变分同化

摘要： 传统变分同化方法中使用各向同性和均质的背景场误差协方差,忽略了背景场误差协方差的天气系统依赖性,而在变分框架下引入集合流依赖的背景场误差协方差还需要额外的集合预报。为在变分同化中引入更合理的背景场误差协方差,通过引入云指数构建“云依赖”背景场误差协方差,提出了一种云依赖背景场误差协方差的同化方案,并应用于雷达等多源观测资料同化。基于云依赖背景场误差协方差的资料同化方案,开展了一系列单点观测试验、梅雨期批量循环同化预报试验以及降雨个例详细诊断分析。从单点观测试验看,云依赖背景场误差协方差可以实时动态地调整各格点背景场误差,使分析增量具有明显的各向异性和对云雨特征的依赖;批量循环同化与预报试验表明采用云依赖背景场误差协方差的雷达资料同化可以稳定提高降水预报能力,对大量级降水评分的改善尤为明显;对强对流暴雨过程的诊断进一步表明,云依赖背景场误差协方差的应用改进了动力、热力、水汽和水凝物场的预报。基于云依赖背景场误差协方差的同化方案,能在变分同化框架下引入更符合实时天气特征的背景场误差协方差信息,为更好地同化高分辨率雷达资料提供了基础,有效提高了降雨预报的效果。

摘要： 误差是变分同化过程中不可避免的话题,背景场误差和观测场误差又是整个同化过程误差的主要部分。论文通过简单地对变分同化基本原理、背景误差协方差矩阵以及观测误差协方差矩阵建模之后,通过数值模拟实验,分析了背景误差系数和观测误差系数变化给同化带来的影响,结果表明,无论哪种误差系数,系数越大,同化质量越低,波动越大,但是并不影响整个同化过程对的收敛性。

摘要： 多普勒激光雷达因高精度测量、高空分辨率等特点对晴空天气的风场探测具有重要应用价值,但多普勒激光雷达只能获取径向风速,必需进行风场反演.介绍了单部和多部多普勒激光雷达的风场反演技术的国内外进展及优缺点,其风场反演算法主要在微波雷达的基础上进行优化和创新.结果表明,单部多普勒激光雷达中变分方法是最有前途的方法;早期多部雷达普遍存在同一性的问题,对多部多普勒激光雷达也没有提出更有效的方法,变分方法的提出使得单部雷达和多部雷达不再有根本的区别,同化方法成为今后的研究重点(典型方法是变分同化).

摘要： 通过引入变分同化算法,结合高斯烟团模型,对化学爆炸后的质量浓度扩散分布进行了数值模拟研究.在对源项误差和风场误差的研究中,通过变分同化效果图和均方根误差走势图分析,将均方根误差分别从380μg·m-3减小到50μg·m-3,从200μg·m-3减小到90μg·m-3,并减小了波动程度,证明了变分同化的有效性和可行性.

摘要： 通过引入变分同化算法,进行化学危害预测研究,不仅可以实现对预测模型结果的优化,还可以为下一步态势评估做出指导.论文在解决化学危害问题的背景下,引入变分同化方法,结合基础的高斯扩散模型的两种形式,对该问题进行了研究分析.通过对背景误差协方差,观测误差协方差,最优化算法以及扩散参数的分析研究,设计化学危害变分同化方案,进行了数学建模.随后通过Matlab平台编程,对所建模型进行了数值实验,做了示例分析,结果表明经过同化后的浓度预测场有效降低了预测误差,达到收敛.

摘要： 基于ATOVS辐射率资料和GTS常规观测资料融合,通过不同化任何观测资料的控制试验、3DVAR同化试验和ETKF-3DVAR混合同化试验,对2013年7月4-5日一次梅雨锋暴雨天气过程进行模拟分析.结果表明:混合同化方案能够明显地提高暴雨预报准确率,且有效改善了风场、温度场和相对湿度场等各个气象要素的初始场结构,而这些气象要素对于暴雨的预报准确性具有重要作用.且混合同化方案对于中低层大气改进效果较为明显.在数值积分过程中,随着时间的推移,混合同化方案的优势逐渐减弱.

