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(shí)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(cè)信息，得到更合理的模擬結(jié)果或通過改進(jìn)初值場提高預(yù)測(cè)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(dòng)觀測(cè)，可以充分保留數(shù)值模式的先驗(yàn)信息，其計(jì)算和存儲(chǔ)方面的需求也相對(duì)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(shí)現(xiàn)的角度詳細(xì)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(shí)現(xiàn)、并行實(shí)現(xiàn)、觀測(cè)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(shí)驗(yàn)。為對(duì)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(jì)了3組數(shù)值實(shí)驗(yàn):控制實(shí)驗(yàn)（單模式運(yùn)行，無數(shù)據(jù)同化）、集合自由發(fā)散實(shí)驗(yàn)（集合運(yùn)行，

3、無數(shù)據(jù)同化）和EAKF同化實(shí)驗(yàn)（集合運(yùn)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(shí)現(xiàn)集合模式運(yùn)行，開展集合自由發(fā)散實(shí)驗(yàn)和EAKF同化實(shí)驗(yàn)。自由發(fā)散實(shí)驗(yàn)的集合樣本分布情況的分析表明:由于模式對(duì)初始場的適應(yīng)過程，集合模擬結(jié)果在開始幾個(gè)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(zhǔn)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(shí)驗(yàn)略小，但仍保持了一定的量值，對(duì)后續(xù)的濾波同化過程不會(huì)造成不良影響。通過分析SST的集合模擬結(jié)果相對(duì)特定參考點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)，模式背景誤差協(xié)方差表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性特征。為考察同化的效果，所有實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與衛(wèi)星觀測(cè)SST、GTSPP溫鹽剖面數(shù)據(jù)和衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行了細(xì)致的對(duì)比。誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:同化結(jié)果相對(duì)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(dú)立于Argo數(shù)據(jù)

5、的GTSPP溫鹽剖面觀測(cè)，同化后的溫度和鹽度誤差比同化前均有大幅減小，相對(duì)控制實(shí)驗(yàn)和自由發(fā)散實(shí)驗(yàn)的誤差減少最大百分比分別達(dá)到85％和80％。同化前后的模擬結(jié)果與衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)海面高度數(shù)據(jù)的對(duì)比顯示:同化過程還增強(qiáng)了模式對(duì)海洋中尺度活動(dòng)能力模擬能力，這一改進(jìn)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(biāo)數(shù)據(jù)的EAKF同化，對(duì)比分析了4組同化實(shí)驗(yàn)與控制實(shí)驗(yàn)

6、（未同化）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。初步同化實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)1）中初始溫度場的擾動(dòng)采用了1.0℃的振幅對(duì)上層海洋進(jìn)行擾動(dòng)，且無集合樣本擴(kuò)展，其實(shí)驗(yàn)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(shí)段。為了考察同化的改善作用在不同深度和不同時(shí)段的差異，本文設(shè)計(jì)了3個(gè)敏感性實(shí)驗(yàn)。其中2個(gè)實(shí)驗(yàn)用于分析不同垂向擾動(dòng)的敏感性:擾動(dòng)深度（實(shí)驗(yàn)2）和擾動(dòng)振幅（實(shí)驗(yàn)

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

8、集合樣本擴(kuò)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(dòng)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(shí)驗(yàn)。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(duì)重構(gòu)的再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)估。本研究采用了ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)集、E