齊鵬,范秀梅
(1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100039)
近年,我國(guó)海洋環(huán)境業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)部門(mén)已建立基于第三代海浪模式的全球海浪數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)化系統(tǒng)。但是,目前在海浪預(yù)報(bào)工作中,仍未能有效利用衛(wèi)星高度計(jì)波高測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行海浪的同化預(yù)報(bào)。從另一方面看,越來(lái)越多的海洋衛(wèi)星通過(guò)高度計(jì)提供全球大覆蓋量、高精度和實(shí)時(shí)的海洋表面測(cè)量數(shù)據(jù),使得將高度計(jì)實(shí)時(shí)波高觀測(cè)數(shù)據(jù)同化到海浪模式以改善模式預(yù)報(bào)初始場(chǎng),進(jìn)而提高海浪數(shù)值預(yù)報(bào)精度成為可能。
如上所言,海浪觀測(cè)方面,當(dāng)前海洋衛(wèi)星觀測(cè)已成為海洋環(huán)境立體觀測(cè)的主要手段之一。1978年,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)發(fā)射了具里程碑意義的海洋衛(wèi)星SeaSat-A,它發(fā)回的數(shù)據(jù)通過(guò)處理可獲得包括海面風(fēng)速、風(fēng)向、波高、波長(zhǎng)、波譜、海面溫度、大氣水含量、海冰、海面地形、海洋水準(zhǔn)面和高分辨率雷達(dá)圖像,而且測(cè)量精度基本達(dá)到實(shí)用要求。其后,主要有歐空局(ESA)1991和1995年先后發(fā)射的資源衛(wèi)星ERS-1和ERS-2;1992年NASA與法國(guó)國(guó)家空間研究中心(CNES)合作發(fā)射的TOPEX/Poseidon(簡(jiǎn)記為T(mén)/P),其后繼衛(wèi)星Jason-1于2001年底發(fā)射;2008年發(fā)射的Jason-2則是T/P和Jason-1的后繼衛(wèi)星,它的發(fā)射出于以下兩個(gè)目的:一是為海洋研究提供高質(zhì)量的觀測(cè),二是為同化和預(yù)報(bào)提供業(yè)務(wù)產(chǎn)品。另外,值得特別指出的是,2012年4月起我國(guó)第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星海洋二號(hào)(HY-2)已開(kāi)始向社會(huì)發(fā)布海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。
海浪模式方面,WAVEWATCH IIITM是由美國(guó)NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的 EMC(Environmental Modeling Center)下面的MMAB(Marine Modeling andAnalysis Branch)在WAVEWATCHⅠ和WAVEWATCHⅡ的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的全譜空間的第三代海浪模式。其不同之處主要體現(xiàn)在控制方程、程序結(jié)構(gòu)、數(shù)值和物理方法方面,允許用戶用自己的數(shù)值或物理方法發(fā)展一個(gè)基于WAVEWATCH IIITM框架的新的海浪模式;同時(shí),WAVEWATCH IIITM框架下的優(yōu)化方案、并行化算法、嵌套方案、輸入和輸出功能能方便地得到共享和使用。此外,本文所用版本W(wǎng)AVEWATCH IIITMversion 3.14提供多網(wǎng)格相互作用即網(wǎng)格嵌套的模式方案,使得在處理有開(kāi)闊水域邊界時(shí),能使用網(wǎng)格嵌套方案為開(kāi)邊界提供邊界條件。WAVEWATCH IIITM沒(méi)有提供可用的海浪同化代碼(雖然NCEP表示已在做海浪同化技術(shù)方面的工作,但目前并不打算發(fā)布海浪同化模塊),但提供了海浪同化的接口,這就方便我們將自己開(kāi)發(fā)的同化程序植入模式和隨模式的積分運(yùn)算而被調(diào)用,并將同化結(jié)果反饋到模式中,為模式預(yù)報(bào)所用。