摘要： 卫星微波垂直探测器的辐射观测资料在数值预报中的同化应用使得数值预报水平有了巨大的飞跃.微波资料的质量控制是保证观测资料成功同化的关键所在.文章提出一种基于AMSU-A(Advanced Microwave Sounding Unit-A)辐射亮温资料梯度信息的新质量控制方法,将亮温梯度距平值明显较大的资料作为被降水污染或因为其他原因出现的“坏”的资料.利用中尺度非静力WRF(Weather Research and Forecasting)模式和区域三维变分同化,针对“海鸥”(2008)和“圆规”(2010)2个个例,对比旧质量控制中的降水检测和阈值检测方法,评估该方法用于AMSU-A资料同化时对台风数值模拟的情况.研究表明,旧质量控制方法将会使一些“坏”的微波观测资料同化进入模式,降低模式分析场的质量,进而导致同化结果有较大误差.相对于旧方法获得的分析场,利用基于亮温梯度信息的质量控制方法可使更多“坏”的观测剔除,同化后模式初始时刻的位势高度场和风场更接近于真实情况.与传统AMSU-A辐射资料的同化相比,新质量控制方案使2个台风路径数值模拟的偏差有明显的减小:“海鸥”个例中,模拟台风路径误差的最大改善比为12,路径误差改善约540km;“圆规”个例的最大改善比为13,模拟路径误差减小118km.%Quality control (QC) is a key for microwave sounding radiance data assimilation in numerical weather prediction (NWP) models.In this study,a new approach of QC for Advanced Microwave Sounding Unit-A (AMSU-A) radiance was developed by introducing brightness temperature gradient of view point.In this approach,the data were considered to be contaminated by precipitation if their gradients were anomalously large,and would be discarded.Two typhoon cases,Kalmaegi in 2008 and Kompasu in 2010,were simulated by WRF (Weather Research and Forecasting) model to see the impacts of the new QC method on AMSU-A radiance.In the new QC cases,as the contaminated data removed from the three-dimensional variational assimilation (3DVar),the tracks of both typhoons were much closer to the observations due to the increments of initial geopotential height and wind fields.In addition,the typhoons' intensities were much closer to the observations with more reasonable temperature field for the warm structure of typhoon core development.In the original cases,with much more contaminated AMSU-A radiance in WRF,both typhoons' tracks and intensities were much worse simulated.An improvement ratio to simulated track error was 12,that is an improvement to 540 km compared to the track without AMSU-A radiance assimilated,in the Kalmaegi case.And the ratio was 13 with 118 km improvement to simulated track in the Kompasu case.

摘要： 地基GPS天顶总延迟由于其解算误差来源少于目前广泛应用的可降水量资料,其同化应用将会为数值预报初值场更好地提供大气信息.面向同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案的研发将会有效推进该资料在中国数值预报中的广泛应用.基于2013-2014年华北地区天顶总延迟观测资料,发展了一套针对数值预报同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案.该方案从测站稳定性和解算精度、离群值、系统偏差及标准差等考察点切入,从不同角度检查和标记出致使观测序列统计特性偏离高斯分布特征的样本.质量控制后序列统计特征量更接近三维变分系统对观测资料的性质假设,表明了所建立质量控制方案的合理性.基于北京市气象局数值预报业务系统BJ-RUC开展了连续11d的快速更新循环预报试验.评估结果表明:同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果明显优于同化未质控天顶总延迟试验,表明所建立质量控制方案的有效性.同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果优于未同化GPS资料试验,表明天顶总延迟资料的同化应用可以有效提升预报系统的降水预报效果,特别是在无探空资料参加同化的预报时次;同化质控后天顶总延迟资料试验的降水预报效果也优于同化可降水量的试验,表明使用天顶总延迟资料代替可降水量资料在数值预报业务中开展同化应用是可行的.在天顶总延迟观测质量控制方案研发和同化应用得到了一些有意义的结果,有助于推进该观测资料在数值预报科研和业务中的应用,为提升预报性能提供技术支撑.%Based on an observational data serial of ground based GPS Zenith Total Delay (ZTD) in North China for 2013 and 2014,a quality control scheme for the ZTD observation is developed.The quality control scheme can check and mark out those data that make the statistic characteristic of the data serial to deviate from Gaussion distribution by taking account of the obser vation site stability,accuracy,outliers,systematic bias and standard deviation.The statistic characteristics of the data serial after quality control can better meet the hypothesis of variational assimilation system,which confirms the validity of the quality control scheme.Analysis of verification scores of continuous simulation experiments shows that the results of experiments with assimilation of quality controlled ZTD are better than those of experiments with assimilation of uncontrolled ZTD and precipitable water (PW).According to the above analysis,it is clear that the assimilation of ZTD can efficiently improve the precipitation forecast skill.It is feasible to replace PW by ZTD in operational numerical weather forecast.In summary,this study on quality control and assimilation of ZTD reveals some meaningful results,which would support and further improve the application of ZTD in numerical weather forecast.

