简易海洋同化数据中的厄尔尼诺现象

为研究在厄尔尼诺现象演变过程中海气相互作用的性态特征,该文再次应用拓展伴随模态分析于简易海洋同化数据(SODA data).结果表明:通过相互作用形成厄尔尼诺/拉尼娜现象的海洋与大气具有明显不同的性态,气候系统中并不存在一个相对独立的热带太平洋大气变异,但是的确存在一个相对独立的热带太平洋海洋变异;原因在于大气是底部界面受热而海洋是顶部界面受热,从而导致前者具有较后者强烈得多的斜压不稳定性和能够覆盖大部分热带太平洋的赤道辐合带; 再次证实了正是直接来自中纬度海域的西风爆发和海面风辐聚导致赤道太平洋上层海水的东向移动和经向辐聚造就了厄尔尼诺所特有的增温信号.

西北干旱区绿洲—戈壁资料同化数据集的建立与分析

利用美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)共同开发的天气研究和预报系统WRF模式3.1版本,结合地球观测系统的中分辨率成像光谱仪EOS-MODIS反演的下垫面土地利用/植被类型资料,并同化2008年夏季金塔绿洲野外观测试验所取得的气象资料,对绿洲系统陆—气水热交换过程进行模拟,最终生成金塔高分辨率资料同化再分析数据集。此数据集包括黑河流域金塔绿洲2008年6-8月逐时水平分辨率1 km的土地利用类型、19层风温湿压、4层土壤温湿度以及地表植被覆盖、辐射分量、热通量等资料。同时,利用金塔绿洲观测期内的地表气压、地面气温和相对湿度实测值对该数据集进行初步验证,并分析了绿洲—戈壁系统的"冷湿岛效应"、平均大气环流特征和空气温湿度长期变化规律。结果表明,绿洲和戈壁下垫面的热力差异明显,绿洲和戈壁平均地表温度白天和夜间分别相差21℃和3℃;10 cm土壤温度白天最大相差17℃,并且绿洲比戈壁滞后3 h达到峰值;戈壁相对湿度比绿洲平均约低11%;白天绿洲的"冷岛效应"和"湿岛效应"影响高度平均可达2000 m和1500 m;夜间绿洲的近地层500 m以下则表现出弱的"冷岛效应";夜间绿洲上空的平均垂直气流为上升气流,白天出现大范围下沉气流,平均最大下沉气流速度可达-0.3 m·s-1。

基于高分辨率资料同化数据对青藏高原极端低温特征分析

为进一步研究青藏高原极端低温事件的影响,本文利用WRF模式输出的2015~2020年的逐小时气温高分辨率同化数据计算了两类极端气温指数,研究了其空间分布规律,并根据指数分布规律将青藏高原分为四个区域,研究了高原极端低温的区域特征。结果表明:1) 高原整体呈现出东暖西冷的特征,气温以昆仑山脉与塔里木盆地的交界地带为低值中心,向四周逐渐增暖,霜冻日数和冰封日数也逐步减少。2) 以藏北为主的一区气温最低,以川西为主的四区气温最高,而以青海为主的二区和以藏南为主的三区气温最接近,一区和二区为年内气温变化最为剧烈的两个区域。四个区域霜冻与冰封日数的分布规律与气温相对应,一区最多,三区次之,二区较少,四区最少。3) 四个区域霜冻和冰封日数的季节变化相一致,冬季最多,春季次之,秋季较少,夏季最少。对霜冻日数而言,冬季,不同区域间日数的差异最小;温度越高的区域,霜冻日数的季节差异越明显;冰封日数与霜冻日数相反。

土壤湿度同化数据综合分析处理系统的研制与开发

陆面数据同化系统的输入和输出数据以其格式多样性、海量性为主要特征。以GIS二次开发组件ArcGIS Engine,ArcSDE空间数据库引擎和SQL Server 2005数据库管理工具,利用C#、IDL编程语言,构建土壤湿度同化数据空间数据库,并将气象数据具有时间域、空间域和属性域等多维属性与GIS数据模型相结合,研制开发综合分析处理系统,实现土壤湿度同化输入参数与输出数据的空间分析与管理。系统能够满足陆面同化系统对数据的处理与分析需求,为土壤湿度同化产品的业务应用提供强大的支撑。

