一种基于进化策略的3D-Var代价函数优化方法

果 表 明 经 优 化 后 的误 差 与传 统 方 法 相 比非 常 一 致 ， 从 而 验 证 了进 化 策 略 算 法 在 资 料 同 化 问 题 中 应用 的可 行 性 。
关键词 Ｌ ｏ ｒ ｅ ｎ ｚ 模 式 资料 同化 三 维 变 分 方 法 进 化 策 略
引 言
函数 的梯 度信息 ， 对 函数是 否连续 也没有 要求 ， 不受 初值 选取 的影 响 ， 在 非 线性 问题 的求解 中有 着较 好 的性 能 。 同时 ， 应用 智 能 型算 法 研 究 资料 同化 问题 已经取 得一定 的成 果口 卜 Ｈ ］ ， 本文 的前期 成 果 进 化策
ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗｗ ｗ． ｑ ｘ ｋ ｊ ． ｎ ｅ ｔ ． ｃ ｎ气 象 科 技
算 法就 是其 中的一 种 基 于全 局 搜 索 的智 能 型算 法 ，
其 以适 应度 函数作 为 优 化依 据 ， 求 解 过 程 中不 需 要
国 家 自然 科 学 基 金 （ ６ １ １ ０ ３ ２ ３ ５ ） 、 灾 害 天 气 国 家重 点 实 验 室 基 金 （ ２ ０ １ ０ １ Ａ Ｓ Ｗ— Ａ０ ２ ） 资 助 作 者 简介 ： 耿 焕 同 ，男 ， １ ９ ７ ３年 生 ， 教授 ， 主要 从 事 计 算 智 能 和 资料 同化 研 究 ， Ｅ ｍａ ｉ ｌ ： ｈ ｔ ｇ ｅ ｎ ｇ ＠ｎ ｕ ｉ ｓ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｅ ｆ ｔ
资料 同化 问题本 质 上一 个 优化 问题 ， 而 进 化 算
将进 化策 略算法 应用 到变分 同化方 法 中。将三 维变
分方 法 中的代价 函数作 为进 化策 略算法优 化 的 目标 函数 ， 应用 进化 策略算 法优 化此 目标 函数 ， 以求 得最 优分 析场 。分析 并 比较基 于进化策 略算 法 的三维变
耿焕 同 张建 孙 义 杰 黄 艳 红
（ １江 苏 省 网络 监 控 中心 ， 南京信息工程大学计算机与软件学院 ， 南京 ２ １ ０ ０ ４ ４ ；
２人 工 智 能 及 其 应 用 实 验 室 ， 南京信息工程大学计算机与软件学院 ， 南京 ２ １ ０ ０ ４ ４ ）
摘要
数值 天气 预报 准 确 性 直 接 取 决 于 好 的 预 报 模 式 和 初 始 场 ； 资 料 同化 方 法 就 是 一 种 有 效 的 求 解 初 始 场 方 法 。
其中， 变 分 同 化 技 术 被 公 认 为 是 提 高 数 值 预 报 模 式
文 中利用 进化 策略算 法求解 数值 优化 问题 的优 势， 结合 变分 资料 同化方 法 ， 提 出一种 基于 进化策 略 的变分 同化 方法 ， 用 于 研 究变 分 资 料 同化 问题 。 由 于进 化算法 在求 解这 些 数值 问题 方 面 的优 越 性 ， 故
初始 场质量 的有 效方 法 之 一 ， 但 是 由于预 报 模 式 的 不 连续会 导致变 分 同化方法 中使 用 的优 化方 法需满 足 连续条 件这 一 前 提不 再 成 立 ］ 。 同时 ， 变 分 同 化
方 法 中常用下 降算法 的迭代 数值 法需 要 函数 梯度 信
息， 并对 迭代选 取 的初估值 有很 大 的依 赖 ， 这 些数 值 解 法往往 易 陷入 局部 最 优 。 因此 ， 寻 找 一种 方 便 使 用， 能进 行全 局优化 的算 法十分 必要【 。
准确 的 天气 预报 需 要 准确 的 预报 初值 ， 在 为 数
学习、 模式 识别 、 优化 控制 等领 域 中
。进 化 策 略
值天气 预报 模式 提供准 确 、 合 理 的初 值 问题 上 ， 资料
同化 是一 种十分 有效 可行 的方法 。气象 资料 同化是 提 高数值 天气 预报 质量 的一 个 重要 方 面 ， 尤 其 随着
第 ４ １卷 第 ２ 期 ２ ０ ｌ ３年 ４月
气 象
科
技
ＶｏＬ ４ １， ＮＯ．２ ＡＤｒ ．２ ０１ ３
Ｍ ＥＴＥＯＲ０Ｉ ＯＧＩ ＣＡＬ ＳＣＩ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＩ ＯＧＹ
一
种 基 于 进化 策略 的 ３ Ｄ — Ｖａ ｒ 代价 函数 优 化 方法
分 资料 同化与 原有 三 维变 分 同化方 法 的同 化效 果 ， 在 Ｌ ｏ ｒ ｅ ｎ ｚ 一 ９ ６和 Ｌ ｏ ｒ ｅ ｎ ｚ 一 ６ ３模 式 中 进 行 了 理 想 个 例
试验。 １ 基 本 理 论
法（ Ｅ Ａ） 已成 为主 要 的 优化 求 解方 法 之 一［ ７ 书 ， 因此 开展进 化算 法在 资料 同化 中的应用研 究具 有一 定探 索性 。进化 算法是 一种 模拟生 物进 化规 律 的搜 索 和 优化 计算方 法 ， 其 特 点 是 具 有 很 强 的通 用性 、 鲁 棒 性， 并且便 于并行 处理 等特 点 ， 已被成功 应用 于机 器
鉴 于 进 化算 法 在求 解 这 些 数 值 问题 方 面 的优 越 性 ， 将 进 化 策 略 算 法 应 用 到 变 分 同化 方 法 中 ， 即 将 三 维 变 分 方 法 中
的 代 价 函数 作 为进 化 策 略 算 法 优 化 的 目标 函 数 ， 应 用 进 化 策 略 算 法 优 化 此 目标 函数 ， 均 衡 背 景 场 和观 测 场 ， 以求 得 最优分析场。以 Ｌ ｏ ｒ ｅ ｎ ｚ 一 ６ ３和 Ｌ ｏ ｒ ｅ ｎ ｚ 一 ９ ６模 式 为 例 ， 进 行 了理 想 个 例 试 验 ， 与 传 统 三 维 变 分 方 法 进 行 对 比 。试 验 结
数 值天气 预报 水平 的高低 已经成 为衡 量世 界各 国气象 事业 现代化 程度 的重要 标志 。而初 始场 的准
确与 否是影 响 数值 天 气 预报 的重 要 因 素
。业 务
略在气 象学 反 问题 求 解 算 法 中的 研究 ［ １ 取得 一 定
进展。
预报 中心通 常使