摘要： 结合经典变分同化和正则化约束两者的优点,对多正则化参数约束变分同化方法进行了研究.与经典变分同化中背景和观测项对目标泛函等权重不同,正则化约束对观测项权重进行调节,并在正则化参数优化时基于Huber—估计法给定权重函数.高光谱大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)水汽通道模拟亮温试验表明,本文的变分法同化AIRS亮温资料比经典变分同化法的效果更好.基于信号自由度诊断了观测资料对分析场的影响,结果表明本文的方法能够有效挖掘水汽通道的亮温信息.

摘要： 为改进背景场误差协方差矩阵构造技术，提高海洋资料变分同化效果，首先将背景场误差协方差矩阵分解为背景误差标准偏差矩阵、非平衡变量空间相关算子以及多变量间平衡算子3部分，然后利用广义扩散方程模拟空间相关算子，联合引入温盐约束关系、线性状态方程、海表高度诊断方程、静力平衡、地转平衡关系模拟多变量平衡，最后给出了一种适用于海洋资料变分同化的背景场误差协方差矩阵构造方案。单点海表温度观测模拟同化试验表明，该方案可实现观测信息在三维空间、多变量间的传播，充分体现了背景场误差协方差矩阵在同化中的作用。%To improve the construction technology of error covariance matrix and promote the effectiveness of variational oceanic data assimilation,a generalized scheme for the construction of the background error covariance matrix in the ocean data assimilation was firstly presented by decomposing the matrix into three parts such as the standard error bias,the space correlation matrix for independent variables,and the mult-ivariate balance operator.And then a realistic scheme for the constructing of the matrix was proposed by modeling the space correlation matrix using the general diffusion equation,and the multivariate balance operator using the temperature-salinity relations,the linear state equation,the sea surface height diagnose equation,the hydrostatic equation,and the geostrophic velocity balance equation.The experiment results of single SST observation show that the scheme can spread the information of single variable in single place to all variables in three dimensional space,which fully embodies the effectiveness of the matrix in varia-tional data assimilation.

