Chaba台风四维变分同化试验中观测偏差订正方案特性研究

1、Chaba台风四维变分同化试验中察看误差校订方案特点研究纲要：本文针对目前数值天气预告资料变分同化中广泛采用的两种误差校订方法离线误差校订和变分误差校订，结合四维变分同化，经过Chaba台风个例数值试验，商议解析两种误差校订方法在台风初始化中的察看误差订正特点和察看误差预告算子特点。结果表示，对照与离线察看误差校订方法，变分察看误差校订方法由于有效利用无偏老例察看资料信息，能更加有效正确去除察看误差，同化的卫星察看资料数量也更多；同时，结合两种误差校订方法估计的归一化的预告算子系数，定性诊断了预告算子可否对模式误差敏感。本文研究有助于察看误差校订方案在资料同化数值天气预告系统中的应用。要点词：

2、四维变分同化；察看误差校订；台风初始化序言变分资料同化方法为目前构造数值天气预告初始场的最常用方法。变分同化目前主要包括三维变分同化（3D-Var）和四维变分同化（4D-Var）1，2。4D-Var利用多个时次的观测资料信息及模式动力方程作为拘束，相对3D-Var能构造更优的模式初始场，其逐渐成为各大业务预告中心最主要的同化方法之一。变分资料同化理论建立在背景场和察看资料满足正态无偏分布特点基础上，实质应用中，某些种类察看资料（如卫星察看资料）其实不完好满足无偏特点，经常存在不相同程度的察看误差，察看误差的存在将会严重影响同化初始场精度，进而影响预告收效。随着现代探测手段的发展，同化系统中可利

3、用的卫星资料不断增添，对卫星察看资料推行误差校订和去除，是充分利用卫星资料的一个重要手段。关于卫星资料误差校订，目前变分同化中主要包括两种方式：第一是Offline离线误差校订方法（OffBC），第二是变分误差校订方法（VarBC）3。OffBC误差校订方法平时假设卫星察看误差为模式若干状态变量的函数，模式状态变量的相对权重则经过一段时间的卫星察看资料样本和模式背景场样本统计获取，其中并未利用老例察看等无偏察看资料信息。VarBC误差校订方法的提出用以战胜OffBC误差校订方法非动向估计误差的弊端，其经过将误差校订预告算子系数作为控制变量引入至同化系统中，基于整个同化区间的卫星察看资料和无偏老

4、例察看资料信息，动向实时更新误差校订预告算子系数，进而动向估计校订察看误差4。本文针对OffBC误差校订和VarBC误差校订方法，在比较介绍两种方法基本理论基础上，结合4D-Var同化台风初始化，经过Chaba台风个例数值试验，商议解析两种方法在台风初始化中的察看误差校订特点及察看误差预告算子特点，以便为期在台风初始化中的进一步应用供应理论基础。试验设计本章以2010年Chaba台风为例进行研究。数值试验采用一重网格方案，地区中心为，水均分辨率为45km，水平格点数为，垂直方向为28层。同化试验同化窗区均为6小时，同化时段为10月25日06时-12时；预告试验进行72小时预告。同化试验均基于版

5、本4D-Var同化系统、预告试验均基于版本推行5。同化试验中均同化老例察看资料、bogus资料和amsua、amsub卫星资料。共睁开三组比较试验，分别为：未进行误差校订的4D-Var试验（4D-Var-NoBC）、OffBC误差校订的4D-Var试验4D-Var-OffBC）和VarBC误差校订的4D-Var试验4D-Var-VarBC）。试验结果3.1察看误差校订特点表1同化的amsua（amsub）察看资料数量表1表示三组比较试验中同化的amsua和amsub卫星观测资料数量。表中显示，4D-Var-VarBC同化卫星资料最多，而4D-Var-NoBC同化卫星资料最少，这主若是由于同化系

6、统中对卫星资料进行质量控制时，需要利用察看资料与背景场模拟亮温差别相关信息，对察看资料不进行误差校订或误差校订不合理都会对质量控制产生影响，进而影响同化的资料数量。由于台风初始化过程中，背景场资料误差相对较大，使得4D-Var-NoBC和4D-Var-OffBC试验中剔除的察看资料相对很多。需注意到，相关于4D-Var-VarBC试验，4D-Var-OffBC试验和4D-Var-NoBC试验剔除的amsua资料百分比明显比amsub资料大，这在必然程度上说明本次个例中amsua资料误差相对amsub资料更明显。由于4D-Var-OffBC试验和4D-Var-VarBC试验同化的察看资料数量存在

