一种应用于大气-海洋观测数据的强耦合方法以及系统

1.本发明涉及耦合预测领域，具体而言，涉及一种应用于大气-海洋观测数据的强耦合方法以及系统。


背景技术：

2.次季节时间尺度(2周-2个月)的气候预测，会影响公众健康、能源、水资源管理和农业等领域的决策，具有重要的社会经济价值，因此，准确预报未来的天气和气候状态对防灾减灾和生态环境保护具有重要的实际意义。但是，次季节时间尺度的预测具有很大的挑战性。因为，基于单独大气模式的传统数值天气预报受下边界条件的限制，其预报时效难以逾越两周。次季节预测必须基于耦合气候系统模式，这样用于产生模式初值的方法也必然要从适用于单独大气模式的单圈层资料同化发展到多圈层的耦合资料同化技术。
3.根据世界天气研究计划(wwrp)定义，耦合同化分为耦合框架中每个单独分量模式各自单独的同化(称为弱耦合资料同化)，以及将耦合模式作为一个整体进行的同化(称为强耦合资料同化)。在弱耦合资料同化中，同化被独立应用于各个分量模式中，不同分量模式同化分析过程仍然独立进行，因此，观测数据对分析场的直接影响仅限于观测所在的分量模式中，之后在耦合框架下通过模式约束影响其它分量模式；而在强耦合同中，把耦合模式作为一个整体系统对待，一个圈层中的观测资料可通过耦合交叉误差协方差在同化阶段直接更新其它圈层模式。
4.但是无论在气候预测还是数值天气预报领域，目前国内、外采用的耦合同化方法主要是弱耦合同化，只有极少数机构开始研发强耦合同化方法。包括日本海洋地球科学和技术局(jamstec)开发的基于四维变分(4dvar)的海-气耦合伴随模式的强耦合同化技术(sugiura et al.,2008)，美国海军研究实验室(nrl)计划通过界面求解的方法得到跨分量得背景误差协方差实现强耦合同化(frolov et al.2016)，以及通过不同的配置优化背景误差协方差实现强耦合同化(lu et al.，2015；sluka et al.，2016；yoshida和kalnay，2018)。
5.其中，基于四维变分(4dvar)的海-气耦合伴随模式需要开发大气分量模式和海洋分量模式的伴随模式，伴随模式开发极其困难，而且计算代价庞大，所以基本没有研发机构遵循这个策略继续研发。
6.基于耦合误差协方差的强耦合同化技术，本身气候系统模式复杂度高，且大气和海洋运动时间和响应机制不同，使得准确估计耦合协方差变得非常困难。此外，当前模式中海气交界面处的模式分辨率和物理过程参数化可能不足以支撑对耦合协方差的准确估计，这种不准确的耦合协方差估计反而会降低资料同化的质量。
7.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明公开了一种应用于大气-海洋观测数据的强耦合方法以及系统，
该方法不再需要估计耦合协方差，也不需要耦合模式的伴随，而是通过时间窗口的理念，在窗口内将大气和海洋观测资料逐步同化进来，大气对海洋的影响通过耦合模式在这个时间窗口内的积分自然实现，更为重要的是，这种影响是通过耦合模式本身来约束的，所以内在就保证了大气和海洋模式分析场的协调性，本发明的强耦合方法相对于现有技术的其他方法简单且同化质量高。
9.具体地，本发明是通过以下技术方案实现的：
10.第一方面，本发明公开了一种大气-海洋观测数据的强耦合方法，包括如下步骤：
11.s1、设定3-30天的时间窗口，将所述时间窗口按照时间的推移划分为三个阶段；
12.s2、第一阶段的时间窗口内进行大气观测资料的同化分析；
13.s3、在第二阶段的时间窗口起始点输出海洋分析增量做为同化的背景场，所述海洋分析增量是将从始至终的时间窗口内所有的海洋资料同化后平均分配所得到的；
14.s4、第三阶段是将从始至终的时间窗口内的大气观测资料的每一步添加所述海洋分析增量以进行耦合同化分析。
15.第二方面，本发明公开了一种大气-海洋观测数据的强耦合系统，包括：
16.初始设定模块：用于设定3-30天的时间窗口，将所述时间窗口按照时间的推移划分为三个阶段；
17.大气同化模块：用于在第一阶段的时间窗口内进行大气观测资料的同化分析；
18.海洋分析模块：用于在第二阶段的时间窗口起始点输出海洋分析增量做为同化的背景场，所述海洋分析增量是将从始至终的时间窗口内所有的海洋资料同化后平均分配所得到的；
19.耦合同化模块：用于在第三阶段中将从始至终的时间窗口内的大气观测资料的每一步添加所述海洋分析增量以进行耦合同化分析。
