基于对偶数理论的资料同化新方法

针对变分资料同化中目标泛函梯度计算精度不高且复杂等问题, 提出了一种基于对偶数理论的资料同化新方法, 主要优点是: 能避免复杂的伴随模式开发及其逆向积分, 只需在对偶数空间通过正向积分就能同时计算出目标泛函和梯度向量的值. 首先利用对偶数理论把梯度分析过程转换为对偶数空间中目标泛函计算过程, 简单、高效和高精度地获得梯度向量值; 其次结合典型的最优化方法, 给出了非线性物理系统资料同化问题的新求解算法; 最后对Lorenz 63混沌系统、包含开关的不可微物理模型和抛物型偏微分方程分别进行了资料同化数值实验, 结果表明: 新方法能有效和准确地估计出预报模式的初始条件或物理参数值.     

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.     

一种基于复数域微分的资料同化新方法

提出了一种基于复数域微分的资料同化新方法. 针对变分资料同化中目标泛函梯度计算复杂和精度不高的问题, 首先利用复变量求导法把梯度分析过程转化为复变泛函的数值计算, 进而高效和高精度地获得梯度值; 然后结合经典的最优化方法, 给出了非线性物理系统资料同化问题的新求解算法; 最后对典型混沌系统和包含“开关”现象的单格点比湿发展方程进行了资料同化数值实验, 结果表明新方法能非常有效地估计出非线性动力预报模式的初始条件. 关键词： 资料同化 复数域微分 非线性物理系统 梯度分析     

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     

变分同化结合广义变分最佳分析对微波散射计资料进行海面风场反演

针对微波散射计资料的海面风场反演,本文首先利用QuikSCAT卫星散射计的近实时资料,借助荷兰皇家气象学会的SeaWinds散射计数据处理模式,在不同风速和海域的情况下,采用多解方案结合二维变分同化方法进行风向的模糊去除,达到消除解的不唯一性的目的,且对4种反演结果（低速风、中速风、高速风和近海岸风）与美国国家海洋和大气管理局卫星资料中心的近实时风场数据的对比分析,说明了该技术的有效性.在此基础上,对反演得到的中速风场利用广义变分最佳分析方法进行了调整,调整后的风场结构有了进一步的改善.此方法可为我国散射计资料反演海面风场的研究提供新的思路和方法. 关键词： 多解方案 二维变分同化 广义变分最佳分析 正则化方法     

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.     

梯度计算的集合变分方案及其在大气Ekman层湍流系数反演中的应用

大气Ekman层湍流系数的准确计算对数值天气预报和污染物扩散计算有着重要的意义. 将集合计算和变分法结合起来, 提出了目标泛函梯度计算的集合变分方案, 并根据正演模式的线性化情况提出了两种计算流程. 利用这种集合变分梯度算法及两种流程对Ekman层湍流系数进行了反演试验, 结果表明这种算法实施简单、方便, 根据观测资料能够比较准确地反演湍流系数值. 关键词： 梯度计算 集合变分 湍流系数 反演     

变分同化结合广义变分最佳分析对微波散射计资料进行海面风场反演

针对微波散射计资料的海面风场反演,本文首先利用QuikSCAT卫星散射计的近实时资料,借助荷兰皇家气象学会的SeaWinds散射计数据处理模式,在不同风速和海域的情况下,采用多解方案结合二维变分同化方法进行风向的模糊去除,达到消除解的不唯一性的目的,且对4种反演结果（低速风、中速风、高速风和近海岸风）与美国国家海洋和大气管理局卫星资料中心的近实时风场数据的对比分析,说明了该技术的有效性.在此基础上,对反演得到的中速风场利用广义变分最佳分析方法进行了调整,调整后的风场结构有了进一步的改善.此方法可为我国散射计资料反演海面风场的研究提供新的思路和方法.     

机载激光通信终端的模糊变结构跟踪方法研究(英文)

为避免经典固定模型集合中多模型算法造成的模型间竞争并减小计算量,基于有向图切换的变结构方法,建立有向图切换规则和较完备的模型集合.通过模糊逻辑推理得到模型集合中各模型的匹配度,以此代替传统多模型算法中的模式概率来计算,降低了计算的复杂度.采用核粒子滤波克服了标准粒子滤波没有考虑到的量测信息问题,即粒子能够通过核密度估计后朝着状态的后验概率密度的模型移动,使真实和估计模型之间的均方误差最小.仿真结果表明,基于模糊理论的变结构核粒子滤波算法能较大地提高跟踪准确度和减少计算量.     

以全球谱模式为约束的四维变分资料同化系统YH4DVAR的设计和实现

四维变分资料同化仍将是未来相当长时间内业务数值天气预报中所使用的主流同化方法．针对全球数值天气预报业务系统对气象资料同化技术的需求,在WRFDA软件框架结构的基础上,发展了一个与全球谱模式配套使用的四维变分资料同化系统YH4DVAR．系统将背景场、观测处理、重力波控制和偏差订正进行综合考虑,设计了一体化目标函数,引入了小波背景场误差协方差模型,实现了增量方法以及卫星遥感资料的直接同化．单点试验表明YH4DVAR的背景场误差模型具有各向异性、垂直相关和水平相关不可分离性、以及与位置的相关等特性．从2009年7月到2010年6月的分析预报试验结果表明,由YH4DVAR和全球谱模式组成的分析预报系统在北半球和亚洲地区的可用预报时效可以达到8天以上．     

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.     

