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The Impact of Nonlinear Stability and Instability on the Validity of the Tangent Linear Model 被引量:11
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作者 穆穆 郭欢 +1 位作者 王佳峰 李勇 《Advances in Atmospheric Sciences》 SCIE CAS CSCD 2000年第3期375-390,共16页
The impact of nonlinear stability and instability on the validity of tangent linear model (TLM) is investigated by comparing its results with those produced by the nonlinear model (NLM) with the identical initial pert... The impact of nonlinear stability and instability on the validity of tangent linear model (TLM) is investigated by comparing its results with those produced by the nonlinear model (NLM) with the identical initial perturbations. The evolutions of different initial perturbations superposed on the nonlinearly stable and unstable basic flows are examined using the two-dimensional quasi-geostrophic models of double periodic-boundary condition and rigid boundary condition. The results indicate that the valid time period of TLM, during which TLM can be utilized to approximate NLM with given accuracy, varies with the magnitudes of the perturbations and the nonlinear stability and instability of the basic flows. The larger the magnitude of the perturbation is, the shorter the valid time period. The more nonlinearly unstable the basic flow is, the shorter the valid time period of TLM. With the double—periodic condition the valid period of the TLM is shorter than that with the rigid—boundary condition. Key words Nonlinear stability and instability - Tangent linear model (TLM) - Validity This work was supported by the National Key Basic Research Project “Research on the Formation Mechanism and Prediction Theory of Severe Synoptic Disasters in China” (No.G1998040910) and the National Natural Science Foundation of China (No.49775262 and No.49823002). 展开更多
关键词 Nonlinear stability and instability tangent linear model (TLM) Validity
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GRAPES全球切线性和伴随模式的调优 被引量:24
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作者 刘永柱 张林 金之雁 《应用气象学报》 CSCD 北大核心 2017年第1期62-71,共10页
伴随技术是四维变分同化(4DVar)系统中计算代价函数梯度的最佳办法,切线性和伴随模式的效果和效率直接影响着4DVar系统的发展。基于GRAPES(Global and Regional Assimilation PrEdiction System)全球切线性和伴随模式1.0版本,利用GRAPE... 伴随技术是四维变分同化(4DVar)系统中计算代价函数梯度的最佳办法,切线性和伴随模式的效果和效率直接影响着4DVar系统的发展。基于GRAPES(Global and Regional Assimilation PrEdiction System)全球切线性和伴随模式1.0版本,利用GRAPES全球模式2.0版本在并行框架和性能等方面的改善,重新优化和设计了GRAPES全球切线性伴随模式2.0版本,提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的效果和效率,优化了切线性模式程序结构,使其计算时间最优可控制在非线性模式的1.2倍以内;采用在切线性模式中保存基态的方法,重构了伴随模式的程序结构,使其计算时间最优控制在非线性模式的1.5倍以内;在GRAPES全球切线性物理过程的设计中,将线性物理过程的轨迹基态计算和切线性扰动计算解耦,提高了G-RAPES全球切线性和伴随模式的计算效果和效率。 展开更多
关键词 切线性模式 伴随模式 四维变分同化 GRAPES模式
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线性化物理过程对GRAPES 4DVAR同化的影响 被引量:14
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作者 刘永柱 龚建东 +1 位作者 张林 陈起英 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第2期196-209,共14页