只使用高度計(jì)波高數(shù)據(jù)的同化方法是由Esteva[1]和Janssen等[2]較早提出。Lionello等[3]認(rèn)為Janssen等[2]的同化方法太復(fù)雜,提出了更簡(jiǎn)明的方法。其方法分兩步:第一步,以實(shí)測(cè)有效波高(SWH)做最優(yōu)插值分析;第二步,由浪高分析場(chǎng)求總波能,然后利用總波能和初估模式譜得到最終的海浪分析譜。他們是利用插入觀測(cè)法或最優(yōu)插值法(Optimal Interpolation,OI)將觀測(cè)值同化到WAM(Wave Modelling)模式中。Mastenbroek等[4],Breivik 和Reistad[5],Lionello 等[6],Bender和 Glowacki[7]以 及Greenslade[8]應(yīng)用類似方法開(kāi)展同化海浪預(yù)報(bào),均收到不同程度改進(jìn)海浪預(yù)報(bào)的效果。國(guó)內(nèi)方面,張志旭等[9]使用一種簡(jiǎn)單的逐時(shí)同化的方法對(duì)海浪模式進(jìn)行高度計(jì)SWH數(shù)據(jù)同化試驗(yàn);王毅和余宙文[10]將最優(yōu)插值和海浪譜重構(gòu)技術(shù)與SWAN模式結(jié)合,建立海浪最優(yōu)插值同化預(yù)報(bào)模式。
總之,為提高海浪模式預(yù)報(bào)精度和延長(zhǎng)其預(yù)報(bào)時(shí)效,當(dāng)前,人們有條件大量使用高度計(jì)海浪觀測(cè)資料,將其同化到海浪模式以提高模式預(yù)報(bào)初始場(chǎng)的質(zhì)量,進(jìn)而提高海浪預(yù)報(bào)效果。
根據(jù)我國(guó)海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)的要求,結(jié)合當(dāng)前我國(guó)海上能源運(yùn)輸安全和海軍護(hù)航任務(wù)迫切需求,特別是圍繞關(guān)于重點(diǎn)開(kāi)展海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中關(guān)鍵技術(shù)的研究,建立印度洋海域海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng),提升我國(guó)遠(yuǎn)洋環(huán)境保障能力,我們研制了基于OI方法的高度計(jì)SWH數(shù)據(jù)同化并行模塊,并將其植入第三代海浪模式WAVEWATCH IIITMversion 3.14。通過(guò)同化Jason-2高度計(jì)SWH數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)模式邊積分邊同化的功能,進(jìn)行印度洋目標(biāo)區(qū)域海浪場(chǎng)短期預(yù)報(bào),并對(duì)同化提高模式預(yù)報(bào)初始場(chǎng)的質(zhì)量和同化對(duì)短期預(yù)報(bào)影響的效果和時(shí)效性進(jìn)行檢驗(yàn)。
最早,Eliassen[11]利用最小二乘法推導(dǎo)觀測(cè)值和背景場(chǎng)向量的OI方程。在對(duì)背景場(chǎng)和觀測(cè)誤差性質(zhì)充分了解的基礎(chǔ)上,OI方法充分利用背景場(chǎng)和觀測(cè)值的信息,給出一個(gè)方差最小意義下的最優(yōu)線性估計(jì)。式(1)和(2)為OI同化表達(dá)式。
式中,各下標(biāo)代表矩陣的維數(shù),n表示所有點(diǎn)數(shù),p表示觀測(cè)點(diǎn)數(shù);上標(biāo)a代表分析場(chǎng),也即加入同化后的模式波高場(chǎng);b代表背景場(chǎng),也即同化之前模式給出的(待同化的)波高場(chǎng);o代表觀測(cè)場(chǎng);矩陣H代表有效波高;P是觀測(cè)算子,它是一個(gè)插值算子(本文的插值方法為雙線性插值),作用于背景場(chǎng)Hb,可以得到觀測(cè)值的第一猜值PHb;W代表最優(yōu)權(quán)重矩陣;R代表觀測(cè)誤差協(xié)方差矩陣;B代表背景誤差協(xié)方差矩陣。
對(duì)于觀測(cè)誤差協(xié)方差矩陣R,與國(guó)內(nèi)外同類研究的做法一樣,這里R中元素的值取為:
式中,δkj是kronecker符號(hào);σ0的取值,根據(jù)Jason-2產(chǎn)品手冊(cè)中給出的高度計(jì)有效波高誤差為5%或0.25 m,同時(shí)考慮文中所用觀測(cè)時(shí)次的有效波高大都在5 m以內(nèi),故取σ0=0.25。易知,這里R事實(shí)上是一個(gè)p×p維的常值對(duì)角方陣,即不同點(diǎn)上觀測(cè)值之間是不相關(guān)的。
對(duì)于背景誤差協(xié)方差矩陣B,與國(guó)內(nèi)外同類研究的做法一樣,根據(jù)相關(guān)長(zhǎng)度法,其元素的值采用下面的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式:
式中,σp是模式預(yù)報(bào)的背景場(chǎng)的均方根誤差(RMS),并參考已有的業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)結(jié)果,這里σp取為0.6 m;dkj是觀測(cè)點(diǎn)k與 j之間的距離,以度為單位。L為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),取L=8Sx,Sx為模式的空間網(wǎng)格分辨率,本文取為1/3°,故L約為2.67°;換算成以km為單位,則L在300 km左右。通過(guò)試算同化效果,將L值調(diào)整到相對(duì)較為合理。
計(jì)算背景誤差時(shí),還需考慮兩點(diǎn)的背景方差能相互影響的最大距離,即影響半徑的問(wèn)題。文中影響半徑r的取法為r=11Sx,即約為400 km。最后,B矩陣中的元素由下式得到:
由式(5)可知,兩點(diǎn)之間的距離如果大于影響半徑r,就認(rèn)為它們之間的背景方差不相關(guān)。在OI同化方法中,觀測(cè)誤差協(xié)方差和背景誤差協(xié)方差對(duì)同化效果至關(guān)重要。因而,不排除為了同化的效果更好,不同海區(qū)在參數(shù)選取上可有不同,一般通過(guò)試算,可以獲得一個(gè)較合理的參數(shù)設(shè)置。
在處理占用內(nèi)存較大的背景誤差協(xié)方差矩陣時(shí),文中采用稀疏矩陣的表示方法,對(duì)稀疏矩陣的計(jì)算則采用專門(mén)處理稀疏矩陣的Sparse Blas函數(shù)庫(kù)里的函數(shù),以提高運(yùn)算速度。
完成上面工作后,接下來(lái)要做的是使編寫(xiě)好的OI同化模塊與WAVEWATCH IIITM模式實(shí)現(xiàn)對(duì)接。值得指出的是,這里開(kāi)發(fā)的同化模塊也是按并行設(shè)計(jì)的,這樣就與要植入其中的海浪模式在程序并行風(fēng)格上取得了一致。
WAVEWATCH IIITM由模塊ww3_shel控制整個(gè)模式的運(yùn)行(見(jiàn)圖1),而w3wavemd是模式的核心計(jì)算模塊;調(diào)用同化模塊是在模式積分到目標(biāo)時(shí)刻,輸出結(jié)果之前,被調(diào)用;同化完有效波高數(shù)據(jù)后,調(diào)用輸出模塊,輸出同化后的模式結(jié)果(見(jiàn)圖 1)。
作為全譜空間模式,WAVEWATCH IIITM模式中的海浪是以二維波譜形式出現(xiàn),而被同化的是高度計(jì)的有效波高,由此需要在每次同化過(guò)后利用同化后得到的有效波高分析場(chǎng)重構(gòu)出相應(yīng)的二維海浪譜。同化前與同化后的波能表達(dá)式如下:
式中,i、j為網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo);上標(biāo)b和a分別代表同化前和同化后;Hij代表有效波高,F(xiàn)ij(f,θ)代表海浪二維波譜;f是海浪頻率,θ是波向。在有效波高的變化不會(huì)引起波能在頻率和方向上的重新分布,而只會(huì)引起波能在譜空間中相同的線性變化的假定下,由上面同化前與同化后的波能表達(dá)式可以得到同化后的海浪譜調(diào)整形式為:
在使用Jason-2高度計(jì)有效波高(SWH)數(shù)據(jù)時(shí)首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制,即剔除不合理的異常數(shù)據(jù)。此外,我們?cè)谕瘮?shù)據(jù)選取時(shí)規(guī)定,取計(jì)算范圍內(nèi)有觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)刻作為同化時(shí)刻,以此時(shí)刻為中心,在其±0.5 h時(shí)間范圍內(nèi)取觀測(cè)數(shù)據(jù),作為該時(shí)刻同化所采納的數(shù)據(jù),這樣基本上可保證同化時(shí)刻觀測(cè)值與模式輸出值在時(shí)間上取得一致,從而保證同化效果。本文同化2010年12月15—17日期間Jason-2在北印度洋海域上空軌道線上高度計(jì)測(cè)量SWH(見(jiàn)圖5),得到同化初始場(chǎng),并以此做2010年12月18—20日3天的海浪預(yù)報(bào)。前后6天對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星軌道周期號(hào)是Cycle90。
圖1 植入同化模塊的WAVEWATCH IIITM流程圖
圖2 網(wǎng)格嵌套模式方案
為檢驗(yàn)上述高度計(jì)SWH數(shù)據(jù)同化模塊用于WAVEWATCH IIITM得到的同化初始場(chǎng)對(duì)比無(wú)同化的情形,對(duì)模式初始場(chǎng)是否有改善以及改善程度,設(shè)計(jì)了以下數(shù)值試驗(yàn)。以5°S以北印度洋海域作為目標(biāo)計(jì)算區(qū)域,即5°S—25°N,40°—105°E;空間網(wǎng)格分辨率取1/3°×1/3°;海浪譜網(wǎng)格分辨率取24個(gè)方向(即方向分辨率為15°),和25個(gè)頻譜段,即按公式fm=αfm-1,這里,m=1,2,···,25 ,初始頻率 f0取0.0418,頻率增長(zhǎng)因子α取1.1。海面大氣強(qiáng)迫采用業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)單位提供的WRF(Weather Research and Forecasting)模式的海面10 m風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品,1 h 1次的。
考慮目標(biāo)計(jì)算區(qū)域南邊界連接開(kāi)闊大洋,極易受傳入大洋涌浪信號(hào)影響,采用全球網(wǎng)格嵌套印度洋區(qū)域網(wǎng)格的方案(見(jiàn)圖2),為其提供開(kāi)邊界條件。全球網(wǎng)格計(jì)算范圍:78°S—78°N,180°W—180°E;所給空間網(wǎng)格分辨率相對(duì)較低:1.0°×1.25°;海面大氣強(qiáng)迫采用6 h1次的NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)。全球網(wǎng)格模式中的頻譜和方向譜參數(shù)設(shè)置與嵌套其中的區(qū)域網(wǎng)格的一致。
WAVEWATCH IIITMversion 3.14提供了多網(wǎng)格嵌套的模式運(yùn)行功能。采用嵌套方案后,由ww3_multi模塊替代ww3shel(單網(wǎng)格模塊)管理和調(diào)用其它的函數(shù),完成多網(wǎng)格嵌套后的模式積分。
2010年12月15—17日這3天在目標(biāo)計(jì)算區(qū)域有Jason-2高度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)刻列于表1,數(shù)據(jù)同化即發(fā)生在這3天中有觀測(cè)數(shù)據(jù)的那些時(shí)刻。
首先,我們檢驗(yàn)利用同化數(shù)據(jù)生成同化分析場(chǎng)的效果。我們將同一時(shí)刻同化模式的結(jié)果(SWH)、無(wú)同化的模式結(jié)果(SWH)分別與高度計(jì)測(cè)量SWH進(jìn)行比較(見(jiàn)圖3)。圖3為沿軌比較,容易看出,同化模式的結(jié)果與高度計(jì)SWH更接近。
表1 用于同化的高度計(jì)波高數(shù)據(jù)所在時(shí)刻
表2 同化和無(wú)同化的模式SWH分別與高度計(jì)測(cè)量SWH之間的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(2010年12月15—17日)
圖3 不同時(shí)刻同化的和無(wú)同化的模式結(jié)果(SWH)與高度計(jì)測(cè)量(SWH)的比較
為定量評(píng)估同化改善模式預(yù)報(bào)初始場(chǎng)的效果,引入以下統(tǒng)計(jì)量,
