集合调整Kalman滤波同化模块的建立及其在海洋和气候系统模式中的应用
海洋模式和气候系统模式在实际应用过程中往往存在较大的偏差，亟需利用较为成熟的数据同化方法在数值模拟过程中有效结合观测信息，得到更合理的模拟结果或通过改进初值场提高预测的精度。在目前海洋与气候研究的主要的数据同化方法中，集合调整Kalman滤波（EAKF）同化方法不需要扰动观测，可以充分保留数值模式的先验信息，其计算和存储方面的需求也相对较少，适合用于开展海洋和气候系统模式的数据同化。本文从方法实现的角度详细阐述了EAKF方法的基本理论和相关假定，讨论了EAKF同化方法的串行实现、并行实现、观测数据处理和集合样本处理等过程，建立了EAKF同化模块，随后将其应用于区域海洋模式、全球海洋模式和海气耦合模式中。 本文首先在基于POM建立的西北太平洋环流模式中，通过EAKF同化模块开展了2005年到2009年的Argo资料的集合滤波同化实验。为对比分析区域海洋模式数据同化的效果，本研究设计了3组数值实验:控制实验（单模式运行，无数据同化）、集合自由发散实验（集合运行，无数据同化）和EAKF同化实验（集合运行，Argo数据同化）。该区域海洋模式将不同年份的初始场作为2005年不同模式样本的初始场，实现集合模式运行，开展集合自由发散实验和EAKF同化实验。自由发散实验的集合样本分布情况的分析表明:由于模式对初始场的适应过程，集合模拟结果在开始几个月内出现集合样本分布有所减少，但随后稳定在一定范围。这种构造集合初始场的方法应用在区域模式中，所有集合样本具有一定的发散性，可用来开展准确的集合滤波同化。经过EAKF同化后的集合样本分布相比无同化的自由发散实验略小，但仍保持了一定的量值，对后续的滤波同化过程不会造成不良影响。通过分析SST的集合模拟结果相对特定参考点的相关系数，模式背景误差协方差表现出较强的各向异性特征。为考察同化的效果，所有实验的结果与卫星观测SST、GTSPP温盐剖面数据和卫星高度计观测数据等进行了细致的对比。误差统计结果显示:同化结果相对卫星SST的误差比同化前在整体上减少，平均减少量为10％左右;相比独立于Argo数据的GTSPP温盐剖面观测，同化后的温度和盐度误差比同化前均有大幅减小，相对控制实验和自由发散实验的误差减少最大百分比分别达到85％和80％。同化前后的模拟结果与卫星高度计观测海面高度数据的对比显示:同化过程还增强了模式对海洋中尺度活动能力模拟能力，这一改进在黑潮及其延伸体附近，以及10°N断面上尤为突出。 在基于MOM4建立的全球大洋环流模式中，开展了2008年的Argo浮标数据的EAKF同化，对比分析了4组同化实验与控制实验（未同化）的实验结果。初步同化实验（实验1）中初始温度场的扰动采用了1.0℃的振幅对上层海洋进行扰动，且无集合样本扩展，其实验结果表明:通过Argo数据同化后的温度（盐度）在上400m(500m)水层偏差显著减小，然而这些偏差在更深水层增大;SST的误差在上半年的减小值明显高于其余时段。为了考察同化的改善作用在不同深度和不同时段的差异，本文设计了3个敏感性实验。其中2个实验用于分析不同垂向扰动的敏感性:扰动深度（实验2）和扰动振幅（实验3）。实验2采用了整层水柱的扰动，扰动振幅仍为1.0℃，实验结果表明:模拟温度、盐度的偏差在整个水体中均得到减小。实验3采用较小扰动振幅(0.1℃)，相比实验2说明合适的扰动振幅也非常重要。实验4采用了集合样本扩展，其扩展系数则是通过一系列的数值实验的敏感性分析所得到的5％。与其它3个实验相比，实验4的同化性能有了较大的提高。综合上述实验结果，我们认为:对于初始场的扰动应考虑模式的所有分层;合适的扰动振幅对EAKF同化具有重要作用;最优集合样本扩展系数的选择有助于提高EAKF同化的效果。 基于国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式(FIO-ESM)，采用微扰动法构建了集合初始场，开展了卫星SST和SLA等数据的EAKF同化实验。本研究利用气候系统模式数据同化后的海洋模式、大气模式、海冰模式、陆面模式和海浪模式等分量模式的同化结果重构了1992-2013年的气候再分析数据，并从整体上对重构的再分析数据进行了评估。本研究采用了ERA-Interim再分析数据集、EN4温盐再分析数据集、GPCP降水数据集、AVISO沿轨道观测海浪有效波高等多种数据，对FIO-ESM同化再分析数据行了对比分析，结果显示:重构的再分析数据可以成功再现1992-2013年间上层海洋、大气运动和水汽分布、海冰变化、海浪气候态分布等方面的气候特征。在进一步研究中，该数据将用于开展气候分析和未来气候预测，提高我们对气候变化的认知水平。
海洋模式;气候系统模式;卡尔曼滤波;同化模块;数值模拟;预测精度
中国海洋大学
博士
物理海洋学
袁业立
2015
中文
P714
121
2016-01-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）