通过降低同化数据的精度提高天气预报技巧

英国牛津大学的Hatfield等介绍了一种通过折衷同化数据精度和集合个数以提高天气预报技巧的新方法(下图)。因为数据噪声和不完善的模式,数据同化本质上是不确定的。因此,由降低精度而引起的更大的舍入误差可能在系统的容差范围内。低精度算法成本更低,故通过降低集合数据同化的精度,可以将计算资源重新分配给更大的集合个数。由于较大个数的集合提供了对潜在分布(即总体分布)的较好估计,对协方差膨胀和局地化的依赖较小,所以降低精度实际上可能可以改善天气预报的准确性.

基于WOFOST模型与遥感数据同化的县级尺度玉米估产研究

区域尺度的作物生长动态监测和产量预测对于保障粮食安全和农业政策的制定具有重要参考依据。遥感数据同化应用极大提高了作物估产的时效性和精度。为及时、准确地实现县级尺度粮食产量的估测,以及提升产量估测的精度,以辽宁省铁岭县为研究区,采用WOFOST(world food studies)模型与遥感同化相结合的方法对铁岭县玉米进行估产研究。通过采用扩展傅里叶幅度敏感性检验算法(extened Fourier amplitude sensitivity test,EFAST)敏感性分析方法实现玉米估产敏感性参数的分析,以及本地化;通过采用参数自动率定程序PEST(parameter estimation)实现参数的优化,验证结果为采样点产量的平均误差为852.39 kg·hm^(-2),模型模拟的精度达到92.82%。为进一步提高和优化模型估产精度,将遥感反演得到的叶面积指数采用集合卡尔曼滤波算法与模型模拟的叶面积指数进行数据同化,平均误差从同化前的852.39 kg·hm^(-2)降低为435.01 kg·hm^(-2),估产精度从92.82%提高到96.33%,有效提高了WOFOST模型估产的精度。结果表明:水分对玉米的生长发育限制并不大,其产量形成主要受光温影响,对温度、光能利用效率和最大同化速率有关的参数具有较高的敏感性;优化后的模型能够较好模拟铁岭县玉米生长发育情况,产量验证表明优化后的模型模拟的效果较好,但仍存在一定的误差;比值植被指数与叶面积指数的相关性最高,反演模型精度较好,反演结果表明叶面积指数在抽雄吐丝期差距较大,而在成熟期的差距不大;经过作物模型与遥感数据同化之后,估产的精度得到明显提高,说明遥感与作物模型同化是一种有效地提高作物估产和产量预测精度的方法。

一种近实时全球电离层数据同化和预报系统的构建与实现

电离层天气变化正成为目前空间天气预报最重要的内容之一,建立一个可靠的、精确的电离层特征参量现报和预报系统对空间科学研究及军民用无线电信息系统保障均具有重要价值。基于国际GNSS服务组织(International GNSS Service,IGS)的地基GNSS和全球电离层无线电观测站(Global Ionospheric Radio Observatory,GIRO)数字测高仪的实时数据,以国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)模型为背景模型,采用高斯-马尔可夫-限带卡尔曼滤波同化技术,结合超大规模矩阵稀疏存储与处理方法,在云计算平台上构建完成了近实时全球电离层数据同化和预报系统(near-Real-Time Global Ionospheric Data AssiMilation and forecasting system,RT-GIDAM)。该系统具备了全球电离层TEC和电子密度的近实时(延时约5 min)、较高空间(5°×2.5°)和时间分辨率(15 min)的同化和预报功能,可为空间物理研究及相关无线电系统应用提供数据支撑。

机理模型与遥感数据同化的草地生物量估算相关研究

受人为和气候变化的影响,草地退化、沙化的现象愈发严重,对草地的监测和保护亦变得愈发重要。生物量是评价草地生态状况的重要指标之一,草地生物量的估算对草地资源管理、生态修复与保护都有着重要的意义。随着遥感技术的发展与植被机理模型的广泛应用,针对草地生物量的估算方法也不断发展,主要分为遥感反演和植被机理模型估算两种方法。本文系统地阐述了遥感反演中的经验回归方法和辐射传输模型,还有基于植被机理的作物生长模型和草地生长模型。此外,本文还介绍了在农业估产领域已经被广泛应用的数据同化技术,分析了在草地生物量同化估算过程中,遥感数据与机理模型存在的互补优势,提出了目前存在的问题,并指出在简化模型的同时,保证估算的稳定性和准确性并兼顾植被的机理性是未来草地生物量估算的研究重点。