均方根誤差:
相關(guān)系數(shù):
式中,Pi代表模式輸出值,Oi代表觀測(cè)值,N為樣本個(gè)數(shù)。
為簡(jiǎn)單起見(jiàn),我們將15日、16日和17日各日在觀測(cè)時(shí)刻(見(jiàn)表1)的數(shù)據(jù)(包括同化和無(wú)同化的模式輸出SWH及高度計(jì)SWH)按所在的日期分別并入一個(gè)統(tǒng)計(jì)組,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征量的計(jì)算,計(jì)算結(jié)果列于表2。由表2容易看出,同化模式輸出的SWH與高度計(jì)SWH之間的均方根誤差較無(wú)同化的情況明顯地減小,而相關(guān)系數(shù)明顯地增大。這表明,高度計(jì)SWH數(shù)據(jù)同化模式的初始場(chǎng)與觀測(cè)更為接近,表明所研制的高度計(jì)波高數(shù)據(jù)同化模塊是有效的,能夠起到改善模式分析場(chǎng)的作用。
海浪模式預(yù)報(bào)對(duì)于時(shí)間跨度太長(zhǎng)的初始場(chǎng)是不敏感的。為考察同化初始場(chǎng)影響短期海浪預(yù)報(bào)結(jié)果的時(shí)效性,取軌道上數(shù)據(jù)連續(xù),數(shù)據(jù)較多的同化時(shí)刻,且其后不能再有與其相交或離它很近的同化軌道,以免影響到檢測(cè)效果。我們選擇2010年12月17日14時(shí),以同化和無(wú)同化所形成的初始場(chǎng)(見(jiàn)圖4中17日14時(shí)的同化初始場(chǎng)與高度計(jì)SWH的沿軌分布更接近)為起點(diǎn),對(duì)其后6 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h和72 h等各預(yù)報(bào)時(shí)間點(diǎn)上輸出的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行比較(見(jiàn)圖4),其中,還將6 h前(即17日14時(shí))的沿軌高度計(jì)SWH拿來(lái)與6 h預(yù)報(bào)的同化預(yù)報(bào)結(jié)果和無(wú)同化的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行比較,以考察它們何者更接近于觀測(cè)。
圖4 同化初始場(chǎng)對(duì)預(yù)報(bào)影響時(shí)效性的試驗(yàn)結(jié)果
圖5 Jason-2衛(wèi)星軌道(2010年12月15日00時(shí)—20日23時(shí)時(shí)間段)
表3 預(yù)報(bào)階段高度計(jì)波高數(shù)據(jù)所在時(shí)刻
顯然,對(duì)于6 h預(yù)報(bào)(即17日20時(shí)),同化初始場(chǎng)的6 h預(yù)報(bào)結(jié)果較無(wú)同化的預(yù)報(bào)結(jié)果更接近6 h前的高度計(jì)觀測(cè)。隨著預(yù)報(bào)時(shí)段延長(zhǎng),對(duì)后期預(yù)報(bào)結(jié)果的影響,同化模式與無(wú)同化模式之間趨于減??;從60 h以后的預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)看,同化預(yù)報(bào)和無(wú)同化預(yù)報(bào)之間差別基本消失。另外,從這一組圖來(lái)看,無(wú)同化的模式預(yù)報(bào)結(jié)果普遍偏大,特別是在波高較小區(qū)域。
為評(píng)估高度計(jì)SWH數(shù)據(jù)同化初始場(chǎng)對(duì)印度洋海域海浪預(yù)報(bào)影響,我們以連續(xù)同化12月15日、16日和17日3天的該海域高度計(jì)SWH數(shù)據(jù)得到的同化分析場(chǎng)作為預(yù)報(bào)初始場(chǎng),進(jìn)行12月18日、19日和20日3天(即從6 h直到72 h)的印度洋海域短期海浪預(yù)報(bào)。前3天的高度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)被同化到預(yù)報(bào)模式,形成同化分析場(chǎng)和預(yù)報(bào)初始場(chǎng),后3天(即預(yù)報(bào)階段)的高度計(jì)數(shù)據(jù)則不再參加同化,而是用于對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的檢驗(yàn)評(píng)估。上述6天(即12月15—20日)有衛(wèi)星觀測(cè)值的時(shí)刻詳見(jiàn)表1和表3。
