《雲水觀測資料同化中先進背景誤差協方差模型研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由曹小群擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：雲水觀測資料同化中先進背景誤差協方差模型研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：曹小群
- 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
正確的背景誤差協方差模型在變分資料同化系統中具有十分重要的作用。本項目針對降水和無降水區之間協方差結構的顯著差異以及目前協方差模型在同化雲水觀測時的不足，研究一種先進的異構背景誤差協方差模擬方法。. 首先，引入基於垂直平均雨量的二維地理掩碼來劃分降水和無降水區，並將水凝物擴展為分析量；研究一個新的控制變數轉換運算元來模擬背景誤差協方差，能對兩個區域中不同的協方差結構函式分別進行刻畫。其次，基於集合方法估計兩種天氣區域中的有關誤差特徵參數。然後，利用新的異構模型，研究中國典型強降水天氣系統的背景誤差協方差特徵，包括動力變數與水凝物之間的多元耦合關係、空間相關結構函式、相關長度尺度和誤差標準偏差等統計量，從協方差結構函式角度揭示不同暴雨天氣系統的空間結構。最後，研究基於異構協方差的三維變分資料同化原型系統的設計和實現，重點研究其在同化雷達反射率和衛星輻射率等雲水觀測資料時的有效性和優越性。
結題摘要
研究和改進背景誤差協方差模型對提高變分資料同化系統效果具有十分重要的意義。隨著遙感探測技術的進步，大氣觀測已經由常規觀測為主發展為以衛星等遙感觀測為主，衛星觀測在業務數值天氣預報中的貢獻權重越來越大。本項目針對異構背景誤差協方差模型開展研究，通過估計和刻畫不同天氣區域中背景誤差特徵的變化和差異，以提高衛星等非常規雲水觀測資料同化效果，同時解決了雲水觀測資料資料同化中相關的某些理論和技術問題。 首先，針對雲水衛星觀測資料的變分同化，研究和設計了一個先進的異構背景誤差協方差模型。由於計算代價限制了樣本數量，有限的背景誤差樣本數會引入採樣噪聲的問題，從而使估計的背景誤差方差中含有大量小尺度隨機誤差，降低方差估計精度。針對此問題，實現了一種自適應的客觀濾波方法，主要是根據樣本隨機噪聲和原背景誤差信號在譜空間的頻率分布特徵，從而實現背景誤差方差中取樣噪聲成分的有效濾除。其次，在WRFDA軟體框架結構的基礎上，研究和初步構建了一個為全球譜模式提供初始場的四維變分資料同化系統，並實現了ATOVS衛星輻射率和GPS掩星彎曲角等觀測的直接同化功能。再次，雲水衛星觀測資料同化中數值預報模式一般都包含有物理過程，如湍流混合、濕對流、格點尺度降水等。由於物理過程的複雜性，一般使用參數化方法描述其對模式的影響，而在參數化方案中會在臨界值處導致模式方程中的某些項關於時間或模式變數不連續或不可微，此現象一般稱為“開關”問題。由於包含物理過程參數化方案的模式是不可微的，利用伴隨方法對其進行梯度分析時精度較低，本項目提出利用復變數求導法把梯度分析轉化為正向數值計算過程，進而高精度地獲得梯度值。最後，實現了多源衛星觀測資料的有效同化，利用上面的同化技術在全球四維變分資料同化系統中對多種觀測數據(常規觀測、衛星輻射率、GPS無線電掩星彎曲角和衛星風等)進行了同化實驗，說明新型衛星觀測數據的引入不但能夠增加同化系統中的信息量，而且能夠提高其它種類觀測數據的同化利用率。統計檢驗結果說明：無論是從距平相關還是均方根誤差衡量，新型衛星觀測(無線電掩星和衛星風)的引入和有效同化後，對高解析度同化預報系統預報技巧的提高是十分明顯的。通過一個強降水個例的分析結果，說明了基於新的初始場全球模式降水預報準確性較高，強降水中心模式預報和觀測實況較為一致。
