多尺度/分块变分资料同化技术及其在热带气旋初值形成中的应用

摘要

在资料同化中，控制观测信息传播特征的最关键因子是背景误差协方差，大气真实的背景误差协方差与天气流型密切相关，即“依流型而变”（flow--dependent），它极大地影响着同化分析的结果。目前，三维变分资料同化中一般采用各向同性的模型化背景误差协方差，这不符合热带气旋的实际情况；四维变分资料同化的背景误差协方差只是从一个模型化的状态，在同化时间窗内隐式地发展，由于模式线性化、物理过程简化等所带来的四维变分资料同化固有缺陷，可能导致背景误差协方差不能按照真实情况合理地发展；集合卡尔曼滤波资料同化虽然利用了一个“依流型而变”的背景误差协方差来进行资料同化，但也存在集合成员代表性不够好、滤波发散等问题，特别是当热带气旋集合成员对路径预报有系统性的偏离时，背景误差协方差估计存在更加严重的问题。事实上，正是这些资料同化技术的各自弱点，在用于热带气旋初值形成中均存在不足，严重影响了热带气旋分析和预报能力的提升。所以，非常有必要地针对热带气旋资料同化的技术需求，建立能够运用依流型而变的背景误差协方差、适合热带气旋环流特征的资料同化技术，并优化背景误差协方差合理估计方案、完善观测算子设计和应用，高效地将热带气旋警报、卫星观测等时空分布零散、间接的观测资料融合成为符合物理规律和代表热带气旋结构的客观分析数据，从而改善热带气旋分析、研究和预报。　　本文在分析总结当前资料同化方法优缺点的基础上，提出了“观测分批变分资料同化技术”，并基于该技术，进而建立了“多尺度／分块变分资料同化技术”，使之较好地适用于热带气旋资料同化；还讨论了热带气旋资料同化的背景误差协方差估计方案及其对热带气旋资料同化的影响；最后，选择热带气旋警报、风云卫星FY2E红外观测两个典型资料进行了热带气旋Vicente的观测同化和预报试验。结果表明：本文所提出的“观测分批变分资料同化技术”，及其相应的“多尺度／分块变分资料同化技术”是成功的，能够合理地运用依流型而变的背景误差协方差；针对热带气旋环流的背景误差协方差估计方案也是反映了热带气旋环流的真实相关特性，正确地体现了观测信息的传播；两种典型观测的应用技术是有效的，能够在热带气旋初值形成中发挥作用，改进了热带气旋路径和强度预报。　　本文的特色与创新点：　　(1)提出了观测分批变分资料同化技术及其多尺度／分块的应用方法；　　(2)建立了“依流型而变”背景误差协方差的合理估计方案，能够反映出热带气旋环流的真实相关特征；　　(3)基于多尺度／分块变分资料同化技术，建立了热带气旋初值形成与典型资料同化应用方案。

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