线性化物理过程能够改善四维变分同化中极小化收敛的稳定性和增加极小化过程中对大气物理过程和动力更加精确的描述,它是四维变分同化中非常重要的一部分。通过在GRAPES全球模式中研究线性化物理过程,尤其是两个湿线性化物理过程,改善... 线性化物理过程能够改善四维变分同化中极小化收敛的稳定性和增加极小化过程中对大气物理过程和动力更加精确的描述,它是四维变分同化中非常重要的一部分。通过在GRAPES全球模式中研究线性化物理过程,尤其是两个湿线性化物理过程,改善切线性模式预报精度,来提高GRAPES全球四维变分同化的分析和预报效果。线性化物理过程的开发首先需要简化原非线性化物理过程中的强非线性项,然后对线性化物理过程进行规约化,以抑制切线性扰动的异常增长。目前GRAEPS全球模式中的线性化物理过程主要包括次网格尺度地形参数化、垂直扩散、积云深对流和大尺度凝结。线性化物理过程预报精度的检验方法是通过选择合适大小的初始扰动(同化分析增量),来比较非线性模式和切线性模式中的扰动演化的纬向平均误差。然后以绝热版本的切线性模式为基础,通过冬、夏两个个例试验来分别检验4个线性化物理过程的12 h预报效果。试验结果表明,通过添加次网格地形参数化和垂直扩散两个干线性化物理过程方案,可以有效抑制住绝热版本切线性模式低层扰动的异常增长,大幅度改善切线性模式预报效果。通过添加积云深对流和大尺度凝结两个湿线性化物理过程,可以在热带区域和中、高纬度地区提高切线性模式中湿变量和温度变量的近似精度,提高GRAPES全球四维变分同化的分析和预报效果。 展开更多
关键词 线性化物理过程 切线性模式 GRAPES模式 四维变分同化
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GRAPES全球奇异向量方法改进及试验分析 被引量:17
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作者 李晓莉 刘永柱 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第3期552-562,共11页
基于总能量模的奇异向量扰动常用于构造集合预报的初始条件。以建立GRAPES(Global and Regional Assimilation PrEdiction System)全球集合预报系统为目的,基于前期研发的GRAPES全球模式奇异向量方法,在GRAPES全球切线性模式和伴随模式... 基于总能量模的奇异向量扰动常用于构造集合预报的初始条件。以建立GRAPES(Global and Regional Assimilation PrEdiction System)全球集合预报系统为目的,基于前期研发的GRAPES全球模式奇异向量方法,在GRAPES全球切线性模式和伴随模式2.0版的框架下,开展了引入线性化边界层方案来改善奇异向量结构,并提高奇异向量计算效率的研究。通过连续试验,从奇异向量的扰动能量结构、扰动能量谱及扰动空间分布等方面,综合分析改进GRAPES全球奇异向量的结构及演变特征。试验结果表明,改进后的GRAPES奇异向量方法有效抑制了之前扰动能量在近地面层不合理的快速增长,同时,奇异向量最优扰动的结构更客观地体现了中高纬度区域大气初始条件中的斜压不稳定扰动及其演变,如在初始时刻奇异向量扰动能量主要位于对流层中层,并呈现出随高度向西倾斜的大气斜压特征;经过线性化演变,扰动能量向较大水平尺度转移,并在垂直结构上表现出向对流层高层上传及向对流层低层下传的特征等。针对GRAPES奇异向量迭代求解中伴随模式计算耗时为主的情况,改进伴随模式中广义共轭余差方案的调用方式,并采用大内存存储法来提高其计算效率,进而将奇异向量总计算时间缩短了25%。总之,改进后的GRAPES奇异向量方法,可应用于构建面向业务应用的GRAPES全球集合预报系统。 展开更多
关键词 奇异向量 线性化边界层方案 GRAPES模式 切线性模式
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二维浅水波并行模式的伴随 被引量:1
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作者 曹小林 宋君强 孙安香 《国防科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2003年第2期41-45,共5页
以二维浅水波为例,详细探讨如何开发并行模式的切线性模式和伴随模式。切线性模式的并行机制和原始模式一致,而伴随模式不同。三个模式采用一致的数据剖分方法可提高并行效率。在集群并行计算机系统上采用一维数据剖分,切线性模式的通... 以二维浅水波为例,详细探讨如何开发并行模式的切线性模式和伴随模式。切线性模式的并行机制和原始模式一致,而伴随模式不同。三个模式采用一致的数据剖分方法可提高并行效率。在集群并行计算机系统上采用一维数据剖分,切线性模式的通信量与原始模式相当,而计算量几乎是原始模式的2倍;伴随模式的通信量大约是原始模式的2倍,而计算量几乎是原始模式的3倍。在三个模式中,切线性模式的加速比最大。 展开更多
关键词 并行模式 切线性模式 伴随模式 计算量 通信量
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改进的切线性模式对一个边界层模式变分资料同化的改善(英文) 被引量:4
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作者 朱江 王辉 Masafumi Kamachi 《Advances in Atmospheric Sciences》 SCIE CAS CSCD 2002年第4期563-582,共20页