基于数据同化系统的作物产量预测研究进展

数据同化系统融合了遥感数据和作物生长模型的优势,是实时监测农业生产状况的有力手段。本文在简要介绍作物产量遥感估测方法的基础上,重点对数据同化算法的发展情况、多源遥感数据在数据同化上的应用潜力、数据同化系统的不确定性以及数据同化系统的尺度效应4方面进行论述。并且针对农业应用现状,提出未来应充分挖掘多源遥感数据、多作物生长模型集合和数据算法的优势,最终实现以机理模型为纽带的作物估产模式,并为制定田间管理策略、规划粮食产业布局和制定进出口贸易政策提供有力的数据和技术支撑。

基于Fortran语言的地球外辐射带电子三维数据同化建模

开发地球电子辐射带的数据同化模型,对于理解辐射带电子的动态演化过程和辐射带空间天气预报具有重要意义.结合范阿伦卫星的辐射带电子观测数据和外辐射带三维扩散模型,采用卡尔曼滤波算法,本文开发了基于Fortran语言的外辐射带电子三维数据同化模型(Three-dimensional Data Assimilative Model of Outer Radiation belt Electrons,简称TDAMORE),实现对L^(*)=3~7、能量范围为0.1~5 MeV、投掷角范围为5°~90°的外辐射带电子时空变化过程的三维重构.通过对2018年8月期间外辐射带电子通量演化过程的重构,证实TDAMORE模型可以较好地重现不同能量和不同投掷角电子通量在磁暴前后的演化特征.通过分析电子通量的观测和同化结果之间的相关系数、平均误差、平均绝对误差和均方误差,发现对于能量低于4 MeV的电子,观测与同化结果之间的相关系数基本大于0.8且误差相对较低.而对于更高能量的电子,观测与同化结果之间的误差相对较高,这可能是同化模型忽略了电磁离子回旋波对电子的散射损失导致的.

面向内流的激波/边界层湍流模型数据同化及应用

为研究压缩拐角激波/边界层干扰问题和机器学习方法在湍流模型参数辨识中的有效性,提出一种面向内流的激波/边界层湍流模型数据同化方法,以Kriging代理模型传播参数不确定量化过程,基于贝叶斯框架构建似然函数作为评判标准,最后利用粒子群优化算法近似获取参数的最大似然估计并进行参数验证。结果表明,通过校准大角度(24°)压缩拐角获取的湍流模型参数,可以应用到相同条件下相对较小的小角度(20°,16°和8°)压缩拐角,获取的壁面压力、摩阻系数和速度剖面均与试验值基本吻合。在Ma=2.85下校准的壁面压力,均方根误差由60.29%下降到16.56%。将大角度下获取的参数应用到Ma=2.9和不同的入射边界层厚度的条件下,获取的壁面压力和速度剖面仍与试验值基本吻合,验证了小范围马赫数内湍流模型参数的适用性。

集合卡尔曼滤波与随机森林算法在异源遥感降水数据同化融合中的应用

为减小异源遥感降水产品的非均质误差,提出集合卡尔曼滤波(EnKF)联合随机森林(RF)的数据同化融合算法,选取长江流域5种遥感降水产品(ERA5、TerraClimate、GPM、TRMM和PERSIANN-CDR),在分析星地降水数据一致性的基础上,进行EnKF-RF数据同化与融合处理,并利用独立气象站点评估其精度。结果表明,异源产品在长江流域降水量捕捉精度为TRMM>GPM>TerraClimate>PERSIANN-CDR>ERA5;各产品经EnKF同化后的精度纳什效率系数N NSE增至0.93~0.96,均方根误差RRMSE降至89.48~176.03 mm,较未同化前的N NSE提升11.46%~22.34%、RRMSE减小96.35%~122.60%;RF融合进一步改进了单一源降水产品可靠性,融合后产品精度N NSE达0.99、RRMSE为43.56 mm;异源降水数据的EnKF-RF同化融合策略减少了单一源降水产品的误差,在长江流域乃至全球尺度具有较大应用潜力。