摘要： 同化地面观测资料能够获得丰富的地面大气信息,这对于大气边界层的准确模拟尤为重要.由于地面观测资料同化一直受到地面观测资料质量较差的影响,因此,地面观测资料的质量控制是提高地面资料同化效果的重要方法之一.为了分析基于经验正交分解质量控制方法(Empirical Orthogonal Functionquality control,EOF-QC)对地面资料同化效果的影响,并进一步检验该方法在实际同化试验的应用效果,在WRF的三维变分同化系统中引入了EOF-QC.EOF-QC的优势在于由于前几个EOF主要模态基本代表了变量的空间连续性的温度变化特征,而观测误差是随机的,不会有空间连续性,所以观测误差不会出现在重构场中.从原始资料中减去重构场,剩余部分称为剩余场,EOF的剩余场则包含了各种误差和观测噪音.对剩余场的O-B进行双权重质量控制可以有效地识别观测中的可疑数据.本文利用WRF-3DVAR通过一系列同化试验比较了EOF-QC与原系统自带的基于观测与模拟偏差的质量控制方法(Observation Minus Background quality control,OMB-QC)之间的差异.资料的质量控制结果表明,资料经EOF质量控制后,观测场仍然保留了能反映天气变化特征的数据,而资料经OMB质量控制后,观测场的槽强度减弱,并且EOF QC较OMB QC能更好地连续保留天气系统附近的有效观测资料以及观测中比较重要的天气波动特征,可以更为客观准确地反映大气真实状态.从数值同化的试验结果来看,对于温度场的误差和偏差,EOF-QC试验的误差都明显小于其他3组试验,而且表现出很好的持续性.同时值得注意的是No-QC试验在预报后期的偏差和误差最大,这可能是由于未经质量控制的地面观测资料中含有与模式不匹配的信息,未被模式充分“吸收”导致该试验随着时间积分对温度的预报效果变差,间接证明了质量控制对地面资料同化的重要性.通过分析同化试验的分析场可知,同化经过EOF-QC后的观测资料,模式的预报温度降低,在北部形成一气旋性环流,该环流底部的偏西气流带动北部冷空气东移入海,同时冷空气南下也削弱了带有丰富水汽的西南气流,从而使模式预报的降水范围和强度更加合理.从同化后的数值模拟结果来看,对于降水,无论是控制试验还是同化试验,基本上都能够模拟出雨带的位置和走向.但是控制试验的降水在云南南部降水量级减小,在整个华南地区降水中心范围偏大、量级偏多,降水量超过25mm,部分区域的降水量甚至大于50mm.No-QC同样存在降水量级偏大的不足,而且,雨区有明显向西南偏移的现象.OMB-QC的降水量级和观测相似,但是主要雨区仍然存在偏西南的不足.EOF-QC对两个降水中心位置预报最为准确,消除了其他同化试验中降水向西南偏移的不足,最大降水的量级为约25mm,与观测也最为接近.在模式参数设置相同的前提下,同化资料质量的好坏会对模式各个量级的降水预报带来不同程度的影响.从评分角度来说,EOF-QC的降水ETS评分在这3个量级的降水中几乎都表现最优,随着降水量级增大,预报技巧略微下降.并且,EOF-QC对高量级的降水改进最为明显,尤其是对于28日12-18时和28日18时-29日00时10mm的降水,预报技巧较控制试验分别提高了36％和104％.在这4组试验中,CTRL试验对各个量级的降水评分都大于No-QC和OMB-QC,这说明虽然对资料进行了同化,但同化资料的质量对提高降水预报能力起着至关重要的作用.OMB-QC的降水评分在多数时刻也大于No-QC,这说明好的资料会对降水预报带来正效果.

摘要： 混合集合-变分同化方案目前已经被公认为是最有发展潜力的资料同化方案.该方案中引入了可以随天气形势变化的"流依赖"属性的背景误差协方差,能够较为真实的反映天气的实际信息.不同的协方差权重系数可以产生不同的预报效果,合适的权重系数会对预报产生较好的正贡献,甚至大幅的改善预报结果,但是不恰当的权重系数也会因为引入虚假的"流依赖"信息,而使对预报产生负面效应.

