GPS掩星一维弯曲角算子在四维变分资料同化系统中的实现方法研究

GPS无线电掩星资料的良好特性使其作为十分重要的观测资料在欧洲 及美国数值天气预报中效果明显. 本文设计了一维弯曲角算子在四维变分资料同化系统中的实现方法和质量控制策略. 详细阐述了一维弯曲角正演算子及其切线性/伴随算子在全球四维变分资料同化系统中的实现步骤和过程, 其中折射率计算中采用Rüeger的折射率最佳平均因子的三项表达式, 计算出更加精确的折射率值. 对2012年8月份的GPS无线电掩星资料进行了观测误差统计, 引入了更加符合四维变分资料同化系统实际情况的一维弯曲角观测误差模型和质量控制策略. 同时, 对比了观测误差统计试验中同化GPS无线电掩星资料的模式背景场和未同化GPS无线电掩星资料的背景场的观测误差统计结果, 发现同化GPS无线电掩星资料之后的观测误差统计结果在全球区域正作用十分明显, 尤其是在中低纬度地区, 高度在10 km 以上的区域观测误差减小十分明显. 关键词： GPS无线电掩星 一维弯曲角算子 四维变分同化系统 质量控制     

大亚湾核电站周围大气流场监测数据同化分析

在大亚湾核电站周围大气流场分布模拟计算中,引入了一种简化的同化技术,用以解决观测数据在时间、空间上分布不均匀导致的流场预报误差.测试并分析了该同化技术对计算模式和初始场的影响,结果表明该同化方法对模式误差和初始场误差的抑制是显著的.     

GPS“射线打靶”模式高效数值方法的研究及其并行实现

全球定位系统(GPS)"射线打靶法"是GPS MET(气象)资料变分同化中一种自成一体的观测算子,由于其计算量非常巨大而一直没能在资料同化中得到使用.为了减少该观测算子的计算量,针对GPS射线轨迹方程为一可分Hamilton系统的特点,采用二阶经济辛格式求解,与经典的四阶Runge Kuntta法相比,不仅计算准确度没有降低甚至有所改善,而且节省近4倍的计算时间.同时进一步研究了改进后的GPS"射线打靶"模式的并行实现.     

垂直天线阵观测信息反演大气折射率廓线

利用垂直天线阵观测得到的电磁场信息建立目标泛函,从电磁波抛物方程传播模式出发,利用偏微分方程最优控制中的伴随方法研究大气折射率廓线反演问题. 针对反演的不适定性,采用正则化思想对目标泛函进行改造,并根据变分同化思想构建反演迭代格式. 数值模拟试验验证了理论算法的可行性. 由于采用分步Fourier算法求解电磁波抛物方程传播模式和伴随模式过程中产生的固有误差随着传播距离的增加累积增大,反演廓线在传播距离较远时不能收敛于观测廓线. 在这种情况下,引入较好的初猜廓线和背景场可以有效地改进反演结果. 关键词： 大气折射率 电磁波抛物方程 变分伴随 正则化     

资料同化中的数字滤波弱约束试验及分析

气象数值预报中,由于分析过程引入初始非平衡,从而引起虚假快波振荡,重力波控制弱约束把资料分析过程和初始化过程结合在一起,通过数字滤波弱约束在极小化过程中实现对分析场的平衡约束,克服非平衡问题. 以2008年初的一次南方雨雪天气为研究个例,进行了数字滤波弱约束的同化试验和预报试验,结果表明,数字滤波弱约束4D-Var能充分控制快波振荡的出现和初始调整现象,使得到的分析场不仅能更好的逼近观测,而且能更好地与模式动力相协调. 预报检验的结果表明,在同化过程中施加数字滤波弱约束,能有效滤除由于地形或观测资料等因素 关键词： 变分同化 初始非平衡 数字滤波 弱约束     

优化模式物理参数的扩展四维变分同化方法

数值模拟的一个重要误差来源是模式物理参数,为提高模拟准确率,如何改进模式物理参数是亟需解决的问题.本文对经典四维变分同化技术进行了改进,提出了一种新的利用观测资料来同时优化模式初始场和物理参数的扩展四维变分同化方法,并以Ekman边界层模式和Lorenz模式为例进行了数值试验.结果表明,利用本文提出的新方法,通过对观测资料的变分同化,可以在实现对模式初始场进行优化的同时,纠正了模式物理参数中的误差,从而有效提高了模式的模拟准确率.该方法对于改进数值模式物理参数有着重要的促进意义.     

