基于一个全球谱模式的集合Kalman滤波同化系统研究

摘要

自上世纪90年代末集合Kalman滤波(EnKF)方法开始应用于大气资料同化领域以来,无论是在理论研究方面,还是实际应用方面都有了较大进展,取得了许多有意义的研究成果。国内对中期数值天气预报的研究已逾二十余载,同时中期数值预报模式的资料同化研究工作也随之在进行,目前的同化方法为3D-Var,但是基于集合Kalman滤波的中期数值预报模式的资料同化研究工作还在探索阶段。本文主要围绕一个中期数值预报谱模式T106L19,通过同化实际的常规观测资料和实际的ATOVS卫星资料,探讨了在全球中期数值预报系统中集合Kalman滤波同化方法的可行性,发展了一个基于中期数值预报模式的集合Kalman滤波同化预报系统。论文主要结论如下:1.基于一个全球中期数值预报模式,发展了一个同化常规观测资料和ATOVS卫星资料的集合Kalman滤波同化系统。2.对于常规资料同化,EnKF同化使分析场明显向观测靠近,尤其在对流层效果更加明显;其分析误差主要集中在槽、脊线附近,南半球因观测稀少误差较大。将T106L19-EnKF同化/预报效果与T106L19模式原有的客观分析系统01(T106L19-OI)的同化/预报效果相比较:从分析场看,在北半球中高纬(NH)地区和热带、副热带(TR)地区,T106L19-EnKF分析场误差比T106L19-OI的分析场误差小一些,而在南半球中高纬(SH)地区,T106L19-EnKF分析场误差与T106L19-OI的分析场误差基本相同;从预报场来看,随着预报时间的增长,预报场的误差一直在增加,在SH和NH地区差误增长较快,TR地区误差增长较慢;在TR和NH地区,T106L19-EnKF的预报效果要比T106L19-OI的预报效果好一些,但在SH地区未显出优势。3.参照已有的TOVS和ATOVS偏差订正方法,结合本系统所用的卫星ATOVS辐射产品的特征,发展了一个适合T106L19模式的ATOVS偏差订正处理系统,该系统作用是在ATOVS卫星资料同化之前,对该资料进行偏差订正。偏差订正后,观测残差的分布形状更趋于高斯分布,其峰值更向零值靠近了。4.在常规资料同化的基础上,加入经过偏差订正和质量控制的卫星资料之后不但在常规资料稀少的南半球,而且在常规资料相对较多的北半球分析场都有明显改善。T106L19-EnKF的同化效果在全球绝大部分区域明显好于T106L19-01的同化效果;从预报效果来看,在热带、副热带和北半球中高纬地区,T106L19-EnKF的预报效果要比T106L19-OI的预报效果好一些,在SH地区预报前三天未显出优势。5.为了更好的检验T106L19-EnKF的同化/预报效果,将T106L19-EnKF同化用于台风“派比安”个例的路径预报。从对台风“派比安”个例的路径预报上来看,相对于T106L19-EnKF只同化常规资料,T106L19-OI只同化常规资料和T106L19-OI同化了常规资料和卫星资料三者,以T106L19-EnKF同化常规资料和卫星资料的分析场为初始场进行预报的台风路径与最佳观测路径吻合的最好,500 hPa环流场也与“真实场”较一致。

目录

摘要

Abstract

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 资料同化方法

1.3 集合卡尔曼滤波的研究进展

1.4 论文研究的主要内容和创新点

1.5 论文各章节安排

第二章 集合Kalman滤波理论和方法

2.1 引言

2.2 集合Kalman滤波的主要思路和计算流程

2.2.1 卡尔曼滤波(Kalman Filter)

2.2.2 Kalman滤波的特点

2.2.3 扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter)

2.3 集合同化理论

2.3.1 集合Kalman滤波理论

2.3.2 集合Kalman滤波分析过程

2.3.3 集合Kalman滤波的优点

2.3.4 集合Kalman滤波的存在问题

2.3.5 集合Kalman滤波分析算法

2.4 小结

第三章 T106L19模式介绍与EnKF系统构建

3.1 引言

3.2 预报模式—T106L19模式简介

3.2.1 模式动力框架

3.2.2 物理参数化方案

3.2.3 正规模初始化

3.2.4 客观分析系统

3.3 EnKF同化系统构建

3.3.1 EnKF常规资料同化系统构建

3.3.2 EnKF卫星资料同化系统构建

3.3.3 集合预报系统

3.4 小结

第四章 常规资料同化

4.1 引言

4.2 初始样本生成方法和检验

4.2.1 初始样本生成方法

4.2.2 初始样本的检验

4.3 常规观测资料介绍

4.4 滤波发散问题讨论

4.5 局地化问题讨论

4.5.1 水平局地化

4.5.2 垂直局地化

4.6 常规资料同化试验

4.6.1 多层资料同化试验

4.6.2 单层资料同化试验

4.6.3 常规资料(多层资料和单层资料)同化试验

4.6.4 T106L19-EnKF同化与T106L19-OI同化比较

4.7 常规资料同化/预报结果分析

4.8 小结

第五章 ATOVS卫星资料同化

5.1 引言

5.2 ATOVS资料偏差订正与质量控制

5.2.1 ATOVS资料介绍

5.2.2 大气辐射传输模式简介

5.2.3 偏差订正方法

5.2.4 质量控制

5.2.5 通道选择

5.2.6 偏差订正结果对比

5.3 偏差订正对卫星资料同化的影响

5.4 加入卫星资料前后的同化效果比较

5.4.1 加入卫星资料前后的T106L19-EnKF同化比较

5.4.2 加入卫星资料前后的T106L19-OI同化比较

5.4.3 加入卫星资料的T106L19-OI同化与T106L19-EnKF同化比较

5.5 台风"派比安"的路径预报

5.5.1 "派比安"过程简介

5.5.2 "派比安"路径预报

5.6 小结

第六章 总结与展望

6.1 论文的主要研究结论

6.2 需要进一步研究的问题

参考文献

致谢

已发表和待发表论文