有限区域风场的分解和重建

对有限区域进行旋转风和辐散风的分解,是中尺度系统结构分析的一种诊断方法,可提高对中尺度系统动力结构的认识. 一方面,有限区域风场的分解可以给出总风场中无辐散风与无旋转风的不同分布,还可根据这两种风场的分布特征进行不同要求的分析;另一方面,由于耦合边界条件不能直接计算,计算过程中必须简化处理,使有限区域风场分解本身还有许多问题没有很好解决. 目前,对风场进行有效分解的方法是对有限区域里的流函数和速度势进行求解,然后对流函数和速度势求导得到对应的无辐散风与无旋转风. 有限区域流函数和速度势求解的准确程度主要以分解后的风场能否还原到原始风场（即风场重建）为标准. 本文总结了有限区域风场分解和重建的方法,重点介绍了调和正弦/余弦方法,该方法可较准确有效地解决有限区域风场的分解和重建问题,对进一步研究天气系统的动力结构有较好效果.     

有限区域风场的分解和重建

对有限区域进行旋转风和辐散风的分解,是中尺度系统结构分析的一种诊断方法,可提高对中尺度系统动力结构的认识. 一方面,有限区域风场的分解可以给出总风场中无辐散风与无旋转风的不同分布,还可根据这两种风场的分布特征进行不同要求的分析;另一方面,由于耦合边界条件不能直接计算,计算过程中必须简化处理,使有限区域风场分解本身还有许多问题没有很好解决. 目前,对风场进行有效分解的方法是对有限区域里的流函数和速度势进行求解,然后对流函数和速度势求导得到对应的无辐散风与无旋转风. 有限区域流函数和速度势求解的准确程度主要以分解后的风场能否还原到原始风场（即风场重建）为标准. 本文总结了有限区域风场分解和重建的方法,重点介绍了调和正弦/余弦方法,该方法可较准确有效地解决有限区域风场的分解和重建问题,对进一步研究天气系统的动力结构有较好效果. 关键词： 有限区域 风场分解和重建 调和正弦/余弦方法 流函数和速度势     

有限区域风场分解方法及其在台风SAOMEI研究中的应用

介绍了有限区域水平风场分解的调和-余弦计算方法,该方法把函数分成两部分之和.第一部分是Laplace方程在给定边界条件下的解,由于Laplace方程的解是调和函数,这个部分可称为调和部分,又因为其与区域内部值无关,也称外部部分.第二部分是原始函数与调和部分之差,这个函数是齐次边条件下Poisson方程的解,只与区域内部的涡度或散度有关,故称为内部部分,可以展开成双傅氏的余旋函数系列.调和-余弦计算方法的求导都是用谱系数进行,计算精度比常用的差分方法高两阶以上.而且,由于外部部分对应的边界条件物理意义清楚,边界光滑,成功克服了有限区域流函数和速度势迭代求解出现的计算不稳定、原始风场无法还原、边界上的系统缺失等问题,可以准确分解和重建有限区域的风场.利用NCEP/NCAR 1°×1°的实时分析资料和日本气象厅区域谱模式(RSM)20km分辨率的再分析资料,利用调和-余弦算法得到的无辐散风分量和无旋风分量,对2006年的8号超强台风“桑美"(SAOMEI)进行风场结构的比较分析.结果发现,低层无辐散风比原始风场与台风中心的对应关系更好;同时,无旋风分量能更好地显示原始风场上并不明显的低层辐合高层辐散的特征,大尺度无辐散风分量可以更清晰地显示出台风的水汽输送通道.从与台风中心的对应关系看,台风在海上发展阶段,SAOMEI台风的旋转中心与辐合中心并不是时时重合,这个特点只能通过风场分解才能得到.此外,SAOMEI登陆以后,南部洋面上发展起来的对流活动从水汽和能量补充方面都不利于SAOMEI的维持.可见,分解后的无辐散风场和无旋风场能更清楚地体现出SAOMEI的风场结构,在台风结构分析中有重要的推广应用价值. 关键词： 台风 水平风场分解 调和-余弦算法     

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.     

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     

变分伴随正则化方法从雷达回波反演海洋波导(Ⅱ):实际反演试验

在理论推导的基础上,分别利用模拟和实测的雷达回波资料进行反演试验.在模拟雷达回波资料反演时,分别对不引入正则化项和引入正则化项的反演结果进行讨论;在实际雷达回波资料反演时,讨论了反演结果对初猜值精度的依赖性,分别考虑初猜值为经验模型给定时和初猜值为统计反演结果时对最后反演精度的影响.最后比较了变分伴随正则化方法与传统统计反演算法的优缺点,指出下一步反演算法的改进方向.     

变分伴随正则化方法从雷达回波反演海洋波导 Ⅰ.理论推导部分

针对传统统计反演算法在雷达回波反演海洋波导(RFC)方面计算量过大的问题,提出一种变分伴随正则化物理反演算法.在变分伴随方法中分别导出切线性模式、伴随方程及伴随边界条件、伴随方程求解表达式、以及泛函梯度的数学表达形式;讨论了伴随方法求泛函梯度对复方程如何协调的问题.考虑到雷达电磁波传播的特征,选择了适当的正则化项来解决反演中的不适定问题.最后给出反演算法实施中的迭代格式.     

