卫星高度计波高数据同化对西北太平洋海浪数值预报的影响评估(论文)

［ ］ １ ４
使用的一种卡尔曼滤波同化
方法 ， 采用了一种降维技术 ， 将海浪预报方程对频率 和方向积分得到能 量 预 报 方 程 ， 由于波－波相互作 用在频率和方向空间积分为零 （ 波 波相互作用的守 ? ， 恒性质 ） 避免了计算量最大的一项 。 最优插值同化
收稿日期 ： 修订日期 ： ２ ０ ０ ９ ０ ７ ０ ５； ２ ０ ０ ９ １ １ １ ２。 ） 。 基金项目 ： 重大海洋灾害预警及应急技术研究 （ ２ ０ ０ ６ Ｂ Ａ Ｃ ０ ３ Ｂ ０ ３
中图分类号 ： Ｔ Ｐ ３ １ １； Ｐ ７ ３ ７ 文献标志码 ： Ａ （ ） 文章编号 ： ０ ２ ５ ３ ４ １ ９ ３ ２ ０ ０ ９ ０ ６ ０ ０ ０ １ ０ ８
１ 引言
海洋卫星提供了大量可靠的近实时海浪观测数 据， 使得通过同化 方 法 改 善 海 浪 分 析 和 预 报 成 为 可 能 。 国外从 ２ ０ 世纪 ８ ０ 年代开始注重海浪数据同化 的应用研究 ， ９ ０ 年代高度计 有 效 波 高 数 据 同 化 技 术 已经得到业务应用 ， 所使用的海浪同化方法有逐步 订正 方 法 法
２ 测误差 协 方 差 取 为 犗 其 中δ ｒ ｏ ｎ ｅ ｃ ｋ ｅ ｒ σ δ 犽 狅 犽 犽 犼＝ 犼， 犼为 ｋ ］ ７ ／ 符号 。 张志 旭 等 ［ 在利用 Ｔ ｏ ｅ ｘ Ｐ ｏ ｓ ｅ ｉ ｄ ｏ ｎ高度计 ｐ
数据进行 南 海 台风 浪同化研究时波高 均 方 根 误差σ 狅
［５ ］ 取 为 ０． 利用美国资料浮标中心 ３ ｍ； Ｄ ｕ ｒ ｒ ａ ｎ ｔ等 １
海浪的最优插值同化过程是以有效波高 背景 场
卫星高度计波高数据同化对西北太平洋海浪数值预报的 影响评 估 ６ 期 王毅等 ：
３
根 据国家海洋环境预报中心预报 （ 没有同化 ） 检验 平 均 结果 ， 取背景 场的 均 方 根 误差 （ 记 为σ 为 ０． ６ ｍ。 狆）
犔 都 是经 验 常数 。 α， γ， β， ［ ］ １ ６ Ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ ｓ ｌ ａ ｄ ｅ和 Ｙ ｏ ｕ ｎ ｇ 总结了不同作者在高 度计波 高 数 据 同 化 中 关 于 这 些 参 数 的 取 法 （ 参见
∑犠
犼＝１ 犖ｏ ｂ ｓ
犿 犼
ｏ ｂ （ ， 犎犼 － 犎犼 ）
（ ） １ （ ） ２
犠犿 犼 ＝
∑犘
犽＝１
犿 犽
（ 犕－１） 犽 犼，
（ ） 犕犽 ３ 犽 犽 犼 ＝犘 犼 ＋犗 犼， ） ） 式（ 中插值 权 重 犠 犿 １ ３ ～（ 犼 与 波高观测误差 协 方 差 犗犽 犘犿 犽 犽 有 关 。 和国 内 犼 和波高 背景 场误差 协 方差 犘 犼， 外同 类 研究中的 做 法 一 样 ， 在具体的计算过程中观
［ ９－１ ２］ ［ １］
方法主要优 点 是 计 算 量 小 ， 适 合 业 务 应 用， 是目前 欧、 美等发达国家的 海 浪 预 报 普 遍 采 用 的 数 据 同 化 技术 。 中国国家海洋环境预报中卜已经建立了基于 ） 模式的西北 ＳＷＡＮ（ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓＮ ｅ ａ ｒ ｓ ｈ ｏ ｒ ｅ ｇ ＷＡ 太平洋海浪数值业 务 预 报 模 式 ， 但是在H常数值预 报过程中仍没有把卫星观测数据用于资料同化运算 以求得初始场 。 