条件非线性最优扰动台风目标观测 框架系统

图 1 目标观测示意图（周菲凡，2009） 。
条件非线性最优扰动（CNOP）台风目标观测框架系统是将 CNOP 方法（Mu et al. 2003）应用于台风目标观测进行敏感区识别的框架系统(如图 2)。目前，它 主要基于美国国家大气研究中心 （NCAR） 与宾夕法尼亚大学共同发展的第 5 代中 尺度模式 （简称 MM5 模式； Dudhia 1993） 及其伴随系统 （MM5_ADJ; Zou et al. 1997） 和大规模非线性优化算法谱投影梯度算法（SPG2；Birgin et al. 2001） 。 首先，由 MM5 模块（即 MM5 模式的前处理部分）提供初、边值条件，接着
1， 对 cnop-target 文件夹的说明 该文件夹是利用 MM5 模式及其伴随系统 MM5_ADJ 计算 CNOP、 第一线性奇异 向量（LSV）的文件夹。其中，子文件夹 MM5 为 MM5 模式的前处理部分；子文件 夹 cnop、lsv、 mkobs、以及 readout 为新创建的文件夹。其余子文件夹采用的 是 MM5_ADJ 里的子文件夹。 cnop 文件夹用以计算 CNOP；lsv 文件夹用以计算 LSV。 mkobs 文件夹用以产生 CNOP、LSV 计算需要的一些量，如初始扰动 pert.D， 初始基本态 U0.IC, 预报时刻基本态 Uth.D(需改名为 Ut_BAS.SAVE)，以及计算 所需 psdc.txt 文件。上述文件生成后需拷贝到 cnop 或 lsv 文件夹中。 readout 文件夹用以把计算结果转换成二进制的形式。
对 cnop‐target 文件夹的说明……..…….…….…….…….…….……………..4 CNOP 计算前准备工作……..…….…….…….…….…….………………….….4
进入 cnop‐target/MM5 子文件夹 （MM5 模块） ……..…….…….…….…….4 进入 cnop‐target/mkobs 子文件夹 （mkobs 模块） ……..…….…….…….……4 进入 cnop‐target/cnop 子文件夹（cnop 模块）……..…….…….…….…….5
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(1)修改 mmlif： 根据维数，需要修改 nestix, nestjx （即模式所用格点数） ； 根据需要，修改积分时间长度 TIMAX （以分钟为单位） ； 根据所用分辨率，修改 TISTEP （ 3 倍的分辨率，例如， 120km, 那么 TISTEP=360） (2)修改../include/parame.incl (即退出 mkobs 文件夹，进入 include 文 件夹，修改 parame.incl) 根据维数，修改 MIX, MJX, MKX （即模式所用格点数， 有 MIX=nestix, MJX=nestjx，MKX 为垂直层数）
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理请见框架系统示意图 将 CNOP 台风目标观测框架系统发展成台风目标观测业务系统，一方面，需 要与业务数值天气预报系统相结合，以实时进行计算；另一方面，需要发展高速 快捷的优化算法以达到业务实时发布的要求；此外，还需要发展高级的可视化的 操作平台，基于这个平台，可以进行是否开展目标观测的决策，可以快捷地确定 出增加观测的区域， 同时可以将需要增加观测的指令 （包括观测区域及观测手段） 快捷地发送给各个观测部门。

执笔人：周菲凡，Email: zhouff04@ 1
由 mkobs 模块产生基态场和初始扰动，然后由 cnop 模块计算得到 CNOP，再由 readout 模块计算 CNOP 的垂直积分能量，据此确定敏感区。其中，mkobs 模块和 cnop 模块是基于 MM5_ADJ 建立起来的，需要调用 MM5_ADJ 的子程序及头文件； mkobs 模块主要调用了 MM5_ADJ 的非线性积分程序；cnop 模块除了调用 MM5_ADJ 的非线性积分程序，还需要调用伴随程序，用以进行梯度的计算。 cnop 模块在进行优化计算时采用 SPG2 算法， 该算法的优点是能够准确求解 含有球约束和盒子约束的最小值问题，且能够进行高维数的计算。因此在 CNOP 的求解过程中，我们是将其转换成最小值问题进行求解。 在此，初始扰动的约束方式采用球约束方式，这里我们将初始扰动的干能 量约束在某个数值内（该数值的取值标准为使得优化得到的 CNOP 的量级与当前 数值天气预报的分析场的误差的量级相当，具体如何选取可见第二部分中关于 deltaa 的取值说明，不同取值对 CNOP 的影响有多大，可见 Mu et al. 2009 及 周菲凡，2009） 。 在优化求解过程中 SPG2 算法要求提供目标函数及目标函数关于初始扰动的 梯度。因此，主要子程序 evalfg2 用以计算目标函数和梯度。这里，将非线性发 展后的扰动的干能量做为目标函数(以其他能量形式如动能和湿能量做为目标函 数，计算结果较为相似，可见周菲凡，2009)，并由此通过调用伴随程序计算相 应的梯度（梯度的数学表示可见附录 1） 。 SPG2 算法迭代终止的条件有四个：一是收敛（即梯度小于某一给定值） ，二 是迭代次数超过某一给定的数值，三是线性搜索次数超过某一给定数值，四是出 现异常终止命令。当满足上述四个条件之一时，迭代将终止，同时输出最优初始 扰动，否则将利用梯度更新初始扰动，并对新初始扰动重新进行约束处理，然后 再次进入到 evalfg2 程序中进行目标函数和梯度的计算， 直至满足迭代终止条件 为止。 这里需指出的是，需要由 mkobs 模块产生多个初始扰动，将由多个初始扰 动通过 cnop 模块得到的最优初始扰动对应的目标函数进行比较，目标函数最小 的初始扰动即为 CNOP。 CNOP 方法及其计算原理请见附录 1，CNOP 方法在台风目标观测中的应用原
条件非线性最优扰动台风目标观测 框架系统
技术报告
完成人： 穆 穆1，周菲凡2，王洪利3，段晚锁2，秦晓昊2