摘要： 本文首先介绍在空间和时间多尺度分析同化系统STMAS （Space and Time Multiscale Analysis System ）中实现对预报区域中多部雷达回波强度资料三维变分同化和水汽惩罚项模块的技术方案：利用Z ‐qr 关系同化多谱勒天气雷达观测的回波强度，调整公式形式，以雨水含量作为控制变量，避免了由于指数项的存在，直接利用Z ‐qr 关系，以回波强度或雨水混合比为控制变量存在的一阶导数不连续的问题，并添加了水汽惩罚项。利用实例分析同化后的初始场结果表明，从同化后的雨水混合比反算出来的回波强度与观测结果保持了较好的一致性。在文章的后半部分，以2009 年8 月的MORAKOT 台风个例为例，使用位于台湾的四部雷达观测数据，设计三套试验，以LAPS/STMAS 提供不同处理方式得到的初始场，使用 WRFV3.2 模式，除提供的初试场中对雷达观测的回波强度资料处理方式不同外，同样的模式参数设置和边界条件进行模式预报，来分析加入雷达回波强度资料同化和水汽惩罚项模块后，针对进入模式初试场的改变，对模式预报结果的影响。实验结果表明：STMAS 中对雷达回波强度资料的同化方案（STMAS 方案），对降水预报产生了正面的影响，提高了降水位置和强度预报的准确性；加入惩罚项和对雷达回波强度资料的同化模块后（HYDRO 方案），惩罚项的加入削弱了水汽影响并加强了其他物理量的变化，从预报结果来说，相对STMAS 方案，HYDRO 方案台风总体降水增强了，但在强降水区域，HYDRO 方案预报的降水较STMAS 方案弱。相对控制试验，两种方案对降水预报产生了正面的影响，提高了降水位置和强度预报的准确性。

摘要： 区域模式的降水预报效果直接依赖于水汽初值场，观测资料分辨率不高或资料数量不足时，分析出的水汽初值场不能正确地反映中尺度高湿度区的存在，预报结果与实际偏差很大。天气雷达在中尺度观测的独特优势在于可以提供高时间、空间分辨率的与云、降水空间分布有关的信息，通过反演可以估计出地面降水率。因此通过雷达反演的水汽来订定模式大气的水汽初值场是非常有意义的。本文主要研究工作为基于雷达反射率反演的降水率，以线性化的大尺度凝结方案和简化的对流参数化方案为降水的观测算子，建立形成大气湿度一维变分同化系统。通过一维变分系统获得合理的大气水汽廓线，以三维变分同化方法引进水汽廓线，为精细模式提供高质量的水汽初估值场。文中以一个强降水过程和2011年5月一个月为例，通过一维+三维变分同化系统订正大气水汽初估值，初步评估采用一维+三维变分同化系统同化雷达资料后对短期降水预报的影响作用。

摘要： 上世纪80年代在大气科学界提出的四维资料变分同化思想,本质上是从反问题的角度,利用最优控制论思想研究数值天气预报中的初值和参数的确定问题.利用变分同化方法,可以在知道全部或者部分观测资料的前提下,对预报模式中的未知初值和参数进行反演.因此,在实际问题和科学研究的许多领域中,变分同化方法都有着广泛的应用.近年来,一些学者分别以常系数线性常微分方程组和一维扩散方程为例,通过理论分析和数值实验方法,研究了观测误差和模式误差对于变分同化方法的影响,从理论上作出了变分同化方法的误差估计.上述工作都是建立在可微系统的基础上.由于预报模式中往往会采用参数化,参数化会带来临近值处某些项关于时间或模式变量的不可微性,这种现象称为"开关"(on-off).本文将变分同化方法推广到不可微的"on-off"模式中,假设一维不可微"on-off"模式中的初值未知,利用变分同化思想对初值进行最优确定,并对所得的变分同化初值的收敛性和误差进行分析,从理论上分析"on-off"问题变分同化方法的有效性.首先,利用变分同化方法,在整体观测资料下,通过对目标泛函的最优问题进行求解,对模式中的初值进行修正.其次,引入初值误差函数,通过对初值误差进行上界估计,分析了观测误差对于变分同化方法的影响,从理论上作出了变分同化方法的误差估计及收敛精度估计.结果表明:整体观测资料下变分同化所得的最优初值连续依赖于观测误差,并且当观测误差ε→0时,变分同化方法得到的最优初值收敛于真实初值,收敛精度达到O(ε),这个结论与连续系统的变分同化方法反演初值的结论一致.因此在整体资料下,带有"on-off"(开关)问题的变分同化方法仍然是一种有效的方法.全文讨论的是整体观测误差下的初值变分同化问题,在此基础上,可以进一步分析变分同化方法的预报误差以及局部观测资料下的变分同化方法的误差估计问题.

