集合卡爾曼濾波中模式偏差的線性訂正及其在有限區(qū)域地面觀測(cè)資料同化中的應(yīng)用.pdf

1、數(shù)據(jù)同化是提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量的重要方面。作為新一代數(shù)據(jù)同化方法，以依賴環(huán)流的背景誤差協(xié)方差為主要優(yōu)勢(shì)的集合卡爾曼濾波及同類方法的業(yè)務(wù)應(yīng)用問(wèn)題是近年來(lái)數(shù)據(jù)同化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文以有限區(qū)域地面觀測(cè)資料數(shù)據(jù)同化為出發(fā)點(diǎn)，研究了模式偏差對(duì)集合卡爾曼濾波數(shù)據(jù)同化帶來(lái)的不利影響，提出了線性模式偏差模型和模式偏差線性齊次訂正方法。使用Lorenz96系統(tǒng)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)，分析了模式偏差的影響機(jī)制和偏差訂正的效果。自主建立了以WRF為預(yù)報(bào)模式的EnSRF

2、數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)，對(duì)2006年4月28日一次颮線過(guò)程進(jìn)行了數(shù)據(jù)同化研究，分析了預(yù)報(bào)誤差協(xié)方差分布特征，并進(jìn)一步分析了不同地面觀測(cè)變量的模式偏差對(duì)數(shù)據(jù)同化帶來(lái)的不同影響，通過(guò)海平面氣壓數(shù)據(jù)同化和地面氣溫?cái)?shù)據(jù)同化進(jìn)一步驗(yàn)證了線性模式偏差和線性齊次訂正方法的有效性，另外，本文分析了不同地面觀測(cè)變量同化可能存在的問(wèn)題，討論了地面觀測(cè)資料的同化技術(shù)。 本文對(duì)模式偏差影響集合卡爾曼濾波數(shù)據(jù)同化的機(jī)制、模式偏差訂正方法及效果進(jìn)行了研究

3、分析，得出以下結(jié)論： (1)在集合卡爾曼濾波中，模式偏差的對(duì)濾波的影響與在觀測(cè)資料中加入偏差是等價(jià)的，非高斯分布和對(duì)背景場(chǎng)的錯(cuò)誤訂正，增大了分析誤差，并可造成系統(tǒng)不穩(wěn)定和系統(tǒng)崩潰。 (2)對(duì)于一定的模式偏差，對(duì)應(yīng)的背景場(chǎng)中觀測(cè)值(即Hx)的離散度越大，造成的分析誤差越小，反之，模式偏差會(huì)造成較大的分析誤差。在集合背景場(chǎng)中離散度較大的區(qū)域，模式偏差容易造成較大的分析誤差。 (3)采用本研究提出的模式偏差線性齊次訂正

4、方法，當(dāng)不存在系統(tǒng)誤差時(shí)，不會(huì)對(duì)同化帶來(lái)明顯的影響，即副作用很小。當(dāng)存在系統(tǒng)誤差時(shí)，采取了訂正步驟后，可明顯降低分析誤差，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不同的模式誤差形態(tài)，訂正的效果不同，對(duì)于線性齊次偏差，訂正后可以基本消除模式偏差帶來(lái)的不利影響，而對(duì)于其他類型的模式偏差，訂正后只有部分改進(jìn)，即僅能消除模式誤差中能夠使用線性齊次關(guān)系描述的部分偏差帶來(lái)的影響。 (4)在同化實(shí)際觀測(cè)資料時(shí)，對(duì)于預(yù)報(bào)誤差協(xié)相關(guān)尺度較大的觀測(cè)變量(如海平面氣壓)，

5、有限區(qū)域中觀測(cè)資料在正負(fù)協(xié)相關(guān)區(qū)域的分布往往存在不平衡，此時(shí)，模式偏差將明顯降低同化效果，模式偏差對(duì)背景場(chǎng)某氣象要素造成的錯(cuò)誤訂正的空間尺度與該要素誤差協(xié)相關(guān)的尺度一致，而且觀測(cè)資料越多、錯(cuò)誤波動(dòng)的振幅就會(huì)越大，因而必須進(jìn)行模式偏差訂正。反之，對(duì)于誤差協(xié)方差尺度較小的觀測(cè)變量，實(shí)際觀測(cè)資料分布往往較為平衡，此時(shí)，模式偏差帶來(lái)的不利影響較小。 本文分析了在有限區(qū)域集合卡爾曼數(shù)據(jù)同化中背景場(chǎng)預(yù)報(bào)誤差協(xié)方差的分布特征，對(duì)地面資料同化技