1 中国科学院海洋研究所； 2 中国科学院大气物理研究所； 3 美国国家大气研究中心（NCAR）
执笔人：周菲凡
二〇一三年三月五日
目 录
CNOP 台风目标观测框架系统介绍……..…….…….…….…….…….………..1 CNOP 台风目标观测框架系统的操作……..…….…….…….…….…….…….3
附录……..…….…….…….…….…….…….……..…….…….…….…….…….…………..9
CNOP 方法及其计算原理……..…….…….…….…….…….…………….…….9 CNOP 在目标观测中的应用原理……..…….…….…….…….…….………11
参考文献……..…….…….…….…….…….……. ……..…….…….…….…….…….…12
二、CNOP 台风目标观测框架系统的操作说明
首先，由 MM5 模块（即 MM5 模式的前处理部分）提供初、边值条件，接着由 mkobs 模块产生基态场和初始扰动，然后由 cnop 模块根据 SPG2 算法计算得到 CNOP，再由 readout 模块计算 CNOP 的垂直积分能量，据此确定敏感区。
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完成上述修改后，进行编译（make） ，生成可执行文件 mkobs.exe。 运行 mkobs.exe，生成初始基本态 U0.IC, 预报时刻基本态 Uth.D，初始扰 动 pert.D，以及计算所需的 psdc.txt 文件。 另外， 通过修改 mmlif 中的 TIMAX， 多次运行 mkobs.exe 可以得到多个 pert.D 以及多个时刻的 Uth.D。 强调：需要运行得到和优化时间长度匹配（将 TIMAX 设置成所要优化的时间 长度）的一个 Uth.D，将其重命名为 Ut_BAS.SAVE。 2.3 进入 cnop-target/cnop 子文件夹（cnop 模块） 将 BDYOUT_DOMAIN1 链接为 fort.9； 将 LOWBDY_DOMAIN1 链接为 fort.10； 将 MINPUT_DOMAIN1 链接为 fort.11； 将 mmlif 链接为 fort.7； 将 ehtran.ascii 链接为 fort.8； 将 landuse.tal 链接为 fort.12； （1） 将 mkobs 里生成的 pert.D， U0.IC， Ut_BAS.SAVE， psdc.txt 拷贝过来。
CNOP 的计算……..…….…….…….…….…….…………………………………….7 第一线性奇异向量（LSV）的计算………………………….……..…….…….7 对计算结果的处理……..…….…….…….…….…….…………………………...9 测试数据……..…….…….…….…….…….…….……..…….…….…….…….…..9
条件非线性最优扰动（CNOP）台风目标观测框架系统 技术报告
穆穆
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周菲凡
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王洪利
3
段晚锁
2
秦晓昊
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1 中国科学院海洋研究所； 2 中国科学院大气物理研究所；3 美国国家大气研究 中心（NCAR）
一、CNOP 台风目标观测框架系统介绍
目标观测，又称为适应性观测（Snyder 1996） ，是指为了最大地提高未来某 一时刻（ t1 ，验证时刻，也称预报时刻）某一地区（ D1 ，验证区域）的预报技巧， 通过一些方法确定在此之前的某一时刻（ t0 ，目标观测时刻）某一区域（ D0 ， 敏感区）增加观测，此外还有决策时刻（ t d ） ，如图 1 所示。它的关键是进行敏 感区的识别。台风目标观测即为提高台风预报技巧的目标观测策略。
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（2）如前修改 mmlif，但这里 TIMAX 必须设置为优化时间长度。 （3）修改 allpara，主要修改： MAXITT，为迭代的步数； ISTARTT, 初始扰动的产生方式（这里给出 4 种方式，此外，还可根据需要， 自行产生，比如，可用随机方法产生的随机扰动做为初始扰动） ： a, 选择 4，为采用 mkobs 里生成的 pert.D； b, 选择 2，以第一次计算得的 ST 作为初始扰动； c, 选择 3， 以第一次计算的中间输出 CNOP03070400D24H.XXX 作为初始扰动； d, 选择 1，相当于在 cnop.f 程序里再计算 pert.D. IDWW，IUPP, JLFF, JRTT 这四个数给定了验证区域在整个模式 domain 中的 位置，如何计算请见附件中的程序 verifyarea.for，在 windows 下进行计算。 deltaa, 初始扰动的约束半径的值。选取的标准是使得计算得到的 CNOP 的 风场、 温度场等分量的量值和当前大气分析场的误差相当。一般采用如下公式计 算：deltaa**2/(mix*mjx*mkx)=beta, beta=0.03~0.3 之间，通常取 0.1。不同 取值结果差别有多大，可见周菲凡（2009）博士论文。 （4）修改 cnop.f。主要修改： NMAX （总维数，NMAX = mix*mjx*mkx*6+mix*mjx） ； MIX, MJX, MKX （即模式所用格点数） 注意：NMAX 不只在程序开头，在 spg2 子程序里也需要修改。 （5）修改../include/parame.incl (即退出 cnop 文件夹，进入 include 文件夹，修改 parame.incl；如果在 mkobs 步已经修改过就不需要再次修改) 根据维数，修改 MIX, MJX, MKX （即模式所用格点数， 或者说 MIX=nestix, MJX=nestjx，MKX 为垂直层数）