摘要： 以局地数据融合系统LAPS作为数值模式WRF的观测资料的同化系统,将分析处理后的观测资料接入WRF,分析结果并与WRFVAR同化观测资料接入WRF得到的预报结果做了对比分析.个例结果表明LAPS系统能够更方便接入多种局地观测资料,为数值预报系统提供更高时空密度的分析场,在降水落区方面优于BJ-RUC的预报结果.

摘要： 新型大气探测器ATOVS具有探测通道多,空间分辨率高等特点,不仅可以提供晴空和部分有云区的大气温度和湿度廓线,而且还可提供云天条件下大气温度和湿度廓线,使卫星大气探测达到全天候探测能力.为了评估卫星资料同化在台风数值预报中的影响,国家卫星气象中心研究所利用美国UCAR开发的WRF(The Weather Research and Forecasting Model)三维变分同化系统,采用经过国家卫星气象中心处理的AMSU-A辐射亮温资料L1c数据集,针对在2008年台风季里影响我国大陆的8个台风典型,开展批量卫星资料同化和数值预报试验,进而对卫星资料的同化应用效果进行检验.本研究8个个例稳定运行,具备业务可行性.本文采用三维变分同化方法,在每个台风登陆前48小时起报,分别预报48小时,控制试验使用NCEP分析资料作为初始场,同化试验在初始场上加入NOAA16的AMSU-A微波资料,并进行质量控制通道选取、质量控制和稀疏化处理.我们统计分析了一个台风季的批量同化试验结果,结果表明卫星资料同化对48小时台风路径预报的影响有正有负,对同化后路径预报误差的改进率和中心气压预报误差的改进率的统计表明,整体来说,同化后平均33.09%路径误差有改进,平均有28.68%的路径改进率在5%以上,有平均58.82%的卫星同化试验能够改进中心气压的强度误差;从大尺度环流形势中引导气流的角度,分析了造成负影响个例的原因,例如造成0807号台风路径变差的原因是同化场环流形势场上副高偏西.

摘要： 本研究主要探讨福尔摩沙卫星三号(FORMOSA Satellite #3/Constellation Observing System for Meteorology，lonosphere and Climate，简称FORMOSAT-3/COSMIC)对于区域天气预报之影响。目前国际间许多数值预报中心，已将GPS(Global Positioning System)掩星(radio occultation，RO)观测资料应用于数值模式预报作业中。由研究结果显示，于“中央气象局”(Central Weather Bureau，CWB)作业用之区域模式范围内，同化GPS BO资料确实有助于区域天气预报仿真，然而针对GPS RO资料，如何在目前的基础上，更进一步改善模式之初始分析场，使得到更佳的预报仿真，为我们所关注的议题。rn 在变分同化系统中，误差协方差矩阵差扮演了很重要的角色，因此，本研究针对GPS观测误差进行调整，利用Desmziers and lvanov(2001)的方法，进行观测误差调整系数估计，并测试使用不同观测误差对于资料同化之影响。rn 经由与实际观测资料进行校验结果显示，同化GPS资料后明显改善初始分析场，进而改善模式预报场。随着预报仿真时间增加，模式预报之偏差(Bias)亦增加，虽然GPS资料同化之改善程度随仿真时间增加而减小。就整体而言，同化CPS资料可改善模式预报场约10％-15％，使用调整后之观测误差，可得到更进一步的改善。另外，简化GPS资料之垂直分辨率(data thinning)，并应用于2008年夏季及冬季各一个月之同化仿真实验。由校验结果显示,夏季之分析场于模式低层(约5公里以下)有些许改善，但对于预报场则不然。