The strong nonlinearity of boundary layer parameterizations in atmospheric and oceanic models can cause difficulty for tangent linear models in approximating nonlinear perturbations when the time integration grows lon... The strong nonlinearity of boundary layer parameterizations in atmospheric and oceanic models can cause difficulty for tangent linear models in approximating nonlinear perturbations when the time integration grows longer. Consequently, the related 4—D variational data assimilation problems could be difficult to solve. A modified tangent linear model is built on the Mellor-Yamada turbulent closure (level 2.5) for 4-D variational data assimilation. For oceanic mixed layer model settings, the modified tangent linear model produces better finite amplitude, nonlinear perturbation than the full and simplified tangent linear models when the integration time is longer than one day. The corresponding variational data assimilation performances based on the adjoint of the modified tangent linear model are also improved compared with those adjoints of the full and simplified tangent linear models. 展开更多
关键词 data assimilation tangent linear models adjoint models mixed layer
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随机双曲正切模型的鲁棒H_∞控制 被引量:2
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作者 王以忠 张化光 《东北大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第1期5-8,共4页
研究了具有时变时滞的一种新颖模型——随机双曲正切模型的鲁棒可镇定和鲁棒控制问题.基于线性矩阵不等式和Lyapunov-Krasovskii方法,提出了时滞依赖的稳定性准则,由此进一步给出了鲁棒非线性状态反馈控制律,相应的控制器可保证闭环系... 研究了具有时变时滞的一种新颖模型——随机双曲正切模型的鲁棒可镇定和鲁棒控制问题.基于线性矩阵不等式和Lyapunov-Krasovskii方法,提出了时滞依赖的稳定性准则,由此进一步给出了鲁棒非线性状态反馈控制律,相应的控制器可保证闭环系统是均方意义下渐近稳定的.对于H∞控制问题,一种鲁棒H∞控制器的设计方法被提出,它对于给定的H∞性能指标能够保证闭环系统是均方意义下渐近稳定的.最后用一个设计示例和仿真结果验证了本文提出的方法的有效性. 展开更多
关键词 鲁棒 H∞控制 随机双曲正切模型 时滞 线性矩阵不等式
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Finite-Time Normal Mode Disturbances and Error Growth During Southern Hemisphere Blocking
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作者 Jorgen S.FREDERIKSEN 《Advances in Atmospheric Sciences》 SCIE CAS CSCD 2005年第1期69-89,共21页
The structural organization of initially random errors evolving in abarotropic tangent linear model, with time-dependent basic states taken from analyses, is examinedfor cases of block development, maturation and deca... The structural organization of initially random errors evolving in abarotropic tangent linear model, with time-dependent basic states taken from analyses, is examinedfor cases of block development, maturation and decay in the Southern Hemisphere atmosphere duringApril, November, and December 1989. The statistics of 100 evolved errors are studied for six-dayperiods and compared with the growth and structures of fast growing normal modes and finite-timenormal modes (FTNMs). The amplification factors of most initially random errors are slightly lessthan those of the fastest growing FTNM for the same time interval. During their evolution, thestandard deviations of the error fields become concentrated in the regions of rapid dynamicaldevelopment, particularly associated with developing and decaying blocks. We have calculatedprobability distributions and the mean and standard deviations of pattern correlations between eachof the 100 evolved error fields and the five fastest growing FTNMs for the same time interval. Themean of the largest pattern correlation, taken over the five fastest growing