本文把最优插值和海浪谱重构技术 与 ＳＷＡＮ 模式结合 起来 ， 建立了海浪的最优插值同 化预报模式 ， 用国家海洋环境预报中卜 ２ ０ ０ ８年３月 和 ９ 月基于 每天 的 ＭＭ 模式 ５（ Ｍ ｅ ｓ ｏ ｓ ｃ ａ ｌ ｅＭ ｏ ｄ ｅ ｌ５） 预报 风 场 驱动 海浪同化模式 ， 用相应时 期的 Ｊ ａ ｓ ｏ ｎ １ ? 卫星高度计有效波 高 数 据 进 行 同 化 对 比 分 析 （ 用于 ， 对 比检验 的数据为 未参与 同化运算的 独 立数据 ） 通 过业务预报实 例检验 数据同化对西北太平洋海浪预 报的 影响 效果 ， 为今后海浪数据同化在国家海洋环 境预报中卜的业务化应用提供 依 据 。
第３ １卷 第６期 ２ ０ ０ ９年１ １月
Hale Waihona Puke 海 洋 学 报Ａ Ｃ Ｔ ＡＯ Ｃ Ｅ ＡＮＯ Ｌ Ｏ Ｇ Ｉ Ｃ ＡＳ Ｉ Ｎ Ｉ Ｃ Ａ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ １，Ｎ ｏ ． ６ Ｎ ｏ ｖ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ２ ０ ０ ９
卫星高度计波高数据同化对西北太平洋 诲浪数值预报的影响评估
２ ， 王毅１， 余宙文２
犖ｏ ｂ ｓ
ｂ 犎ａ 犿 － 犎犿 ＝
犎 数据 ； 犎
ｏ ， 犻 犽 犼，
— — — 取 值在 观 测 点 上 的 高 度 计 波 高 观 测 — — — 取 值在 网 格点上的波高 背景 场数据 ；
ｂ ， 犾 犿， 狀
ｂ — — 取 值在观测点上 的 波 高 背 景 场 数 据 ， ， 犎犻 犽— 犼， ｂ 可由数据 犎犾， 犿， 狀 经 内 插得到 ； ａ — —取 值 在 网 格 点 上 的 波 高 同 化 分 析 场 ， 犎犾 犿， 狀— 。 数据
（ ） 中国海洋大学 ， 山东 青岛 ２ 国家海洋环境预报中卜 ， 北京 １ １． ６ ６ １ ０ ０， ２． ０ ０ ０ ８ １
摘要 ：通过数值试验验证卫星高度计波高数据同化对西北 太 平 洋 ３ｄ 海 浪 预 报 的 改 进 效 果 。 驱 动 海浪模式的强迫场采用国家海洋环境 预 报 中 心 基 于 ＭＭ 波高数据同化使用的 ５ 模 式 预 报 的 风 场， 。 观测数据是 Ｊ ａ ｓ ｏ ｎ－１ 卫星高度计有效 波 高 用 最 优 插 值 数 据 同 化 方 法 获 得 海 浪 有 效 波 高 的 最 优 估计并重构相应的海浪方向谱 ， 以此为初始 场 进 行 为 期 ３ｄ 的 数 值 预 报 试 验 。 与 没 有 同 化 的 预 报 进行了比较和分析 ， 结果表明卫星高度计海浪数据同化对 ０～７ 改 ２ｈ 预报有不同程 度 的 明 显 改 善 ， 进程度随预报时效的增加而减少 。 关键词 ： 卫星高度计 ； 最优插值同化 ； 海浪预报
２ 有效波高最优插值和海浪谱重构
为了 说 明 海 浪 最 优 插 值 数 据 同 化 过 程， 首先介
， ： 作者简介 ： 王毅 （ 男， 山东省莱州市人 ， 在读博士 ， 主要从事海浪预报及数值模拟研究 。Ｅ １ ９ ７ １－ ） ｍ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｎ ｉ ｍ ｅ ｆ ｃ ． ｏ ｖ ． ｃ ｎ ＠ｎ ｇ ｙ ｇ
犔
１ ５ ° １ ３ ５ｋ ｍ ４ ０～２ ０ ０ｋ ｍ ３ ５ ０ｋ ｍ ３ ０ ０ｋ ｍ ２ ０ ０ｋ ｍ
Ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｎ ｂ ｒ ｏ ｅ ｋ
［ １ ６］ Ｙ ｏ ｕ ｎ ｇ 在海浪 同 化 研 究 中 曾 用 下 式 概 括 波 高 背
景 场误差 协 方差的 取 法
α β） ／ ） （ ／ ， 犘 １＋ （ 犱 犔） ｅ ｘ 犱 犔） －γ（ σ ｐ 犽 犽 犽 犽 犼 ＝σ 犼（ 犼 犼 （ ） ４ ａ
到观测点上的背景场波高； 下标 犿 表示拟求得同化分析波 高值的计算格点； 犎ｂ 犎ａ 犿， 犿 分别表示同化计算格点上的背 景场波高和分析场波高； 犚犿 表 示 以 计 算 格 点 犿 为 中 心 的 同化影响半径
２
海洋学报 ３ １卷
绍 同化所 涉 及到的数据的 定义 及其 取 值的空间 位置 分 布 。 本文在最优插值同化计算过程中 只 用到海浪 有效波高 （ 下面 以 犎 表示 ） 这 一 物理 量 ， 根据含义不 同分为 ３ 类 ： 第一 类 是有效波高 背景 场 （ 即 初估初始 ， 场） 由 非 同化预报 模 式 计 算 得 到 ， 为了后面叙述方 便起见 ， 以上 标 ｂ 表示 。 第 二类 是有效波高观测场 ， 由卫星高度计观 测 得 到 ， 以 上 标 ｏ表 示。 第 三 类 是 有效波高同化分析 场 ， 由前两类数据经同化处理后 得到 ， 以 上 标 ａ表 示。 上 述 ３ 种 类 型 波 高 数 据 的 取 值 位置又 可以分为 ２ 类 ： 一 类取 值在 网 格点上 ， 文中 ， 用 下标犾 另 一 类 取 值 在 观 测 点 上， 文 犿， 狀 等 表 示； ， 同化分析中将出现 中用犻 犽 等 表 示。 概 括 起 来， 犼， ） 。 如下 ４ 种 类型 的波高数据 （ 参考图 １
） 。 表１
表 １ 不同作者采用的波高背景场误差协方差模型
［ １ ６］ 参数 ［ 据犌 狉 犲 犲 狀 狊 犾 犪 犱 犲和 犢 狅 狌 狀 犵 ］
作者 Ｌ ｉ ｏ ｎ ｅ ｌ ｌ ｏ
５］ 等［ １ ７］ 等［ ［ １］
α
０ １ ０ ０ ０ ０
β
１ １ ２ ２ ２ １． ５
γ
１ １ ０． ５ ０． ５ ０． ５ １
（ 的 浮标 数据 检验 Ｊ Ｎ Ｄ Ｂ Ｃ） ａ ｎ ｓ ｏ ｎ １ 高度计 有 效 波 高 ? 得到的波高 均 方 根 误差σ ２ ２ ７ｍ。 本文同化过 狅 为 ０．
［５］ 程中 根 据 Ｄ 的结果取高度计有效波高 ｕ ｒ ｒ ａ ｎ ｔ等 １
的 均 方 根 误差σ ２ ２ ７ｍ。 狅 为 ０． ） ， （ ） 式（ 中犘 ２ ３ 犽 犼 是观测点犽 和犼 上的波高 背景 场误 差 协 方 差 ， 犘犿 犽 是 计 算 格 点 犿 和 观 测 点犽 的 波 高 背景 场误差 协 方差 。 下面说明 用相 关长 度法确 定
和有效波高观测场为基 础 的最小 二乘 意 义下 的有效 波高分析 。 下 面 将 以 一 个 计 算 格 点 犿 为 例 说 明 本 文最优插 值 同 化 的 整 个 计 算 过 程 。 对 于 计 算 格 点
ｂ 同化后 与 同化前的 有 效 波 高 修 正 量 犎ａ 犿， 犿 － 犎犿 由 一 定范围内 观测点上的观测值 与背景 值之差 加权 平
图 １ 有效波高最优插值同化过程中的数据 定义 及其 取 值 位置 的分 布
ｏ， ， 以犻 犽 等 标 示 区 分； 犎犻 表示观 测 数 据 的 取 值 位 置， 犼， ｏ， ｏ 表 示 观 测 点 上 的 观 测 波 高 ； ｂ， ｂ， ｂ 表 示 插 值 犎犼 犎犽 犎犻 犎犼 犎犽