摘要： 多普勒雷达是目前公认的探测中小尺度信息的关键手段，资料具有高时空分辨率的特点，不但是临近预警的重要手段，也是中尺度模式的有益补充，但由于中小尺度资料同化的背景误差协方差具有非各向同性、随流型演变的特点，且多普勒雷达径向风场观测近似水平观测，其在垂直方向的探测信息很弱，很难通过已有的雷达观测准确获得三维大气状态变量的分析，分析场误差较大，需要增加额外的信息来提高同化的精度。本文通过雷达估计的降水率进行反算，采用所谓的物理初始化的方法来估计垂直速度与湿参数，并将该垂直速度及其时间变化信息作为“观测”，来改善同化分析的效果。利用许秦等3.5维变分同化系统对安徽江淮地区2003年7月4日～5日的一次混合型强降水过程的研究表明，利用物理初始化“观测”有效的改善了三维风场的分析，其对流位置和环流强度均与雷达单体位置比较吻合，增强了对扰动气压和温度的分析增量，随后的模拟表明，降水落区与强度均有所提高。可见，应用物理初始化方案同化雷达资料在改善中尺度降水精细化预报效果方面具有一定的参考借鉴价值。

摘要： 基于小尺度天气结构风场反演和变分同化方法理论,分析了平滑罚函数在变分同化方法中的作用,通过模拟它在不同多普勒雷达观测数据误差时的变化,总结了平滑罚因子在整个反演过程中的作用.得出结论,对小尺度天气结构,平滑罚因子可以提高数据反演的精度,而且选择适当的平滑罚因子对提高反演质量有明显的作用,可以很好地应用于真实测量数据的反演,并给出确定平滑罚因子的一般算法。

摘要： 本申请涉及一种基于三维变分技术的气溶胶光学特性资料同化方法和装置。所述方法包括：采用体积加权方式，求解气溶胶中气溶胶颗粒物对应粒径范围的平均复折射指数；根据气溶胶颗粒物的尺度参数以及平均复折射指数，采用多项式拟合方式计算气溶胶的消光效率计算值；根据消光效率和气溶胶颗粒物的粒子浓度，计算消光系数计算值和气溶胶光学厚度计算值；将气溶胶逐时质量浓度、卫星反演的光学厚度、激光雷达探测的消光系数廓线、消光效率计算值、消光系数计算值和气溶胶光学厚度计算值进行组合之后，利用目标泛函，输出气溶胶质量浓度资料、光学厚度资料和消光系数资料，并且进行插值生成气溶胶分析场。采用本方法能够准确生成不同光学特性的资料。

摘要： 本发明公开一种基于变分同化框架的智能资料同化方法，S1用同化窗前半部分数据进行分析，用后半部分数据修正同化时间窗[t

摘要： 本发明公开了一种气溶胶光学厚度的三维变分同化方法、系统和存储介质，其中方法在综合考虑数值模型误差和观测数据误差的前提下，利用AOD反演数据(可为卫星AOD观测数据和地基AOD观测数据)，通过三维变分同化方法，对数值模型的气溶胶组分初始场进行订正，以降低初始场的不确定性，从而提高后续的气溶胶模拟预报精度，且通过调用辐射传输模型内部的AOD切线性算子和伴随算子，与Fast‑J光学模块相耦合，构建FastJ/CRTM‑AOD同化模块，大大提高了AOD三维变分同化在不同气溶胶方案中应用的开发效率，可广泛应用于三维变分同化技术领域。

摘要： 一种基于IMPROVE方程的气溶胶消光系数的三维变分同化方法，步骤如下：依据三维变分理论和IMPROVE方程，编写求解三维变分目标泛函的计算机程序，称为同化系统；H称为观测算子，是一个M×N维的矩阵，其中M等于y的长度，N等于x的长度，x左乘H后的结果Hx是一个与y具有相同长度的向量；H的作用还包括将网格点的值插值到非网格点的观测位置处；R是观测误差协方差，是一个M×M维的矩阵；T代表向量的转置。依据IMPROVE方程实现Hx的计算，假设y的观测位置恰好在模式的规则网格点处，Hx的计算不涉及插值过程。