FTNMs, increases withincreasing time interval to a value close to 0.6 or larger after six days. FTNM 1 generally, but notalways, gives the largest mean pattern correlation with error fields. Corresponding patterncorrelations with the fast growing normal modes of the instantaneous basic state flow aresignificant' but lower than with FTNMs. Mean pattern correlations with fast growing FTNMs increasefurther when the time interval is increased beyond six days. 展开更多
关键词 normal modes finite-time normal modes BLOCKING tangent linear model pattern correlations
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GRAPES-CUACE伴随模式构建及其在北京地区黑碳和臭氧溯源分析中的应用
9
作者 安兴琴 王超 +1 位作者 金敏 李江涛 《三峡生态环境监测》 2020年第3期53-61,共9页
伴随方法是一种高效的敏感性分析方法,在大型非线性复杂系统的敏感性计算中有着显著的优势。依据伴随理论,基于大气化学模式GRAPES-CUACE(global-regional assimilation and prediction system coupled with the CMA unified atmospheri... 伴随方法是一种高效的敏感性分析方法,在大型非线性复杂系统的敏感性计算中有着显著的优势。依据伴随理论,基于大气化学模式GRAPES-CUACE(global-regional assimilation and prediction system coupled with the CMA unified atmospheric chemistry environment forecasting system),建立了气溶胶模块和气体模块的伴随模式,并对其进行了正确性测试。结合黑碳气溶胶(black carbon aerosol,BC)及臭氧(O3)浓度观测数据,分别利用气溶胶和气体伴随模块进行了数值模拟及源-浓度的敏感性实验。结果表明:CUACE模式能较好地模拟BC浓度的日变化过程。利用气溶胶伴随模式模拟分析了目标函数(观测浓度与模拟浓度差值)关于BC排放源的敏感性,发现敏感性与浓度差值成正比关系。气体伴随模型的敏感性分析表明,若要减小2015年7月7日08:00至8日07:00北京顺义站O3模拟浓度与观测浓度的差异,需要对NOx和VOCs排放源分布进行调整,即在当前状态减小区域内的NOx排放源以及增大对应网格点的VOCs排放源,再结合优化算法即可得到合理的排放源分布。本文开发的GRAPES-CUACE气溶胶伴随和气体伴随模块能够有效地针对气溶胶和气体进行敏感性分析,为下一步构建完整的GRAPES-CUACE大气化学四维变分同化系统以及污染源反演工作奠定了基础。 展开更多
关键词 切线性 伴随模型 目标函数 排放量 敏感性分析
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MPAS动力框架和伴随模式简介以及未来扩展和应用
10
作者 邹晓蕾 《气象科技进展》 2021年第3期35-39,共5页
跨尺度大气预报模式(MPAS-A)的动力学框架是非结构化的球面质心Voronoi网格,它代表了过去几十年来数值天气预报最重要进展之一。MPAS-A具有开放性、计算机程序和文件规范性、科学性及先进性等特点,因此可选其作为未来全球四维变分资料... 跨尺度大气预报模式(MPAS-A)的动力学框架是非结构化的球面质心Voronoi网格,它代表了过去几十年来数值天气预报最重要进展之一。MPAS-A具有开放性、计算机程序和文件规范性、科学性及先进性等特点,因此可选其作为未来全球四维变分资料同化系统模式,目前已经发展了MPAS-A的切线线性模式和伴随模式。选择MPAS-A为全球四维变分资料同化系统模式,不仅可以避免MPAS-A预报模式网格与资料同化网格之间的来回插值所产生的误差,减少每次极小化迭代时MPAS-A模式变量与资料同化分析变量之间的转换所需计算时间,同时也为非结构化球面质心网格的跨尺度全球资料同化研究提供新机遇。 展开更多
关键词 跨尺度大气预报模式MPAS-A 切线线性模式 伴随模式 跨尺度全球资料同化未来系统
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基于BTSM-LDA的口形动态特征及多流异步音视频语音识别
11
作者 吕国云 赵荣椿 +3 位作者 蒋冬梅 H.Sahli 樊养余 W.Verhelst 《数据采集与处理》 CSCD 北大核心 2008年第4期397-403,共7页
引入一种基于贝叶斯切线形状模型(BTSM)的口形轮廓特征提取和基于线性判别分析(LDA)的视觉语音动态特征提取方法,该特征充分体现了口形特征变化的动态性,消除了直接口形轮廓几何特征的冗余。同时采用一种新颖的多流异步动态贝叶... 引入一种基于贝叶斯切线形状模型(BTSM)的口形轮廓特征提取和基于线性判别分析(LDA)的视觉语音动态特征提取方法,该特征充分体现了口形特征变化的动态性,消除了直接口形轮廓几何特征的冗余。同时采用一种新颖的多流异步动态贝叶斯网络(MS—ADBN)模型来实现音视频的连续语音识别,该模型在词节点级别体现了音视频流的同步异步性。识别实验结果表明:采用LDA视觉语音动态特征的系统性能明显优于静态的口形轮廓几何特征,在语音信噪比为0~30dB的测试环境下,融合LDA视觉特征的MS—ADBN模型比多流异步HMM的平均识别率提高4.92%,说明MS—ADBN模型更好地表达了音视频流之间的异步关系。 展开更多
关键词 动态贝叶斯网络 语音识别 贝叶斯切线形状模型 多流异步 线性判别分析
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针对C语言的自动微分系统及其应用 被引量:2
12
作者 张春晖 程强 曹建文 《计算机应用研究》 CSCD 北大核心 2009年第1期155-158,171,共5页