一种新的可能的复合场的量子场论

本文引进了双粒子的双重定域场算符和Bethe-Salpeter的算子方程来描述复合场的运动和变化,进一步扩展了H-N-Z的束缚态场论。     

微泡对高强度聚焦超声声压场影响的仿真研究*

微泡对高强度聚焦超声(HIFU)治疗焦域具有增效作用,而HIFU治疗中不同声学条件下微泡对HIFU形成声压场的影响尚不清楚。本文基于气液混合声波传播方程、Keller气泡运动方程、时域有限差分(FDTD)法和龙格-库塔(RK)法数值仿真研究输入声压、激励频率、气泡初始空隙率和气泡初始半径对HIFU形成声压场的影响。研究结果表明,随着输入声压的增大,焦点处声压升高但焦点处最大声压与输入声压的比值减小,焦点位置几乎不变;随着激励频率和气泡初始半径的增大,焦点处声压升高且焦点位置向远离换能器方向移动;随着气泡初始空隙率的增大,焦点处声压降低且焦点位置向换能器方向移动。     

二维静电场E分量的直接解法

本文从静电场的基本方程出发，由基于矩阵算子的分离变量法直接求二维场域中各点的电场强度Ｅ的大小和方向，而不引入辅助势．此项工作拓宽了分离变量法的应用范围，同时，给出了静电场问题的一种新解法     

二维静电场E分量的直接解法

本文从静电场的基本方程出发,由基于矩阵算子的分离变量尘直接求二维场域中各占煌电场强度Ｅ的大小和方向,而不引入辅助势,此项工作拓宽了分离变量法的主命邮静电场问题的一种新解法     

Variational assimilation in combination with the regularization method for sea level pressure retrieval from QuikSCAT scatterometer data I: Theoretical frame construction

A new method of constructing a sea level pressure field from satellite microwave scatterometer measurements is presented. It is based on variational assimilation in combination with a regularization method using geostrophic vorticity to construct a sea level pressure field from scatterometer data that are given in this paper, which offers a new idea for the application of scatterometer measurements. Firstly, the geostrophic vorticity from the scatterometer data is computed to construct the observation field, and the vorticity field in an area and the sea level pressure on the borders are assimilated. Secondly, the gradient of sea level pressure (semi-norm) is used as the stable functional to educe the adjoint system, the adjoint boundary condition and the gradient of the cost functional in which a weight parameter is introduced for the harmony of the system and the Tikhonov regularization techniques in inverse problem are used to overcome the ill-posedness of the assimilation. Finally, the iteration method of the sea level pressure field is developed.     

孤立波对水下山包的绕射及开路边界条件的应用比较

在无界域的数值方法中,开路边界条件(Open Boundary Condition(OBC))是一个十分重要的研究课题.对于波动问题已有许多不同形式的OBC。但对它们的有效性,许多还缺乏在直接应用中的分析比较。本文以非线性长波的Boussinesq方程为控制方程组,在方形人为边界上采用了几类较重要的OBC,计算了无界水域中孤立波对水下山包的绕射。文中既给出了令人感兴趣的三维散射图案,又对这些OBC的有效性作了分析比较,对它们的可用性提出了一些有参考价值的意见。     

透平叶栅三维粘性气动反问题的控制理论方法

将基于控制理论的形状优化设计方法应用于粘性可压流动条件下的透平叶栅三维气动反设计,详细推导了三维N-S方程伴随系统的偏微分方程组及其各类边界条件.讨论了伴随系统的解的适定性条件,并由此给出应用N-S方程进行气动优化的目标函数的选取限制.研究了伴随方程的数值求解技术,给出敏感性导数的最终计算式,结合拟牛顿算法发展了三维透平叶栅粘性反问题的气动设计方法.     

