集合卡尔曼滤波同化方法的研究.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文集合卡尔曼滤波同化方法的研究姓名朱琳申请学位
级别硕士专业气象学指导教师彭加毅寿绍文20070501摘要在大气海洋的科学研究中
随着卫星雷达等各种非常规资料迅速增加和模式的模拟能力加强作为“把各种时空
上不趣则的零散分布的观测融合到基于物理规律的模式当中”的同化方法在大气和
海洋的研究中越来越重要。近几年来一种新的同化方法—集合卡尔曼滤波同化方法
受到广泛的关注和研究。现有的研究表明集合卡尔曼滤波同化方法是种具有业务应
用潜力的同化方法。本文简单回顾了这种资料同化方法的发展历史和研究现状介绍
了其在气象中应用的基本原理。集合卡尔曼滤波的主要优点是利用随天气流型演变
的背景场误差协方差来进行资料分析这是在目前变分同化中难以实现的也是变分同
化中存在的主要问题之一。但是集合卡尔曼滤波也存在滤波发散分析量不平衡等问
题。本文利用浅水模式和实际大气预报模式删通过一系列数值试验来对集合卡尔曼
滤波的主要理论和方法进行了研究包括集合卡尔曼滤波中随流型演变的背景场误差
协方差集合数对集合卡尔曼滤波的影响等并和三维变分同化结果进行了初步比较和
分析。得到以下结论集合卡尔曼滤波同化的效果优于三维变分同化的效果而且其误
差是收敛的造成差异的根本原因是三维变分无法实现更新误差协方差而集合卡尔曼
滤波的误差协方差是随流型演变的随着集合数的增加集合卡尔曼滤波同化的效果得
到改善主要原因是集合卡尔曼滤波的统计误差相关场存在虚假的相关而集合数的增
加会减少这种虚假的相关。关键词资料同化集合卡尔曼滤波随流型演变“砖丑勰土’’
圮以’唱∞’’硼’锣∞’Ⅱ学位论文独创性声明本人郑重声明、坚持以。求实、创新’的科
学精神从事研究工作、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究
成果、本论文中除引文外所有实验、数据和有关材料均是真实的。、本论文中除引
文和致谢的内容外不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果、其他同
志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意作者签名盘避日期竺豇
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编出版保密的学位论文在解密后适用本规定作者签名日期募琳第一章绪论物理学家
曾把天气预报归结为“初值问题”并指出要得到一个准确的天气预报必须满足两个条
件知道准确的初值知道准确的大气运动物理规律。所以成功的气象数值预报离不开
地球大气运动初始状态的准确描述而资料同化是利用多种观测资料准确的表达大气
当前状态的一种有效方法并且能为数值预报提供在物理和动力学上协调一致的大气
运动实况分析初值因而对提高资料分析质量以及数值预报的准确率都有重大意义。
一个理想的资料同化系统应该能够充分有效的利用人类可以获得的各种大气信息概
括起来讲同化所要解决的问题是既充分利用已知的物理规律体现为数值模式又充分
利用我们所能获得的一切观测信息来确定未知的大气状态。资料同化技术简介随着
科学技术的迅速发展卫星资料等非常规资料的迅速增加对这些非常规资料再加上数
量越来越可观的非常规资料进行处理和充分利用的资料同化技术受到越来越多的关
注和重视并已取得了一些成绩。集合卡尔曼滤波是资料同化方法的一种而且集合同
化将是未来发展的趋势。“集合同化体化”的思想在国内是丑纪范院士首先提出来的
并强调这是未来预报方法的发展趋势。从同化所包含的内容和功能来看资料分析和
为数值预报产生个准确协调的初值自始至终都是同化的重要内容和功能所以实际上
同化的来源可以追溯到年所做的人类首次的天气数值预报的“主观分析”中即把观测
手工插值到网格点上作为模式积分的初值场。由于使用原始方程来做预报而又没有
作任何的滤波处理最后以预报失败而告终。到年等同样用主观分析方法确定初值但
是使用的报方程是正压涡度方程并且在第一台电子数字计算机上进行计算实现了第
一次成功的数值预报闭。随着计算机的诞生和发展依赖人工的“主观分析”也发展到
依靠计算机的“客观分析”。客观分析的主流方法先后经历了多项式拟合逐步订正法
最优插值个阶段。尽管客观分析是资料同化的一个主要内容也是资料同化的起源但
是资料同化并不完全等同于客观分析。随着发展发现单纯的插值不能解决模式的初
值问题又把背景场引进来。多年来气象领域的大部分人都围绕着如何更好的把观测
“插值到”格点上如何产生更好的初值闯题来思考相关问题。在六十年代初期随着卫
星资料等非常规资料的出现开始考虑在客观分析中引入非常规资料的问题。在当时
有一些学者把这个引入过程叫做“同化”嘲【】