7、必然差别，本文选择差别相对较小的noaa-16-amsub和noaa-18-amsua察看数据进行察看误差相关特点解析。图1表示noaa-16-amsub卫星察看资料误差订正前后背景场模拟亮温与察看资料散点分布图。noaa-18-amsua结果与noaa-16-amsub相似，本文中并未给出。依照无偏原则，散点图中散点应基本均匀分布在对角线两侧。图中显示，卫星资料未进行误差校订时，散点分布明显有偏于对角线，特别是noaa-16-amsub第5通道，这说明卫星资料全部通道均存在必然的察看误差，对卫星资料进行误差订正特别有必要。但是，这其实不能够说明两种误差校订方法都正确去除察看误差。图1误差校订

8、前后，noaa-16-amsub背景场模拟亮温与实质察看资料散点图（第一、二、三行分别为4D-Var-NoBC、4D-Var-OffBC和4D-Var-VarBC试验，每行从左到右表示3，4，通道）3.2察看误差预告算子特点Auligne等3中指出，察看误差预告算子对察看误差的贡献大小可经过归一化的预告算子系数绝对值进行定性刻画，预告算子系数大小可在必然程度上反应各个通道察看误差主要本源。同时，预告算子可否对模式误差敏感，可经过比较4D-Var-OffBC和4D-Var-VarBC试验估计的预告算子系数进行刻画，若是两者系数相差比较小，说明该预告算子对模式误差不敏感；若是两者系数相差比较大，则

9、说明该预告算子对模式误差敏感。图2表示4D-Var-OffBC和4D-Var-VarBC试验估计的noaa-16-amsub和noaa-18-amsua卫星资料误差预告算子归一化系数。关于noaa-16-amsub，通道3中两种方法计算的各误差预告算子系数基实情等，这说明通道3中各误差预告算子均对模式误差不敏感；通道5中除地区误差预告算子（pred1）外，其他预告算子两种方法计算的系数基实情等，并且地区误差预告算子系数差别特别大（相差两个量级），说明该预告算子对模式误差特别敏感；通道4中除卫星扫描一次方预告算子（pred6）外，其他预告算子系数相差比较明显，而地区误差预告算子系数相差相对较大（

10、相差一个量级），说明除卫星扫描一次方预告算子外，其他预告算子都对模式误差敏感。关于noaa-18-amsua，所有通道预告算子系数相差相对很小，可见，noaa-18-amsua全部通道对模式误差均不敏感。这可能与察看资料所在地区相关，本文中所采用noaa-18-amsua察看基本位于西北角陆地区域，且为单轨道察看，使得各察看点其他7个预告算子差别很小，察看误差可全部近似用地区误差表示。以上解析表示，不相同种类资料不相同通道各预告算子关于模式误差的敏感性其实不相同，这可能与各察看通道特点相关；同时，模式误差的影响更有可能包括在地区误差预告算子中。图24D-Var-OffBC和4D-Var-Var

11、BC试验估计的noaa-16-amsub和noaa-18-amsua卫星察看误差预告算子系数，100和10表示预告算子实质系数为图中所示数值的100和10倍。总结和结论变分资料同化在目前构造数值天气预告初始场的最主要方法之一，而卫星察看资料为变分同化中最主要的察看资料之一。由于卫星察看仪器误差、察看算子误差等影响，卫星资料不能防备存在不相同程度的察看误差，而察看误差是影响资料变分同化收效的一个重要因素，有效去除卫星察看资料的察看误差显得特别重要。本文结合高级有效的四维变分（4D-Var）同化方法，针对目前广泛采用的两种察看误差校订方法离线察看偏差校订和变分察看误差校订，选择Chaba台风个例数

12、值试验，商议解析了两种方法的察看误差校订特点和察看误差预告算子特点。结果表示，对照与离线察看误差校订方法，变分察看误差校订方法由于有效利用无偏老例察看资料信息，能更加正确正确去除察看误差，同化的卫星察看资料数量也更多；同时，结合两种误差校订方法估计的归一化的预告算子系数，定性诊断了预告算子可否对模式误差敏感。下一步研究工作是结合察看误差校订特点，谈论不相同偏差校订方法对台风路径和强度预告的影响，进一步解析阐述误差校订方法对台风初始化的影响。参照文件钟剑，费建芳，程小平，等.数字滤波弱拘束四维变分同化在台风初始化中的应用I个例试验.物理学报，2014，63（11）：119203.钟剑，费建芳，董钢，等.数字滤波弱拘束四