个全局特征向量在低层与中高层之间是负相关的;非平衡温度和相对湿度的特征长度尺度比流函数和非平衡速度势的值要小,说明它们是局地性较强的量。流函数和非平衡速度势的特征长度尺度随垂直模态数的增大快速减小,而相对湿度和非平衡温度的特征长度尺度随垂直模态数的变化较为平缓。

中国近海海面风场的时空特征分析

本文利用1987年9月—2013年9月连续26a的多源卫星融合数据,用经验正交函数方法 (EOF)分析中国近海海面风场变化特征。分析结果指出中国近海海面风场的第一模态占总方差贡献的63.94%,呈现为冬-夏季风振荡类型,揭示了中国近海风场的季节变化特征;第二模态占总方差贡献的12.35%,呈现为春-秋振荡类型,反映了冬季风和夏季风过渡时期的变化特征;第三模态占总方差贡献的3.49%,呈现出近似半年周期的波动,体现了中国近海风场季节内变化的特征。

模式误差动力特征:模式参数误差和物理过程描绘缺失误差

模式变量初始场误差和模式误差都是制约数值天气预报准确性提高的重要因素,传统数值预报和变分同化均忽略模式误差的影响。随着研究的深入,关于模式误差对数值预报影响的研究显得尤为重要。本文从非线性动力方程出发,推导出在模式存在参数误差和物理过程描绘缺失误差情况下的模式预报误差演变方程及短时间内误差平方均值近似表达式,并利用Liouville方程推导说明模式误差演变并不服从马尔科夫链分布,该结论对于任意模式系统均成立;利用Hopf分岔动力系统及Lorenz系统进行数值实验,结果表明,短期内模式预报误差均值随时间呈二次增长;随着时间增长,模式预报误差平方均值趋于稳定饱和值;参数误差和物理过程描绘缺失误差在一定意义下等价。这将为模式预报误差订正及弱约束变分同化研究提供重要理论指导和参考价值。

一维半地转浅水模式反演的理论分析和数值试验

本文利用变分伴随方法,结合正则化思想,对一维半地转浅水模式中各参量的反演进行了理论分析和数值试验。文中首先利用伴随方法导出了进行反演时所需的各参量的泛函梯度,然后就初边值和模式参数的联合反演问题进行了数值试验。试验结果表明,采用正则化后,模式参数反演的结果明显优于未采用正则化时反演的结果。

利用GPS技术探测大气中的水汽含量

准确掌握地球大气中的水汽分布,了解水汽变化趋势对天气现象、全球气侯变化、数值预报有重要的理论研究及实用价值.文章系统地论述了利用地基GPS方法观测大气中水汽含量的原理.论述了在地基GPS技术中观测站遥测大气中水汽含量的理论基础,建立了利用GPS观测数据计算大气层水汽含量的理论模型,导出了Tm的计算公式,最后用实例论证了地基GPS测雨的可行性.

西北太平洋热带气旋的时空分布特征分析

西北太平洋是世界上热带气旋（TC）发生频率最高、强度最强的一个海区，因此对西北太平洋TC进行气候分析是很有意义的。根据1945—2006年JTWC的数据资料对西北太平洋的热带气旋时空分布特征进行了统计分析，得到TC活动的一些最新概况。从时间分布特征上来看：TC频数呈增加趋势，有两个上升阶段，两个下降阶段；台风和强台风与TC的变化趋势大致相同，但自2000年至今有上升趋势；在季节上分布上，热带气旋，台风和强台风频数存在时间上的延迟现象。从空间分布特征来看：TC源地在0°～30°N范围内，纬向发生高频区轴线位于12．6°N，经向对应于南海海区和菲律宾以东及关岛附近洋面有两个峰值；TC强度越强，其发生高频区纬向轴线向赤道方向移动，而经向轴线向东移动；南海海区不是强台风的高发区；台风和强台风源地高频区经向轴线在145°～155°E之间移动；纬向轴线在6°～14°E之间移动，强台风的源地高频区经向轴线始终位于台风轴线的东侧，而纬向轴线位于其南侧。

