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)勢的集合卡爾曼濾波及同類方法的業(yè)務(wù)應(yīng)用問題是近年來數(shù)據(jù)同化研究領(lǐng)域的熱點。本文以有限區(qū)域地面觀測資料數(shù)據(jù)同化為出發(fā)點，研究了模式偏差對集合卡爾曼濾波數(shù)據(jù)同化帶來的不利影響，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)開展了實驗，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)報模式的EnSRF

2、數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)，對2006年4月28日一次颮線過程進(jìn)行了數(shù)據(jù)同化研究，分析了預(yù)報誤差協(xié)方差分布特征，并進(jìn)一步分析了不同地面觀測變量的模式偏差對數(shù)據(jù)同化帶來的不同影響，通過海平面氣壓數(shù)據(jù)同化和地面氣溫數(shù)據(jù)同化進(jìn)一步驗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變量同化可能存在的問題，討論了地面觀測資料的同化技術(shù)。 本文對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，模式偏差的對濾波的影響與在觀測資料中加入偏差是等價的，非高斯分布和對背景場的錯誤訂正，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)對于一定的模式偏差，對應(yīng)的背景場中觀測值(即Hx)的離散度越大，造成的分析誤差越小，反之，模式偏差會造成較大的分析誤差。在集合背景場中離散度較大的區(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，不會對同化帶來明顯的影響，即副作用很小。當(dāng)存在系統(tǒng)誤差時，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，對于線性齊次偏差，訂正后可以基本消除模式偏差帶來的不利影響，而對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的影響。 (4)在同化實際觀測資料時，對于預(yù)報誤差協(xié)相關(guān)尺度較大的觀測變量(如海平面氣壓)，

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

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)報各個成員與集合平均的差可以看作是誤差場波動在不同時刻的位移，那么背景場誤差協(xié)相關(guān)的尺度可以看作是誤差波動的尺度，不同的氣象要素，以及相同的氣象要素在不同的層次，誤差波動的尺度是不同的。本研究中，海平面氣壓誤差場波動尺度較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際地面觀測的平均距離，因此，在海平面氣壓數(shù)據(jù)同化中可能存在“飽和”問題。在本研究采用的模式空間分辨率下，地面氣溫誤差波動尺度呈現(xiàn)次天氣尺度和中尺

7、度特征，地面風(fēng)場的誤差波動尺度更小，因此，同化地面氣溫和風(fēng)場資料時，應(yīng)選用加密觀測網(wǎng)。在高空氣象要素預(yù)報中，誤差波動的尺度由大到小依次為擾動位勢、氣溫和風(fēng)場，探空站的密度應(yīng)該能夠滿足位勢高度和高空氣溫數(shù)據(jù)同化的需求，對于高空風(fēng)場的數(shù)據(jù)同化，探空資料的密度有些不足。 (2)在集合預(yù)報啟動之初，受大氣環(huán)流影響，疊加在初始場上的誤差協(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)報誤差相關(guān)性較強(qiáng)，海平面氣壓信息將影響整個對流層，對各個高度層是同等重要的。對于風(fēng)場、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)報誤差與地面相同要素預(yù)報誤差的相關(guān)性隨高度下降

9、較為緩慢。 實驗結(jié)果顯示地面2米氣溫與高空擾動位勢的預(yù)報誤差相關(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)報誤差的相關(guān)系數(shù)，顯示出地面氣溫同化對于位勢高度場具有重要作用。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