变分连续同化中优化步长的推导方法及数值试验

一个好的变分同化方法 ,必须考虑到预报模式具有误差 ,并对模式误差进行纠正。变分连续同化 (VCA)通过在模式方程中引进一个修正项 ,连续地调整模式变量 ,从而达到以上目的。在变分连续同化的迭代过程中 ,优化步长的选取方法对于同化迭代是否收敛、收敛速度快慢与否都至关重要 ,文中推导了一种有效利用观测资料计算优化步长的新方法 ,并以大气运动方程中一维非线性平流波和二维惯性波为例 ,进行了四维变分资料同化数值试验。数值结果表明 ,VCA方法和计算优化步长的公式都是有效的。

卫星资料连续同化在“威马逊”台风浪模拟中的应用

基于中尺度大气模式WRF,以1409号超强台风"威马逊"台风为例,通过WRFDA同化模块及快速辐射传输模式CRTM进行微波辐射资料AMSU-A连续同化,来探究卫星资料同化对风场模拟的影响,并利用SWAN模型模拟台风风场驱动下的波浪场。结果表明,采用连续同化AMSU-A资料的方法能够较为显著地提高台风路径、强度以及台风作用下波浪场的模拟效果。

大气-海洋-海浪耦合同化模式在台风过程模拟中的应用

基于MCT耦合器,利用中尺度大气模型WRF、海洋模型FVCOM和第三代海浪模型SWAN,实现大气、海洋和海浪的三者实时耦合计算,同时采用卫星微波辐射资料AMSU-A,通过WRF大气模式的资料同化模块WRFDA,实现对风场模拟的连续同化,从而建立起大气-海洋-海浪耦合与卫星数据同化的W-F-S-A耦合同化模式。将该模型应用于2014年台风“威马逊”的数值模拟,并与其他模型进行比较。结果表明,W-F-S-A耦合同化模式对于台风路径和风速的模拟结果优于单独耦合和单独同化结果,并且可以较好地模拟上层海洋对台风的响应特征。

ATOVS不同卫星资料在台风模拟中的同化试验研究

利用美国国家大气研究中心(NCAR)开发的中尺度模式WRF(ARW)V3.2及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,以1011号超强台风"凡亚比"为个例,采用连续循环同化的方法对ATOVS卫星资料进行同化试验,探讨了同化ATOVS不同卫星资料对"凡亚比"模拟的影响。结果表明,强度影响方面:同化ATOVS不同资料均可有效改善台风强度,台风中心海平面气压平均偏差从42 hPa下降到18 hPa,但不同资料间的差异并不显著,平均在6 hPa以内,这表明仅同化ATOVS资料对台风强度的改善相对有限。路径影响方面:(1)不同卫星的同一种传感器资料效果略有不同,同化NOAA-18和NOAA-15的AMSU-A资料效果较好,NOAA-16的AMSU-A效果较差;同化NOAA-15和NOAA-16的AMSU-B资料效果相当,且均优于AMSU-A资料。(2)同一颗卫星不同传感器资料的差异较大,同化AMSU-B资料的改善较为明显,HIRS-3次之,AMSU-A较差,而同时同化不同资料并没有带来更为明显的改善。(3)同时同化多颗卫星ATOVS资料的试验表明,将多种资料引入到同化系统的同时,也带来相应的累积误差,因而仅同化一颗卫星可能比同时同化两颗或三颗卫星ATOVS资料的效果要好。

截断误差最小化的优化空间有限差分算子(英文)

气候和天气数值预测本质上都需建立在离散空间的基础上,并要求有高精度的空间离散化计算方案。然而,解析性微分算子和离散性差分算子的差异却是造成数值计算的原始误差源。作者根据约束性代价函数原理提出了能够使得截断误差最小化的中心差分优化算子。从最优化角度看,该算子本质上是以一种简单但却相当创新的方式尝试应用变分连续同化(VCA)技术来最小化大气模式中的空间截断误差。此外,该优化差分算子的设计不依赖于网格结构,即可应用在绝大多数Arakawa网格上,诸如非跳点网格(Arakawa—A)以及常规跳点网格(Arakawa—B,Arakawa—C,Arakawa—D)。但为了对优化差分算子精确性进行严格测定,该算子的基准试验结果是通过在截断误差最易被激发出来的非跳点网格上进行严格理论和实际数值模拟测试得到的。两者的结果都表明该优化差分算子截断误差造成的数字噪音能被减小到最小量。