基于集合平滑数据同化与直接采样法融合水文地球物理数据刻画裂隙网络分布

刻画裂隙含水层在地下水污染、地热、油气资源开采等研究中起关键作用。由于裂隙介质的强非均质性,其渗透率场一般呈现出显著的非高斯特性,该特性给水文地质参数的推估带来了极大的困难与挑战。为解决裂隙介质参数推估难的问题,本研究利用集合平滑数据同化与直接采样法融合水文地球物理数据推估裂隙介质参数场,设计多个数值算例,探究该数据同化框架刻画裂隙介质参数场的有效性,分析同化3种不同类型的观测数据对参数推估结果的影响,并探讨裂隙密度以及观测井的数量对参数推估效果的影响。研究结果表明:(1)基于集合平滑数据同化与直接采样法融合水文地球物理数据的方法,可有效地推估裂隙介质水文地质参数空间分布;(2)对比3种类型的观测数据推估结果,可知同时融合水头和自然电位观测数据(水文地球物理数据)的参数推估效果最佳;(3)研究区的裂隙密度以及观测井的数量同样对数据同化结果产生影响,因此建议在实际应用中应选择合理的观测井数量从而获得最优的参数推估方案。该研究可为裂隙介质参数场的刻画提供一种有效的方法,进一步为裂隙水资源的开发和管理提供可靠的理论依据。

基于多层土壤湿度数据同化的小流域径流模拟

土壤水分状态在水文循环中起关键作用,对径流预报的准确性影响很大。以美国宾西法尼亚州中部的Shale Hills流域为例,研究多层实测土壤湿度数据同化对径流模拟的作用。首先利用新安江模型对研究区内2008~2012年的日径流进行模拟,同时通过集合卡尔曼滤波算法构建基于新安江模型的水文数据同化模型,并设置未同化的开环试验作为对比,研究模型同化土壤湿度对改善径流模拟和土壤水分的能力。模拟结果显示,新安江模型在该流域有较好的适用性;相比于同化前,模型同化多层土壤湿度后径流量相对误差降低了5.2%,纳什效率系数从0.62提高到0.66,土壤含水率的均方根误差从16.4 mm减小到3.0 mm。其次对单层土壤含水率同化结果进行比较,结果表明,下层土壤含水率同化比上层同化对径流模拟作用更明显,但仅加入上层实测土壤含水率同化能够降低下层土壤水模拟的不确定性。研究结果表明同化多层土壤湿度可提高径流模拟精度,同时也能够有效优化土壤水的模拟结果。

翼型流动分离的EnKF非稳态数据同化

为了改善RANS模型对流动分离现象的预测性能,针对NACA0012翼型绕流,采用基于非稳态计算的集合Kalman滤波(ensemble Kalman filter,EnKF)数据同化方法,结合粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)数据对SST湍流模型的模型常数进行了修正,对比分析了不同模型常数扰动幅度、不同集合样本数目下稳态数据同化和非稳态数据同化的预测结果差异。研究结果表明,相对于稳态计算,非稳态计算能够增强数值模拟的稳健性,从而可以在较大的扰动幅度下,改善RANS模型的初始预测分布。稳态数据同化在模型常数扰动幅度较大或者样本数目较少时存在明显缺陷,非稳态的数据同化具有更好的鲁棒性,能够在更大扰动幅度和更少样本数下得到最优的湍流模型常数,对流场的预测更加准确。

基于数据同化方法修正RBF神经网络的高维气动力建模预测

通过数据同化方法修正径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络,以提高高维气动力的建模精度。通过在传统RBF神经网络的核函数中引修正量γ,使用EnKF滤波数据同化算法修正该矫正因子,并将其应用于CRA309旋翼翼型的高维气动力建模预测中。结果发现数据同化方法采用非侵入的方式,在不破坏神经网络整体架构的情况下仅对核函数的矫正因子进行修正,大幅减少优化参数与变量,显著提升了RBF神经网络的建模精度和效率。将修正后的RBF神经网络模型应用于高维气动力建模中,用仿真数据替代对气动力参数进行预测。设计结果验证了预测模型的可行性,在风洞试验数据较少的情况下对提高试验数据的利用效率具有一定的工程实用价值。