圖5粗實(shí)線表示用于同化的高度計(jì)數(shù)據(jù)的衛(wèi)星軌道位置,細(xì)虛線表示用來(lái)作檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)的軌道位置。該圖下方是各條軌道所對(duì)應(yīng)的具體時(shí)刻,如15.01表示15日01時(shí)刻。這些軌道分別就是2010年12月15日、16日、17日、18日、19日和20日各日各時(shí)刻(以此時(shí)刻為中心,并在其±0.5 h時(shí)間范圍內(nèi)取觀測(cè)數(shù)據(jù))經(jīng)過(guò)該目標(biāo)區(qū)域的軌道。由于Jason-2衛(wèi)星在這6天之內(nèi)在該區(qū)域沒(méi)有重復(fù)的軌道,一天之內(nèi)又分為下行線和上行線,所以同化之后,在同一個(gè)同化位置沒(méi)有新的高度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)可用來(lái)檢測(cè)同化后的預(yù)報(bào)效果,因而檢驗(yàn)預(yù)報(bào)效果只能利用其附近的軌道上的觀測(cè)數(shù)據(jù)。相鄰的用來(lái)同化和用來(lái)檢驗(yàn)的軌道如果同為上行線或下行線則它們是相互平行的;如果一根為上行線而另一根為下行線則它們是相交的;但是,它們之間的時(shí)間差卻都不小。舉例來(lái)說(shuō),2010年12月18日01時(shí)刻的軌道是下行線,而與其(在時(shí)間上)最近的下行線是15日01時(shí)刻和15日02時(shí)刻的,與其相交的上行線是15日14時(shí)刻的,故它們之間時(shí)間上相距都已超過(guò)72 h。由此,在同化時(shí)刻過(guò)去72 h之后再來(lái)檢驗(yàn)同化對(duì)預(yù)報(bào)影響的效果其實(shí)是很困難的。因?yàn)椋J浇?jīng)過(guò)1 h一次的風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng),3天以后的同化與無(wú)同化的風(fēng)浪場(chǎng)結(jié)果之間基本就沒(méi)有什么差別了。另外,由于我們?cè)谠撃繕?biāo)區(qū)域目前還難以獲得浮標(biāo)等其它來(lái)源的觀測(cè)數(shù)據(jù),所以,為檢驗(yàn)同化預(yù)報(bào)的效果也只有利用高度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)了。故在文中還是給出了同化預(yù)報(bào)和無(wú)同化預(yù)報(bào)在有高度計(jì)觀測(cè)時(shí)刻的SWH比較圖,但因?yàn)橛糜谕呐c用于檢驗(yàn)的二者時(shí)間上相距太長(zhǎng),同化雖有優(yōu)勢(shì)但已不明顯。圖6中,每幅圖下方括號(hào)中所標(biāo)注的是與該驗(yàn)證時(shí)刻較近的用來(lái)同化的觀測(cè)數(shù)據(jù)其軌道所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。可以看出,它們?cè)跁r(shí)間間隔上都很長(zhǎng),都超過(guò)了48 h,有的還超過(guò)了72 h。但從這組圖中還是可以看出加入同化的預(yù)報(bào)要比無(wú)同化的效果好,不過(guò)隨著積分時(shí)間的延長(zhǎng),同化與無(wú)同化效果漸趨一致。
海浪的模式預(yù)報(bào)對(duì)于時(shí)間跨度太長(zhǎng)的初始場(chǎng)并不敏感,而大氣模式提供的即時(shí)風(fēng)場(chǎng)又總是存在著一定的誤差。因此,為提高海浪模式預(yù)報(bào)精度,及時(shí)更新和提高海浪模式預(yù)報(bào)初始場(chǎng)的質(zhì)量是解決途徑之一,即在海浪模式的積分運(yùn)算過(guò)程中應(yīng)充分利用當(dāng)前衛(wèi)星遙感技術(shù)所能提供的觀測(cè)數(shù)據(jù),盡可能大面積吸收高度計(jì)測(cè)量海浪數(shù)據(jù)并利用一定的同化手段及時(shí)更新海浪分析譜,如此可為模式預(yù)報(bào)提供更接近準(zhǔn)確的初始場(chǎng),從而提高海浪模式預(yù)報(bào)的精度。