精确计算n-(n)重正化链图传播下n+(n)→2π0反应截面

采用中子n-反中子n与中性介子π0强相互作用的Lorentz不变耦合模型,对n-n重正化链图传播子作了有关物理分析及其严格解析计算,获得精确理论计算结果.进而将此结果用于n n→2π0反应的物理过程分析及其截面的计算研究中,并精确计算出n-n重正化链图传播下n n-2→2π0反应微分截面.还将此计算结果与n-n树图和重正化单圈链图传播下n n→2π0反应微分截面作了对比分析,获得了有关辐射修正的重要信息.此结果对于深入研究Lorentz不变耦合模型理论以及深入探索核物理中关于核子、反核子与介子强相互作用的粒子反应截面问题具有一定的参考价值.此外,还将对量子场论微扰理论中关于逐阶重正化计算的不同考虑方式与计算途径及其相关物理过程提供某些值得借鉴之处.     

大气边界层模式中随机参数的反演与不确定性分析

在大气边界层气象中湍流黏性系数是一个很重要的参数,通过直接观测往往无法得到其准确值,仅能通过间接观测获得大致范围.本文选用随机广义Ekman动力近似模式中的湍流黏性系数进行反演研究与不确定性分析.首先利用风速观测数据,并采用基于混沌多项式的集合Kalman滤波方法对系数进行反演,降低其不确定性,缩小可能取值的范围,该方法的核心思想是将集合Kalman滤波方法中求解模式不确定性传播的方法由蒙特卡罗法改为混沌多项式展开,从而避免大规模采样带来的计算资源耗费.然后进行数值实验,结果表明该方法能够有效且快速地求解出湍流黏性的后验概率分布,从而达到降低系数不确定性的目的.根据系数的先验分布计算出风速的先验分布,从而找到风速不确定性大的区域,且揭示了在不确定性大的区域内的观测数据进行系数反演可得到十分明显的效果,这对于观测点位置的选择提供了重要的指导.     

基于延伸期可预报性的集合预报方法和数值试验

集合预报是考虑初始条件和模式不确定性的有效途径. 结合延伸期可预报性特征,对具有不同特性的可预报分量和随机分量采用不同的集合预报方案和策略,发展了一种基于延伸期可预报性的集合预报新方法(PBEP).该方法以延伸期数值预报模式为平台,对可预报分量采用多个模式误差订正方案,从考虑模式不确定性的角度进行集合;而对随机分量则利用历史资料从气候概率的角度给出集合概率分布,避免模式误差对随机分量概率分布的影响.试验结果表明,相比于国家气候中心的业务动力延伸集合预报系统,该集合预报方法对全球各区域环流预报技巧均有提高,对不同空间尺度的波也有不同程度的改进,显示出潜在的业务应用前景.     

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     

模式误差弱约束四维变分同化研究

经典四维变分同化(four dimensional variational data assimilation,简称4dvar)中认为模式是完美的, 而实际数值模式中存在的模式误差将对变分同化效果产生直接影响, 弱约束4dvar的提出为4dvar中考虑模式误差的影响提供了一种可行途径. 研究了基于模式误差控制变量的弱约束4dvar基本理论, 并在一维浅水方程组中对其同化效果及估计模式误差的有效性进行相关数值实验研究. 结果表明,在模式误差不可忽略的情况下,模式误差弱约束4dvar在整个区间 (包括同化区间和预报区间)上预报误差均比传统4dvar小, 在模式误差相对较大时改进效果更明显,具有明显优越性; 并且,模式误差弱约束4dvar能有效估计模式误差大小及分布形式.     

一种多分辨率高维图像特征匹配算法

通过对图像进行特征提取和变换,图像的相似性匹配可以转换为高维向量空间内的点匹配. 为了解决高维数据的维数灾难问题,提出一种基于多分辨率数据结构的向量近似方法. 从低分辨率开始计算距离下限,如果距离下限大于目前结果集中的最大距离,则不需要在高分辨率上计算其距离而将其排除掉,从而降低了向量近似方法的运算复杂度. 提出应用此方法的近邻搜索算法并运用到图像数据库的特征匹配中,实验证明：新方法搜索效率优于传统的向量近似方法.     

一类Fermi气体在非线性扰动机制中轨线的渐近表示

研究了一维Fermi气体的非线性扰动模型.首先构造了相应的泛函,其次选取Lagrange乘子,再利用改进的广义变分迭代方法得到了此模型轨线的近似解析解.列举了一个简单的例子,指出利用改进的广义变分方法得到的轨线有较好的近似度.主要研究目的是提供一种求解非线性物理问题的有效方法.     

协调多时次差分格式的数值试验

在一个简化气候模式的混沌态上，针对影响实际预报准确度的多种因素，将协调多时次差分 格式与提为时间演变的变分同化进行了全面的比较.结果发现协调多时次差分格式可以有效 地纠正模式误差，尤为独特之处在于其还可以有效地纠正微分方程本身不完善所造成的误差 ，而这一点正是变分同化所不及的. 关键词： 协调多时次差分格式 变分同化 全局数值试验 混沌     

一种基于模糊C均值聚类小数据量计算最大Lyapunov指数的新方法

在小数据量计算最大Lyapunov指数的过程中,为了减少人为因素识别线性区域带来的误差,提出一种基于模糊C均值聚类的新方法.该方法根据平均发散程度指数曲线的变化特征,利用分类算法进行识别.首先,利用小数据量算法对混沌时间序列进行计算得到平均发散程度指数集合;其次,利用模糊C均值聚类算法对平均发散程度指数集合进行分类,得到不饱和数据;然后,对不饱和的二阶差分数据进行分类,得到零附近波动数据并剔除粗大误差,再对保留的有效数据利用统计方法识别出线性区域;最后,对线性区域进行最小二乘法拟合得到最大Lyapunov指数.为了验证该算法的有效性,对著名Logistic和Hénon混沌系统进行了仿真,所得结果接近理论值.实验表明,所提出的新方法与主观识别方法比较,计算结果更加准确.