基于一种新的集合插值的非凸紧集的细分概型

对A rtstein给出的度量平均的定义作了改进,给出一种新的集合插值,并基于这种新的集合插值,对相应的关于一般紧集的样条细分和插值细分分别作了研究,并给出了细分的收敛性性质.与此同时,将这种新的集合插值与基于度量平均的插值及基于M inkow sk i平均的插值分别作了比较,可以看出新的集合插值在某些方面具有更好的物理性质.

集合最优插值中的样本选取

背景误差协方差控制了分析向观测调整的幅度以及调整的结构,所以其对同化分析的质量起着至关重要的作用。对于集合同化方法而言,样本决定了背景误差协方差的分布。基于HYCOM海洋数值模式结果,针对集合最优插值方法,探讨了静态样本的选取和更新对背景误差协方差结构分布的影响,研究结果表明:由变量的原始状态数据估计的静态样本会夸大样本相关性,由扣除季节变化得到的距平数据统计出的静态样本能比较合理地反映背景误差协方差的结构;在季风控制区,具有季节变化的样本比静态样本更能适应背景误差协方差随流形分布的特征。同时一系列的同化试验也被实施来进一步调查不同样本对同化分析的影响。

HY-2卫星高度计波高资料在集合最优插值同化中的应用研究——以台风“Lipee”为例

基于海浪模式SWAN(Simulating Waves Nearshore),以台风"Lipee"为例,开展了集合最优插值(EnOI)同化HY-2卫星高度计有效波高(SWH)资料的台风浪数值预报影响研究。结果表明,利用HY-2卫星高度计波高资料结合EnOI方法进行同化,可有效改善海浪初始场质量,同化对绝对误差的改进可达15%,均方根误差改进14%。同化对预报误差、均方根误差都有一定程度的改进,其中在0~24h预报时效内的改进最为明显,绝对误差可改进12%,均方根误差改进13%。研究结果不仅可为海洋预报、同化提供参考,而且可为进一步加强HY-2卫星高度计资料的应用提供技术支持。

基于集合最优插值方法的南海北部海区的数据同化试验

基于ROMS(Regional Ocean Modeling System)模式建立一个南海北部集合最优插值的同化系统,并且利用2008年夏季SCOPE(Northern South China Sea Coastal Oceanographic Process Experiment)航次的温盐数据以及航次期间逐日OSTIA(Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis)数据进行同化试验。试验结果表明:同化较好地改善了海表温度的模拟,加强了南海北部的上升流,尤其是加强了珠江冲淡水的模拟,垂向定量的分析表明,温度整层都得到改善,表层改善达到30%,盐度在80 m以上得到明显改善,表层改善40%。此外,针对近岸卫星SST(sea surface temperature)和航次SST的不协调性问题以及不同观测数量对同化结果的影响,利用敏感性同化试验进行了初步探讨,结果显示:相对于剔除40 m以浅,同化所有区域内卫星SST资料能显著减小近岸区域的SST均方根误差(约51%);加密用于同化的SST数据量,如由每隔5个格点调整为每隔3个格点选取观测数据,也能在此基础上再减小SST的均方根误差(约9.1%),但二者的SST分布形态均与观测吻合。

集合最优插值方法在北印度洋海浪同化中的应用

基于第三代海浪模式WaveWatch Ⅲ,采用集合最优插值（EnOI）方法对北印度洋海浪进行同化数值实验研究。在集合样本选取方案上,针对不同的实验分别选取有效波高（SWH）的历史后报场（样本A）、24h变化（样本B）以及以同一时刻72h预报时效和24h预报时效的差异（样本C）用于估计背景误差协方差。样本A和样本B是为海浪模拟而设计,样本C是为海浪预报而设计;通过与由高度计数据确定的模式背景误差进行比较,认为样本B优于样本A。采用样本B对2011年北印度洋海浪场进行同化模拟,结果表明2011-03-11相对误差改进都在5%及以上,其中7月份改进效果最佳。采用样本C对2013-07的有效波高进行0~72h预报,发现同化使0~24h预报改进最明显：均方根误差改进0.12m,相对误差改进5%。浮标检验结果支持上述结论。

一种基于集合最优插值的排放源快速反演方法

基于集合卡尔曼滤波的源反演方法是估计排放源、提高空气质量模拟和预报精度的有效方法。为构建排放源与污染物浓度之间的误差协方差矩阵,该方法通常需要运行几十次大气化学传输模式。庞大的计算量限制了该方法的应用,使其无法为实时预报系统快速更新排放源。本研究发展了一种基于集合最优插值的排放源反演方法。该方法使用历史集合数据构建误差协方差矩阵,仅需一次常规的空气质量模拟便可根据观测模拟差异反演排放源,从而显著降低计算量。本文使用该方法同化2015年1月全国1107个地面站点观测的CO小时浓度数据,结合2014年1月的历史集合数据集,估计2015年1月全国15 km分辨率的CO排放源。该方案反演的全国CO排放总量仅比使用2015年1月集合数据集的反演量高1%,表明历史时段与反演时段的气象条件差异对月均CO排放的影响有限。使用历史集合数据集更新的排放源再次模拟可将全国349个独立验证站点的平均低估从0.74 mg m^(−3)降至0.01 mg m^(−3),均方根误差降低18%,表明该方法可快速更新排放源并降低其不确定性。