6、術(shù)進(jìn)行了探討，主要得出以下結(jié)論： (1)如果將集合預(yù)報(bào)各個(gè)成員與集合平均的差可以看作是誤差場(chǎng)波動(dòng)在不同時(shí)刻的位移，那么背景場(chǎng)誤差協(xié)相關(guān)的尺度可以看作是誤差波動(dòng)的尺度，不同的氣象要素，以及相同的氣象要素在不同的層次，誤差波動(dòng)的尺度是不同的。本研究中，海平面氣壓誤差場(chǎng)波動(dòng)尺度較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際地面觀測(cè)的平均距離，因此，在海平面氣壓數(shù)據(jù)同化中可能存在“飽和”問(wèn)題。在本研究采用的模式空間分辨率下，地面氣溫誤差波動(dòng)尺度呈現(xiàn)次天氣尺度和中尺

7、度特征，地面風(fēng)場(chǎng)的誤差波動(dòng)尺度更小，因此，同化地面氣溫和風(fēng)場(chǎng)資料時(shí)，應(yīng)選用加密觀測(cè)網(wǎng)。在高空氣象要素預(yù)報(bào)中，誤差波動(dòng)的尺度由大到小依次為擾動(dòng)位勢(shì)、氣溫和風(fēng)場(chǎng)，探空站的密度應(yīng)該能夠滿足位勢(shì)高度和高空氣溫?cái)?shù)據(jù)同化的需求，對(duì)于高空風(fēng)場(chǎng)的數(shù)據(jù)同化，探空資料的密度有些不足。 (2)在集合預(yù)報(bào)啟動(dòng)之初，受大氣環(huán)流影響，疊加在初始場(chǎng)上的誤差協(xié)方差結(jié)構(gòu)隨模式積分將作出快速地調(diào)整，在基本適應(yīng)大氣環(huán)流之后，預(yù)報(bào)誤差協(xié)方差的結(jié)構(gòu)跟隨大氣環(huán)流變化的速度

8、則慢得多。 (3)地面比濕預(yù)報(bào)誤差的協(xié)相關(guān)分布顯示出明顯的晝夜之分，夜間相關(guān)系數(shù)較大，而白天相關(guān)系數(shù)較小，應(yīng)當(dāng)與邊界層水汽的垂直交換有關(guān)。 海平面氣壓與高空等σ而氣壓的預(yù)報(bào)誤差相關(guān)性較強(qiáng)，海平面氣壓信息將影響整個(gè)對(duì)流層，對(duì)各個(gè)高度層是同等重要的。對(duì)于風(fēng)場(chǎng)、氣溫和比濕而言，隨著層次的升高，地面與高空相同要素的預(yù)報(bào)誤差相關(guān)性迅速下降，但在白天的邊界層中，由于湍流混合，氣溫與比濕預(yù)報(bào)誤差與地面相同要素預(yù)報(bào)誤差的相關(guān)性隨高度下降

9、較為緩慢。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示地面2米氣溫與高空擾動(dòng)位勢(shì)的預(yù)報(bào)誤差相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)甚至高于地面氣溫與高空氣溫預(yù)報(bào)誤差的相關(guān)系數(shù)，顯示出地面氣溫同化對(duì)于位勢(shì)高度場(chǎng)具有重要作用。其他地面與高空不同類型氣象要素之間的預(yù)報(bào)誤差相關(guān)性較差。 (4)受邊界層物理方案的影響，在邊界層中，與比濕大小的垂直分布相反，由邊界層頂至近地而比濕的集合離散度迅速減小，邊界層方案對(duì)近地面氣溫的離散度也有一定的抑制作用。在地面氣溫和比濕同化中，較小的離