摘要： 本申请涉及一种结合机器学习与三维变分同化的二维风场反演方法和装置。所述方法通过将雷达和测风仪的探测数据插值到分析网格点上，然后利用三维变分同化方法建立代价函数，通过迭代优化求解得到风场反演结果。迭代过程中无需插值，减少了计算量；针对雷达探测数据较密集、测风仪探测数据较稀疏的特点，利用机器学习中成熟的有监督学习方式和半监督学习方式来对雷达数据和测风仪数据进行插值，可以得到较高的准确率，减小插值引入的误差。

摘要： 本发明公开一种基于三维变分同化的变分质量控制方法，属于数值天气预报领域；一种基于三维变分同化的变分质量控制方法包括构建观测误差服从高斯分布和均匀分布的概率密度函数和构建三维变分同化新的观测目标函数、梯度函数以及权重函数；实现变分质量控制和三维变分同化一体的同化方法，即在进行三维变分同化过程同步进行变分质量控制，对同化观测的质量有效识别，减小偏差较大观测的权重，给予偏差小、质量较好的观测较大权重，以此保证坏资料进入同化系统时不会破坏三维变分同化分析的质量，同时可有效同化吸收有效观测并提高三维变分同化分析质量。

摘要： 本发明公开一种基于变分同化框架的智能资料同化方法，S1用同化窗前半部分数据进行分析，用后半部分数据修正同化时间窗[t1,tn]中间的分析场，确定当前时刻的分析场的优化，S2使用第一个多层感知器替换同化的过程，根据历史和未来的数据分析并得到S3将之前的训练数据集与叠加，训练下一个多层感知器，得到相当于在一个数据同化周期内模拟预测模型进行短期预测；S4进行迭代训练，重复S2与S3的过程，在ct前的环节中，每一个环节都会生成一个新的来替换之前的形成新的训练数据集，直到ct前的被完全替换，后面的训练数据集中的背景信息只由提供。

摘要： 本发明公开了基于对数变分同化的放射性核素同化预报方法，包括步骤：收集研究区域内放射性核素的观测数据；对收集到的观测数据进行对数变换；基于变分同化目标泛函的公式建立对数同化系统；统计背景误差，更改观测误差，利用对数同化系统对放射性核素观测数据进行资料同化，得到优化的初始场；将得到的优化初始场代入大气化学模式中进行放射性核素的核污染预报。本发明融合了实际观测数据，相对于普通同化系统来说，更适应核污染分布特征，可更好地融合观测信息，显著提高了模式预报的初始场效果，从而提高了模式预报水平，显著提升核素预报的短期预报效果。

摘要： 本发明提出了一种基于变分同化的架空输电线路风险评估方法及装置，包括：获取输电线路中杆塔与导线的监测数据；分别将杆塔的监测数据与导线的监测数据代入代价函数中，得到变分同化模型；基于SPSA算法对变分同化模型进行求解，分别得到杆塔和导线风险概率；基于预设权重对杆塔和导线的风险概率进行加权求和，得到架空输电线路的综合风险评估结果。本发明可以实现输电线路沿线上所有监测数据的全景监测和融合，并结合了SPSA算法求解出架空输电线路的风险概率，克服了传统算法在架空输电线路的求解应用上的技术限制，从而给复杂多变的架空输电线路监测设备数据在后端服务器平台变分同化提供可能。

摘要： 本发明公开了一种基于简化的四维变分同化获得高精度土壤湿度的方法，该方法中，通过采用蒸发比作为可调因子来简化四维变分同化算法，所述蒸发比还能够改进潜热模拟，进一步提高最终表层土壤湿度的准确性，另外通过采用蒸发比作为可调因子来简化四维变分同化算法使得四维变分具有物理意义，而且是全局同化，相对于相传统的滤波算法从理论上也能够提高其准确性能。