圖6 預(yù)報(bào)階段同化、無(wú)同化預(yù)報(bào)結(jié)果比較(包括與最近的高度計(jì)觀測(cè)的比較)
研制了基于OI方法的高度計(jì)波高數(shù)據(jù)同化并行模塊,并將其植入WAVEWATCH IIITM,使同化模式仍能保證其以并行方式運(yùn)行。為解決同化背景場(chǎng)誤差協(xié)方差矩陣占用內(nèi)存較大問(wèn)題,采用稀疏矩陣的存儲(chǔ)方法節(jié)省內(nèi)存和使用Sparse Blas函數(shù)庫(kù)中的相關(guān)函數(shù),使該問(wèn)題得到較好解決。
以5°S以北的印度洋海域作為目標(biāo)計(jì)算區(qū)域,嵌套在WAVEWATCH IIITM的全球網(wǎng)格中,較好解決了目標(biāo)區(qū)域的開(kāi)邊界條件問(wèn)題。所建立的海浪同化預(yù)報(bào)模式由大氣模式WRF輸出的一小時(shí)一次的海面10m風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。同化模式的結(jié)果(SWH)和無(wú)同化的模式結(jié)果(SWH)分別與高度計(jì)測(cè)量波高(SWH)比較,顯示高度計(jì)波高數(shù)據(jù)同化可明顯改善模式預(yù)報(bào)初始場(chǎng)。
進(jìn)行印度洋目標(biāo)區(qū)域海浪場(chǎng)72 h以上時(shí)段同化預(yù)報(bào)試驗(yàn),初步分析表明,同化高度計(jì)SWH數(shù)據(jù)進(jìn)入海浪模式進(jìn)行邊同化邊預(yù)報(bào),能起到改善海浪短期預(yù)報(bào)效果的作用;但同化影響模式預(yù)報(bào)的時(shí)效性,限于72 h內(nèi);預(yù)報(bào)時(shí)效越短,同化模式的結(jié)果與無(wú)同化的模式結(jié)果之間差別越顯著。
總之,本文初步研究表明,連續(xù)同化高度計(jì)SWH數(shù)據(jù)進(jìn)行邊同化邊預(yù)報(bào)可望明顯提高海浪短期預(yù)報(bào)結(jié)果的精度。
在強(qiáng)調(diào)高度計(jì)波高數(shù)據(jù)同化改善海浪模式預(yù)報(bào)水平的同時(shí),我們也注意到,由于衛(wèi)星觀測(cè)所獲得的僅是星下點(diǎn)數(shù)據(jù),因此,其軌道重現(xiàn)頻率與空間覆蓋率一直如同一對(duì)矛盾。若要追求空間上的高覆蓋率,則其軌道重現(xiàn)頻率必然受到影響。例如,Envisat衛(wèi)星兩相鄰軌道之間最寬距離僅80 km,但其軌道完全重合一次的周期卻需35天之久;Jason-2,Jason-1的完全重合周期為10天,但兩相鄰軌道間的距離卻寬達(dá)315 km??傊诒疚牡难芯恐胁浑y發(fā)現(xiàn),僅依靠單衛(wèi)星提供的波高數(shù)據(jù)是相當(dāng)有限的,而且無(wú)法做到時(shí)空同步(實(shí)時(shí)提供大范圍海浪場(chǎng)的高度計(jì)測(cè)波資料),難以滿足進(jìn)行大洋區(qū)域海浪場(chǎng)同化預(yù)報(bào)時(shí)對(duì)大面積吸收實(shí)測(cè)海浪資料的渴求。因而,今后應(yīng)考慮利用多衛(wèi)星融合的高度計(jì)波高資料進(jìn)行大洋海浪場(chǎng)的同化預(yù)報(bào),應(yīng)能至少在一定程度上彌補(bǔ)上述不足。例如,利用最近的短時(shí)段可獲得的Cryosat-2,Jason-2,Jason-1以及Envisat等4顆衛(wèi)星(隨著新衛(wèi)星上天,將不斷有新的衛(wèi)星高度計(jì)資料作為數(shù)據(jù)源加入)在內(nèi)的最少兩顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù),通過(guò)一定的濾波方法進(jìn)行空間平滑和外插處理之后,得到準(zhǔn)實(shí)時(shí)的多衛(wèi)星融合的測(cè)波資料用于大范圍海浪場(chǎng)的同化預(yù)報(bào)。
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