基于数据同化理论的InSAR技术黄河上游滑坡监测预报

黄河上游地区滑坡地质灾害分布广泛,活动频繁,危害严重.传统的滑坡识别和监测方法均存在局限性.InSAR技术由于其精度高、可获取毫米级形变等特点被广泛应用于滑坡监测中.但InSAR技术对影像相干性的要求较高,导致其数据的离散程度较大,无法获取到连续的形变数据,对实际应用中利用监测的结果进行预报的能力造成了较大的影响.而利用数据同化理论的建模方法,可以对多尺度、多来源、多类型的数据进行协同处理以消除误差.本文通过SBAS-InSAR技术获取地表的毫米级形变,经由卡尔曼滤波算法对观测结果进行了数据同化.单点实验的结果表明,卡尔曼滤波之后的模拟结果较同化之前有了明显的提高,验证了数据同化算法在提高数值模拟的精度上的可行性.通过数据同化理论来产生连续的预报数据,为InSAR技术监测和预报滑坡形变提供了一个新的思路.

核反应堆物理计算数据同化研究进展

为了更全面深刻地认识用于核反应堆物理计算中的数据同化理论,介绍了数据同化在反应堆物理领域的两大应用方向,即最佳参数估计和物理场重构。详细分析了基于模型降阶的数据同化理论,包括模型降阶理论基础和基于本征正交分解的模型降阶;分别介绍了广义经验插值法和稳定格式本征正交分解,并给出了部分数值结果。讨论了反应堆物理领域中开展不确定度分析和量化的相关工作进展。此外,为了进一步确保数据同化结果的精度和可靠性,强调了不确定度分析的重要性并对其进行介绍。分析表明:基于模型降阶的数据同化方法具有计算效率高、精度高的优点,是核工程领域数据同化的新兴发展方向。

沿海声层析数据在印尼巴厘海峡的同化研究

沿海声层析(Coastal Acoustic Tomography,简称CAT)是利用高频声信号实现近海大范围流场观测的有效手段,但其直接观测范围仍然有限。海洋数值模式提供了一种存在仿真误差的大范围海洋背景场,将CAT观测结果与海洋背景结果同化,可以提高流场结果的分辨率和准确度。本文提出一种利用流函数拟合海洋模式流场结果并使用集合卡尔曼滤波算法同化CAT数据的方法,获得更大范围的海洋水平二维流场结果。同化研究以非结构化网格有限体积海洋数值模式(Finite-Volume Community Ocean Model,简称FVCOM)作为背景场,以2016年6月1日至3日在印度尼西亚巴厘海峡(Bali Strait)进行的4站CAT实验作为观测数据。经过背景场流函数拟合和CAT数据同化,获得巴厘海峡二维流场。同化结果分别与同期观测结果和潮位数据对比,发现流函数拟合同化后的流场能更准确地描述巴厘海峡涨落潮和流量情况,通过引入CAT数据与流场的函数关系,可以有效地降低海洋模式的误差和原观测数据的稀疏性。

基于数据同化的棒束流场湍流模型常数标定方法研究

为了提升压水堆棒束燃料组件内二次流预测精度,采用基于集合卡尔曼滤波算法的数据同化策略对非线性涡粘模型的关键模型系数进行标定。为了提升数据同化策略的收敛速度,降低模型常数的收敛残差,采用基于模型常数敏感性分析的定向抽样和基于空间相关长度的局部修正等方法,改进了数据同化策略和集合卡尔曼滤波算法。本文基于改进的数据同化策略,利用5×5棒束通道定位格架下游流场实验观测数据,标定了非线性涡粘模型。研究结果表明,与标准非线性涡粘模型相比,标定后的非线性涡粘模型对棒束通道定位格架下游二次流的预测精度显著提高,成功预测了标准模型常数未能准确预测的横截面涡结构。