全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS的研制和初步评估试验

本研究发展了一个全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS。该系统是一个短期气候数值预测业务系统的子系统,为短期气候预测海气耦合模式提供全球海洋初始场。系统能够同化的观测资料包括卫星高度计资料、卫星海表温度(SST)资料,以及Argo、XBT、TAO等各种不同来源的现场温盐廓线资料。系统使用的海洋模式为中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室开发的气候系统海洋模式LICOM1.0,同化方案为集合最优插值(EnOI)方案。系统使用一个由海洋模式自由积分得到的静态样本来估计背景场误差协方差。这样的基于集合样本的背景场误差协方差具有多变量协变、各向异性的特征,且能反映海洋物理过程固有的空间尺度特征。针对EnOI同化程序的特点,开发了一套特色鲜明、负载均衡、高效的并行化同化程序。本文通过与不同类型观测资料的比较,对同化系统的性能进行了评估。通过比较海表温度和海面高度的年际变率,海表温度异常随时间的变化,SST、海面高度异常(SLA)以及次表层温盐预报产品的均方根误差,5年平均温度偏差廓线、平均盐度廓线、平均纬向流速廓线等发现:系统工作正常、同化效果较好;经过同化以后,各变量都更加接近观测,误差更小,与观测场的相关性更好,可以为短期气候预测系统提供较好的海洋初始场,也可以为物理海洋学的研究提供有效的再分析资料。

一个快速海洋三维温盐流分析系统及在亚丁湾临近海域的应用

开发了一个能快速估计三维海洋温盐流场的分析系统。这种系统以海洋数值模式多年积分的气候态结果作为背景场,通过多变量的集合最优插值同化方法利用现场观测和遥感卫星高度计及海表温度观测先对背景场进行偏差订正,以订正的背景场产生当前或瞬时的背景场,结合实时或近期观测通过集合最优插值方法得到三维海洋状态的估计。这种分析系统的优点是无需耗费时间去积分海洋数值模式,以较少的计算代价快速获得当前的海洋状态,便于某些应急事件的应用或不具备大型计算资源的地方(如舰船)。2009年这个系统被应用在亚丁湾临近海域,通过对分析结果的比较验证,表明开发的快速三维海洋温盐流分析系统具有比较好的性能。

面向大规模海洋数据同化算法的并行实现及优化

海洋数据同化是一种将海洋观测资料融合到海洋数值模式中的有效手段,经过同化的海洋数据更加接近海洋的真实情况,对人类理解和认识海洋具有重要意义。围绕海洋数据同化设计了一种基于区域分解的一般性并行实现方法。在此基础上,提出了一种基于IO代理的新并行算法。首先,IO代理进程负责数据的并行读取;接下来,IO代理进程对数据进行切块,然后将块数据发送给相应的计算进程;当计算进程完成局部数据同化后,IO代理进程负责收集计算进程的同化结果,并将其写入磁盘。该方法的主要优势在于:利用IO代理进程来负责IO,而不是像传统方法那样让所有进程都来参与IO(直接并行IO),这样可以防止大量进程对磁盘的同时访问,有效避免进程排队所导致的等待。在天河二号集群上的测试结果表明,对于1度分辨率的数据同化,在核心数为425时,该并行实现的总运行时间为9.1 s,相对于传统串行程序的加速比接近38倍。此外,对于0.1度分辨率的数据同化,基于IO代理的并行同化算法在使用10 000核时依然具有较好的可扩展性,并且可将其IO时间最大限制在直接并行IO时间的1/9。

不同矩阵分解方法对海洋数据同化的影响

在海洋数据同化领域,集合最优插值方法中,矩阵求逆过程所使用的奇异值分解(singular value decomposition,SVD)十分耗时。对集合最优插值中逆矩阵的求逆过程进行优化,分别使用LU分解、Choleskey分解、QR分解来替代SVD分解。首先,通过LU分解(Choleskey分解或QR分解)得到相应的三角矩阵(或正交矩阵);然后,利用分解后的矩阵来实现相关逆矩阵的计算。由于LU分解、Choleskey分解、QR分解的算法复杂度都远小于SVD分解,因此改进后的同化程序能得到大幅度的性能提升。数值结果表明,所采用的三种矩阵分解方法相比于SVD分解,都能将集合最优插值的计算效率提升至少两倍以上。值得一提的是,在四种矩阵分解中Choleskey分解使得整个同化程序的性能达到了最优。

A weakly coupled data assimilation system of a coupled physical–biological model for the northeastern South China Sea

南海东北部沿岸海域在每年夏季都存在显著的物理过程(如上升流,珠江冲淡水)和活跃的生物过程,这些基本的物理场和生物场要素对沿岸海域的研究起关键作用。本文在一适应于南海东北部的物理生物耦合模式的基础上建立了一个弱约束的EnOI耦合同化系统。开展的SST同化试验结果表明,物理过程存在合理的响应,且近海上升流区的海洋生态变量对物理变量的同化也有响应。

西北太平洋及印度洋三维温盐流数值预报业务系统构建及预报检验

基于HYCOM海洋模式和集合最优插值(En OI)同化方法,开发了一套西北太平洋及印度洋三维温盐流数值预报业务系统(IAPos),2016年5月开始进行业务试验,并对业务试验的结果与原有的三维温盐流数值预报系统(wyl V2)进行对比检验,从检验结果看:在中国近海,IAPos系统的预报效果,较wyl V2有非常显著的改善,但对不同预报变量、不同垂直层、不同区域也有一些差异。整体来说,IAPos系统的预报性能较好。