基于变分方法的混沌系统参数估计

提出一种基于变分原理的估计混沌系统未知参数的方法,对以x= F(x,θ) 为控制方程的所有混沌系统具有普适性.首先将混沌系统方程引入到目标泛函中;接着利用变分原理导出了混沌系统的伴随方程和待辨识参数泛函梯度的通用公式;然后设计了估计混沌系统未知参数的算法;最后对典型的Lorenz混沌系统和超混沌Chen系统的未知参数进行了估计.数值仿真结果表明该方法是一种非常有效的估计混沌系统未知参数的方法. 关键词： 混沌系统 参数估计 变分方法 伴随方程     

基于二阶离散变分方法的非线性映射参数估计

提出一种估计非线性映射未知参数的二阶离散变分方法.首先针对非线性离散混沌系统, 利用变分方法导出了伴随方程和目标泛函梯度, 以此为基础利用二阶离散变分方法给出了二阶伴随方程和精确计算Hessian矩阵-向量乘积的显式表达式; 其次设计了估计非线性映射未知参数的新算法, 并以此对Hyperhenón映射和二维抛物映射中的未知参数进行了精确的估计. 数值仿真结果表明了该方法的有效性和优点. 关键词： 非线性映射 参数估计 二阶离散变分方法 伴随方程     

利用变分结合正则化方法对高度计风速资料调整海面风场的研究

利用变分结合正则化方法,对高度计风速资料在无辐散和有辐散两种情形下的背景风场进行调整,同时进行了数值试验.试验表明:高度计风速对背景风场的调整有积极作用,特别是高度计沿轨区域风场调整效果更为明显.对高度计后向散射截面进行了敏感性试验,当后向散射截面存在随机扰动时,利用高度计风速调整海面风场具有较强的抗噪性.最后进行实例试验,结果表明该方法是切实可行的.     

Application of the Tikhonov regularization method to wind retrieval from scatterometer data I. Sensitivity analysis and simulation experiments

Scatterometer is an instrument which provides all-day and large-scale wind field information, and its application especially to wind retrieval always attracts meteorologists. Certain reasons cause large direction error, so it is important to find where the error mainly comes. Does it mainly result from the background field, the normalized radar cross-section (NRCS) or the method of wind retrieval? It is valuable to research. First, depending on SDP2.0, the simulated `true' NRCS is calculated from the simulated 'true' wind through the geophysical model function NSCAT2. The simulated background field is configured by adding a noise to the simulated 'true' wind with the non-divergence constraint. Also, the simulated 'measured' NRCS is formed by adding a noise to the simulated 'true' NRCS. Then, the sensitivity experiments are taken, and the new method of regularization is used to improve the ambiguity removal with simulation experiments. The results show that the accuracy of wind retrieval is more sensitive to the noise in the background than in the measured NRCS; compared with the two-dimensional variational (2DVAR) ambiguity removal method, the accuracy of wind retrieval can be improved with the new method of Tikhonov regularization through choosing an appropriate regularization parameter, especially for the case of large error in the background. The work will provide important information and a new method for the wind retrieval with real data.     

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.     

Variational assimilation in combination with a regularization method for sea level pressure retrieval from QuikSCAT scatterometer data II: simulation experiment and actual case study

The sea level pressure field can be computed from sea surface winds retrieved from satellite microwave scatterometer measurements, based on variational assimilation in combination with a regularization method given in part I of this paper. First, the validity of the new method is proved with a simulation experiment. Then, a new processing procedure for the sea level pressure retrieval is built by combining the geostrophic wind, which is computed from the scatterometer 10-meter wind using the University of Washington planetary boundary layer model using this method. Finally, the feasibility of the method is proved using an actual case study.     

Manipulating charge‐transfer character and tuning emission color with electron‐withdrawing main‐group moieties in iridium‐based electrophosphors: a theoretical investigation

A new way has been investigated for tuning the optical and electronic performance of cyclometalated iridium(III) phosphors by simple tailoring of the phenyl ring of ppy (Hppy = 2‐phenylpyridine) with various main group moieties in [Ir(ppy‐X)₂(acac)] (X = POPh₂, SO₂Ph, GePh₃, OPh, OPh(CF₃)₃, SOPh). The geometric and electronic structures of the complexes in the ground state are studied with time‐dependent density functional theory (TD‐DFT) and Hartree–Fock method, whereas the lowest singlet and triplet excited states are optimized by the configuration interaction singles method. At the TD‐DFT level, absorptions and phosphorescence properties of the studied molecules were calculated on the basis of the optimized ground‐ and excited‐state geometries, respectively. The various main group moieties produce a remarkable influence on their optoelectronic properties. The calculated data reveal that the studied molecules have improved charge transfer rate and balance and can be used as hole and electron transport materials in organic light‐emitting devices. In particular, the work can provide valuable insight toward future design of new and relatively rare luminescent materials with enhanced electron‐injection and electron‐transporting features. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.