星载微波散射计资料反演海面风场进展研究

对星载微波散射计资料反演海面风场的国内外研究进展作一评述。首先介绍星载微波散射计反演海面风场的基本原理;然后对利用地球物理模型函数的反演方法中地球物理模型函数的建立与求解算法及模糊去除过程做了全面评述;最后对神经网络和遗传算法等不利用地球物理模型函数风场反演方法的应用作了相应说明。目前利用模型函数反演方法日趋成熟,但仍然有进一步改进的可能,尤其对于降水、台风等恶劣天气情况;而神经网络和遗传算法为以后进行风场反演改进亦提供了一种可行途径。

星载雷达高度计反演海面风速进展

因为星载雷达高度计风速资料有沿轨分辨率高、精度高的特点,对其进行深入研究有重要意义。在中国海洋二号动力环境卫星刚刚升空之际,对星载雷达高度计反演海面风速国内外研究进展作一个综述。首先介绍星载雷达高度计风速反演的理论依据及存在困难;然后以风速反演进展历程为主线,分别针对后向散射系数、波浪状态、降雨、白沫等物理量引入地球物理模型函数的反演方法及强风速的反演算法进行评述,简要介绍了星载雷达高度计风速调整海面风场方法;最后对星载雷达高度计反演海面风速的进一步研究提出了几点建议。

中国东南地区及近海海域气溶胶反演遥感研究

大气气溶胶在很多生物地球化学循环中具有重要作用,但是由于它的来源广泛并且具有很大的时空变化性,难以在全球范围内精确、实时确定气溶胶的性质、组成及时空分布,因而对大气气溶胶的研究依赖于监测手段的发展。地基试验能获取点源的大气气溶胶光学厚度(AOD)的地面测量数据,得到的气溶胶光学厚度用于卫星数据的预处理以及气溶胶光学厚度反演的精度验证。而经过地基校验后的卫星遥感数据,可以反映大范围内实时动态的气溶胶信息。利用MODIS资料和地基探测的太阳光度计资料,对中国东南地区及近海海域的大气气溶胶光学特性进行了分析,讨论了适用于中国东南地区的大气气溶胶模型;利用连续的太阳光度计数据对MODIS资料的反演结果进行校验,结果表明:改进气溶胶模型和采用连续波段太阳光度计探测数据,可以提高MODISAOD的校验结果。

三维变分同化中多变量平衡约束设计

在现代变分同化系统中,背景场误差协方差起着决定观测信息的空间分布特征、匹配不同变量间的关系和保证分析增量平衡的作用。基于NMC(National Meteorology Centre)方法,设计了一个新的多变量平衡约束算子:在物理变换中,构建相对湿度和其余控制变量间的平衡约束算子;同时分别采用经验正交函数方法和递归滤波器来模拟控制变量(ψ,χu,Tu,hru,psu)T的垂直误差协方差和水平误差协方差。利用2009年6月2日到8月9日间WRF模式的预报差值场,对新的背景场误差协方差进行模拟分析。单点观测试验表明,新的背景场误差协方差实现了观测信息在干湿变量之间的传递,而且相对湿度具有与温度相似的增量场分布。

GPS掩星折射率的一维变分同化

为了探索GPS掩星观测资料在数值预报模式中的同化应用,利用GPS掩星折射率的一维变分同化技术,将MM 5模式输出结果作为背景场,以GPS掩星折射率作为观测值来进行一维变分同化。将同化反演后得到的气压、温度、水汽压廓线与德国地学研究中心(GFZ)公布的气象观测资料进行了对比和分析,得到了较好的比较效果。证实了GPS掩星资料的合理同化对数值预报可进行有效的改进,并提出了下一步的同化方向。