散射计资料风速风向同化方法研究.docx

散射计资料风速风向同化方法研究目录摘要(i)ABSTRACT.ii第一章绪论(1)1.1资料同化相关知识(1)1.1.1资料同化基本经过(1)1.2.2三维变分同化方法介绍(3)1.2散射计观测仪器介绍(5)1.3散射计资料在同化领域的研究状况(9)1.3.1国外对散射计资料同化的研究(10)1.3.2国内对散射计资料同化的研究(12)1.4主要工作及论文构造(12)第二章散射计资料反演风场(14)2.1序言(14)2.1.1散射计观测物理机制(14)2.1.2散射计资料反演基本思想(15)2.1.3散射计资料反演基本流程(17)2.2中性风(17)2.2地球物理形式函数(18)2.3利用地球物理形式函数反演风矢量(20)2.5本章小结(22)第三章散射计风速风向资料预处理技术(24)3.12DVAR风向模糊去除(24)2.3.1目的函数定义(24)3.2.2目的函数的转换(26)3.3.3目的函数最小化(28)3.2散射计资料风速风向的偏差订正(29)3.2.1散射计资料的偏差来源(29)3.2.2三元偏差订正方法(31)1.4本章小结(33)第四章散射计资料的风速风向观测算子设计(35)4.2真实风风速风向同化观测算子设计(35)4.3中性风风速风向同化观测算子设计(37)4.3.1引言(37)4.3.2垂直插值(38)4.3.3观测算子(39)4.4本章小结(41)第五章散射计资料风速风向同化数值实验(42)5.1形式介绍(42)5.1.1WRF形式介绍(42)5.1.2三维变分同化系统(43)5.2ASCAT散射计风资料介绍(44)5.3个例介绍和实验设计(45)5.3.1台风“布拉万介绍(45)5.3.2实验设计(46)5.4结果分析(47)5.4.1台风途径和强度分析(47)5.4.224h预报风场分析(49)5.4.3预报场的RMSE比拟(52)5.4.4同化诊断量分析(53)5.4.5实验结果总结(53)5.5本章小结(54)第六章总结和瞻望(55)6.1论文小结(55)6.2下一步工作(56)致谢(58)参考文献(59)作者在学期间获得的学术成果(62)表目录表1.1以发射时间为序列的卫星散射计计划(6)表3.1控制变量中速度场的存储(25)图目录图1.1典型的外表观测数据分布图(1)图1.2典型的飞机观测数据分布图(2)图1.3典型区域同化分析循环流程(2)图1.4各种散射计天线足迹(7)图1.5ASCAT散射计观测的全球海面风场(9)图1.6ASCAT散射计对双台风菲特和丹娜丝的风场观测(10)图1.7主要工作构造图(13)图2.1雷达后向散射和海外表粗糙度的关系(15)图2.2散射计设计原理图(16)图2.3不同天线或得的多个可能风矢量(16)图2.4散射计资料反演流程(17)图2.5SEAWINDS散射计的地球物理形式函数(20)图2.6风速风向与后向散射系数关系图(21)图3.1KNMI对ASCAT卫星散射计资料风向模糊去除(24)图5.1WRF形式流程图(43)图5.2WRF3DVAR系统构造以及和WRF形式其他部分的关系(44)图5.312.5KM分辨率的ASCAT散射计风与浮标风比拟(45)图5.4台风“布拉万卫星云图(46)图5.5同化时刻ASCAT散射计风资料在模拟区域分布情况以及“布拉万台风中心位置(46)图5.6台风“布拉万途径预报(48)图5.7台风“布拉万强度预报值(48)图5.8ASM_DIR同化的24H预报风场以及和控制实验24H预报风场偏差(50)图5.9预报场RMSE廓线图(51)图5.10分析增量均方差的垂直分布(52)摘要散射计作为卫星遥感探测仪器，观测范围覆盖全球海面约70%的面积，并且能够穿透云层、可进行全天候、全天时风场监测，提供准确的海洋外表风速和风向的信息。散射计资料高分辨率、高时效性、覆盖面广的特点有效弥补了海洋常规观测资料的缺乏，成为海洋外表风场探测的主要手段。有效同化散射计资料为海洋天气的预报发挥着积极作用。本文从散射计资料反演入手，对散射计反演的风场资料预处理技术包括风向模糊消除和偏差订正进行研究。然后根据现有散射计资料同化中存在的问题，提出了散射计资料作为风速风向进行同化的方法，并根据散射计反演的中性风和真风分别设计了风速风向观测算子，最后针对真实风观测算子进行了数值实验。散射计后向散射系数与海洋外表粗糙度有关，而海洋外表风场的变化会引起粗糙度的变化，所以能够通过散射计后向散射系数来反演海洋外表风场。通过建立后向散射系数与海洋外表风场的函数关系，即地球物理形式函数，来反演海表风场。其中，最常用的反演算法为以贝叶斯理论为基础的MLE法。根据使用的地球物理形式函数的不同，散射计资料能够反演为海洋外表10m真实风和10m中性风。散射计反演的风场资料包含了多个风向模糊解，使用散射计资料时需要进行风向模糊消除。2DVAR模糊去除是先进的模糊去除方法。它通过将目的函数进行傅立叶转换、赫尔姆兹变换和规则化处理，减少了求目的函数梯度的计算量。根据散射计资料观测的方式，以及反演经过中做的假设，散射计风场观测存在偏差。与浮标风相比，浮标风具有较高的准确度。三元偏差订正方法采用浮标风、NWP风对散射计风进行偏差订正，通过偏差订正后的散射计风测量误差期望为0，即订正后的散射计风具有无偏性。大部分风场观测资料以风速和风向形式进行采集。传统的散射计反演风资料同化是将风向风速度转换为经向风v和纬向风u后再引入同化系统，具有不能有效利用风向误差统计信息的缺点。然而假如直接使用风速和风向进行同化，则风向观测误差信息便会引入到同化中。基于这一思想，本文分别对散射计反演的10m真实风和10m中性风设计了风速风向同化算子。并且对10m真实风的风速风向同化算子进行数值实验，实验结果表明设计的新算子对于台风途径和强度的预报效果优于传统uv同化算子。而散射计资料反演10m中性风风速风向观测算子的有效性还需进行数值实验。关键字：散射计；风速风向同化；中性风；模糊去除；偏差订正