采用切线性模式和代码转换策略,开发了C语言自动微分转换系统(DTC),用于牛顿法求解非线性方程中Jacobi矩阵—向量乘积计算。介绍系统计算模型、功能、特色,并讨论系统的设计与实现技术,包括编译技术、微分代码转换及输入/输出(I/O)相关... 采用切线性模式和代码转换策略,开发了C语言自动微分转换系统(DTC),用于牛顿法求解非线性方程中Jacobi矩阵—向量乘积计算。介绍系统计算模型、功能、特色,并讨论系统的设计与实现技术,包括编译技术、微分代码转换及输入/输出(I/O)相关分析。最后给出了几个具有说服力的测试与应用。 展开更多
关键词 自动微分 切线性模式 JACOBI矩阵
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Impact of Analysis-time Tuning on the Performance of the DRP-4DVar Approach 被引量:1
13
作者 赵娟 王斌 刘娟娟 《Advances in Atmospheric Sciences》 SCIE CAS CSCD 2011年第1期207-216,共10页
In this study we extend the dimension-reduced projection-four dimensional variational data assimilation (DRP-4DVar) approach to allow the analysis time to be tunable, so that the intervals between analysis time and ... In this study we extend the dimension-reduced projection-four dimensional variational data assimilation (DRP-4DVar) approach to allow the analysis time to be tunable, so that the intervals between analysis time and observation times can be shortened. Due to the limits of the perfect-model assumption and the tangentlinear hypothesis, the analysis-time tuning is expected to have the potential to further improve analyses and forecasts. Various sensitivity experiments using the Lorenz-96 model are conducted to test the impact of analysistime tuning on the performance of the new approach under perfect and imperfect model scenarios, respectively. Comparing three DRP-4DVar schemes having the analysis time at the start, middle, and end of the assimilation window, respectively, it is found that the scheme with the analysis time in the middle of the window outperforms the others, on the whole. Moreover, the advantage of this scheme is more pronounced when a longer assimilation window is adopted or more observations are assimilated. 展开更多
关键词 DRP-4DVar analysis-time tuning perfect-model assumption tangent-linear hypothesis
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自动微分转换系统及其应用 被引量:1
14
作者 程强 王斌 马再忠 《数值计算与计算机应用》 CSCD 北大核心 2003年第4期276-284,共9页
§1.引言 计算微分大致经历了从差商微分,符号微分,手写代码到自动微分几个阶段,与其它几种微分方法相比,自动微分具有代码简练、计算精度高及投入人力少等优点.自动微分实现的基本出发点是:一个数据相对独立的程序对象(模式、过程... §1.引言 计算微分大致经历了从差商微分,符号微分,手写代码到自动微分几个阶段,与其它几种微分方法相比,自动微分具有代码简练、计算精度高及投入人力少等优点.自动微分实现的基本出发点是:一个数据相对独立的程序对象(模式、过程、程序段、数值语句乃至数值表达式)无论多么复杂,总可以分解为一系列有限数目的基本函数(如sin,exp,log)和基本运算操作(加、减、乘、除、乘方)的有序复合.对所有这些基本函数及基本运算操作,重复使用链式求导法则,将得到的中间结果自上而下地做正向积分就可以建立起对应的切线性模式,自下而上地做反向积分就可以建立起对应的伴随模式[1].基于自动微分方法得到的切线性模式和伴随模式,在变分资料同化[2]、系统建模与参数辨识[3]、参数的敏感性分析[4]、非线性最优化以及数值模式的可预测性分析[5]等问题中有着十分广泛的应用. 展开更多
关键词 自动微分转换系统 可靠性 有效性 二元归约法 DFT系统
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自动微分方法在XIAMEN软件优化中的应用 被引量:2
15
作者 陈晓宇 程强 +2 位作者 宋金帅 迟学斌 吴玮 《数值计算与计算机应用》 CSCD 北大核心 2009年第1期21-29,共9页
比起有限差分方法来,运用自动微分方法计算函数的梯度在计算时间和计算精度方面都具有明显的优势.使用伴随模式计算函数的梯度,在XIAMEN软件优化中得到了明显的加速效果.使用ADG系统自动生成伴随模式,大大降低了伴随模式的开发时间和难... 比起有限差分方法来,运用自动微分方法计算函数的梯度在计算时间和计算精度方面都具有明显的优势.使用伴随模式计算函数的梯度,在XIAMEN软件优化中得到了明显的加速效果.使用ADG系统自动生成伴随模式,大大降低了伴随模式的开发时间和难度.重点讨论了伴随模式实现的几个关键难题,并给出了几个典型应用的数值结果. 展开更多
关键词 自动微分 梯度 切线性模式 伴随模式
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