集合調(diào)整Kalman濾波同化模塊的建立及其在海洋和氣候系統(tǒng)模式中的應(yīng)用.pdf

1、海洋模式和氣候系統(tǒng)模式在實際應(yīng)用過程中往往存在較大的偏差，亟需利用較為成熟的數(shù)據(jù)同化方法在數(shù)值模擬過程中有效結(jié)合觀測信息，得到更合理的模擬結(jié)果或通過改進初值場提高預(yù)測的精度。在目前海洋與氣候研究的主要的數(shù)據(jù)同化方法中，集合調(diào)整Kalman濾波（EAKF）同化方法不需要擾動觀測，可以充分保留數(shù)值模式的先驗信息，其計算和存儲方面的需求也相對較少，適合用于開展海洋和氣候系統(tǒng)模式的數(shù)據(jù)同化。本文從方法實現(xiàn)的角度詳細闡述了EAKF方法的基本理論和

2、相關(guān)假定，討論了EAKF同化方法的串行實現(xiàn)、并行實現(xiàn)、觀測數(shù)據(jù)處理和集合樣本處理等過程，建立了EAKF同化模塊，隨后將其應(yīng)用于區(qū)域海洋模式、全球海洋模式和海氣耦合模式中。
　　本文首先在基于POM建立的西北太平洋環(huán)流模式中，通過EAKF同化模塊開展了2005年到2009年的Argo資料的集合濾波同化實驗。為對比分析區(qū)域海洋模式數(shù)據(jù)同化的效果，本研究設(shè)計了3組數(shù)值實驗:控制實驗（單模式運行，無數(shù)據(jù)同化）、集合自由發(fā)散實驗（集合運行，

3、無數(shù)據(jù)同化）和EAKF同化實驗（集合運行，Argo數(shù)據(jù)同化）。該區(qū)域海洋模式將不同年份的初始場作為2005年不同模式樣本的初始場，實現(xiàn)集合模式運行，開展集合自由發(fā)散實驗和EAKF同化實驗。自由發(fā)散實驗的集合樣本分布情況的分析表明:由于模式對初始場的適應(yīng)過程，集合模擬結(jié)果在開始幾個月內(nèi)出現(xiàn)集合樣本分布有所減少，但隨后穩(wěn)定在一定范圍。這種構(gòu)造集合初始場的方法應(yīng)用在區(qū)域模式中，所有集合樣本具有一定的發(fā)散性，可用來開展準確的集合濾波同化。經(jīng)過E

4、AKF同化后的集合樣本分布相比無同化的自由發(fā)散實驗略小，但仍保持了一定的量值，對后續(xù)的濾波同化過程不會造成不良影響。通過分析SST的集合模擬結(jié)果相對特定參考點的相關(guān)系數(shù)，模式背景誤差協(xié)方差表現(xiàn)出較強的各向異性特征。為考察同化的效果，所有實驗的結(jié)果與衛(wèi)星觀測SST、GTSPP溫鹽剖面數(shù)據(jù)和衛(wèi)星高度計觀測數(shù)據(jù)等進行了細致的對比。誤差統(tǒng)計結(jié)果顯示:同化結(jié)果相對衛(wèi)星SST的誤差比同化前在整體上減少，平均減少量為10％左右;相比獨立于Argo數(shù)據(jù)

5、的GTSPP溫鹽剖面觀測，同化后的溫度和鹽度誤差比同化前均有大幅減小，相對控制實驗和自由發(fā)散實驗的誤差減少最大百分比分別達到85％和80％。同化前后的模擬結(jié)果與衛(wèi)星高度計觀測海面高度數(shù)據(jù)的對比顯示:同化過程還增強了模式對海洋中尺度活動能力模擬能力，這一改進在黑潮及其延伸體附近，以及10°N斷面上尤為突出。
　　在基于MOM4建立的全球大洋環(huán)流模式中，開展了2008年的Argo浮標數(shù)據(jù)的EAKF同化，對比分析了4組同化實驗與控制實驗

6、（未同化）的實驗結(jié)果。初步同化實驗（實驗1）中初始溫度場的擾動采用了1.0℃的振幅對上層海洋進行擾動，且無集合樣本擴展，其實驗結(jié)果表明:通過Argo數(shù)據(jù)同化后的溫度（鹽度）在上400m(500m)水層偏差顯著減小，然而這些偏差在更深水層增大;SST的誤差在上半年的減小值明顯高于其余時段。為了考察同化的改善作用在不同深度和不同時段的差異，本文設(shè)計了3個敏感性實驗。其中2個實驗用于分析不同垂向擾動的敏感性:擾動深度（實驗2）和擾動振幅（實驗

7、3）。實驗2采用了整層水柱的擾動，擾動振幅仍為1.0℃，實驗結(jié)果表明:模擬溫度、鹽度的偏差在整個水體中均得到減小。實驗3采用較小擾動振幅(0.1℃)，相比實驗2說明合適的擾動振幅也非常重要。實驗4采用了集合樣本擴展，其擴展系數(shù)則是通過一系列的數(shù)值實驗的敏感性分析所得到的5％。與其它3個實驗相比，實驗4的同化性能有了較大的提高。綜合上述實驗結(jié)果，我們認為:對于初始場的擾動應(yīng)考慮模式的所有分層;合適的擾動振幅對EAKF同化具有重要作用;最優(yōu)

8、集合樣本擴展系數(shù)的選擇有助于提高EAKF同化的效果。
　　基于國家海洋局第一海洋研究所地球系統(tǒng)模式(FIO-ESM)，采用微擾動法構(gòu)建了集合初始場，開展了衛(wèi)星SST和SLA等數(shù)據(jù)的EAKF同化實驗。本研究利用氣候系統(tǒng)模式數(shù)據(jù)同化后的海洋模式、大氣模式、海冰模式、陸面模式和海浪模式等分量模式的同化結(jié)果重構(gòu)了1992-2013年的氣候再分析數(shù)據(jù)，并從整體上對重構(gòu)的再分析數(shù)據(jù)進行了評估。本研究采用了ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)集、E