用积分法求解脉冲磁控管的温度分布

本文是处理脉冲磁控管温度分布的计算方法。磁控管的温度分布是二阶非线性偏微分方程。用积分方法进行离散求解。     

透平叶栅三维形状反问题研究

随着CFD技术的发展,基于伴随方法的求解Euler和NS方程的气动优化设计已成为流体力学形状反问题研究中的热门领域.本文应用该方法对透平叶栅进行三维气动优化设计,详细推导了Euler方程伴随系统的偏微分方程组及其各类边界条件,首次给出了透平内流伴随方程边界条件的具体形式,并给出伴随变量的物理意义.结合拟牛顿算法发展了三维透平叶栅形状反问题气动优化算法,并给出了算法的流程.     

Burgers方程初边值条件的控制

为将优化控制技巧用于复杂的地球物理环流模型及其它领域,以Burgers方程为模型,描述了初边值条件的优化控制.在一般化的意义上,给出了连续问题及其相应的离散形式.引入伴随变量,并由此导出伴随方程.比较初始控制中不同频率误差对优化控制的影响,分析了用有限观测数据作空间插值后的数据、方法的优化控制能力及效果,并进行了数值实验.     

海面目标红外辐射场的理论模拟和计算软件

对海面舰船的温度场和红外辐射场的理论模型进行研究,得到了计算机模拟的完整方程组.研制了整套进行理论建模的计算机软件,并对某舰的温度场和红外辐射场进行模拟,得到与真实场景吻合的计算结果.     

聚焦超声源对生物媒质加热的理论研究

用差分法求解生物热传导方程,研究了凹球面聚焦超声换能器用于热疗时在人体组织内产生的稳态温度场.引入热焦距及等温线,分析了换能器参数、生物组织特性参数对有效治疗区的影响,并对声场和温度场特征进行了比较 关键词： 聚焦超声 热疗 生物组织 温度场     

Generalized form of the direct and adjoint radiative transfer equations

The main goal of this paper is to give a rigorous derivation of the generalized form of the direct (also referenced as forward) and adjoint radiative transfer equations. The obtained expressions coincide with expressions derived by Ustinov [Adjoint sensitivity analysis of radiative transfer equation: temperature and gas mixing ratio weighting functions for remote sensing of scattering atmospheres in thermal IR. JQSRT 2001;68:195-211]. However, in contrast to [Ustinov EA. Adjoint sensitivity analysis of radiative transfer equation: temperature and gas mixing ratio weighting functions for remote sensing of scattering atmospheres in thermal IR. JQSRT 2001;68:195-211] we formulate the generalized form of the direct radiative transfer operator fully independent from its adjoint. To illustrate the application of the derived adjoint radiative transfer operator we consider the angular interpolation problem in the framework of the discrete ordinate method widely used to solve the radiative transfer equation. It is shown that under certain conditions the usage of the solution of the adjoint radiative transfer equation for the angular interpolation of the intensity can be computationally more efficient than the commonly used source function integration technique.     

环形等离子体平衡时维持场电流的计算

本文介绍一个计算轴对称任意截面环形等离子体平衡问题的方法。先选定等离子体边界和环电流分布,用有限元方法解平衡方程的边值问题。借助于虚壳原理,得到用平衡方程解表示的能够产生平衡时所需要的维持场的虚壳电流。计算虚壳电流在等离子体区的维持场,以它为根据,采用积分方程开拓,求等离子体区外某位形上的维持场电流分布。解决这个问题的主要困难是当磁场向外开拓时遇到了不适定问题。我们用奇异值分解方法解不适定的Fredholm第一类积分方程。这个方法能容易地找到稳定解,对解决这个平衡问题是简单有效的。我们以七种等离子体截面形状,三种电流分布为具体模型,在三种维持场电流分布位形上给出了维持场电流分布。还给出了维持场形态,维持场总电流与等离子体总电流的比较,并简单讨论了维持场对等离子体整体稳定性的影响。 关键词：