20.第三方面，本发明公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如第一方面所述强耦合方法的步骤。
21.第四方面，本发明公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所述强耦合方法的步骤。
22.本发明为了解决上述技术问题提供了一种应用于大气-海洋观测数据的强耦合方法以及系统，该方法主要用于提高数值天气预报和海洋环境预报的精度，可以将大气、和海洋领域探测到的常规、遥感观测数据协调融合起来，为大气和海洋环境预报模式提供高质量的初始状态。主要应用面体现在：
23.1、应用于全球或者区域的耦合预测系统。提供2周-2月天气或者海洋预测服务的科研单位或者公司需要强耦合同化技术来产生耦合预测系统的初值，生成高质量的初值需要既同化大气探测数据，也需要同化海洋探测数据，同时保证大气和海洋交界面的状态协调一致，本发明的强耦合同化技术可以为现有的耦合预测系统提供多圈层协调的初值。
24.2、应用于制作各行业所需的气象海洋数据。例如，水利部门需要未来1-3月全国旱涝的分布图，及电力部门需要未来1-3个月全国温度的分布用于煤电、风电和水电的规划，这些都可以用强耦合同化技术的初值进行预测。
25.3、应用于海洋环境预测。岛礁周边的海洋安全保障需要的海洋状况信息，渔业需
要的海流、海洋涡旋信息，也都可以通过大气-海洋观测的强耦合同化技术提供。
附图说明
26.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
27.图1为本发明实施例提供的应用于大气-海洋观测数据的强耦合方法的流程示意图；
28.图2为本发明实施例提供的大气-海洋观测数据的强耦合系统的结构示意图；
29.图3为本发明实施例提供的一种计算机设备的流程示意图。
具体实施方式
30.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
31.在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
32.应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
33.本发明公开了一种应用于大气-海洋观测数据的强耦合方法，包括如下步骤：
34.s1、设定3-30天的时间窗口，将所述时间窗口按照时间的推移划分为三个阶段；
35.s2、第一阶段的时间窗口内进行大气观测资料的同化分析；
36.s3、在第二阶段的时间窗口起始点输出海洋分析增量做为同化的背景场，所述海洋分析增量是将从始至终的时间窗口内所有的海洋资料同化后平均分配所得到的；
37.s4、第三阶段是将从始至终的时间窗口内的大气观测资料的每一步添加所述海洋分析增量以进行耦合同化分析。
38.优选地，所述s2步骤中，第一阶段的时间窗口内进行大气观测资料的同化分析方法包括：
39.s21、第1天00时确定耦合模式初值(x
atm
，x
ocn
)
t
，所述耦合模式中包括大气分量模式(x
atm
)和海洋分量模式(x
ocn
)；
40.s22、第1天00时-06时之间的大气观测数据按照时间远近进行划分，分别划分到整点时间00时，01时，02时，03时，04时，05时上，第1个和最后1个的时段长分别时0.5小时和1.5小时；
41.s23、通过下述的最小化四维变分的代价函数得到00时的大气同化分析s23、通过下述的最小化四维变分的代价函数得到00时的大气同化分析
42.上述公式中，下标i表示时间，n表示同化窗末端，δx0是初始时间的背景场增量，δ
xi
是从初始时间通过切线性演化时间i的大气模式状态，ri是时间i时刻的观测误差，b是背景误差协方差矩阵，hi是观测算子hi的切线性算子，的切线性算子，通过非线性模式演化到i时刻的状态，是i时刻的大气观测数据；
43.s24、利用更新耦合模式初值得到00时新的初值将耦合模式从00时向前积分到06时，将耦合模式从t0到tn时的积分过程表示为：则从00时积分到06时即为：
44.s25、按照所述步骤s22的方式将第1天的06时-12时之间的大气观测数据进行划分，并重复步骤s23用的大气部分进行同化分析，得到06时的大气同化分析用的分析替换中的大气部分，随后耦合模式继续积分到12时
45.s26、按照所述步骤s25的方式将第一阶段的时间窗口均进行耦合分析后得到第一阶段最后一天00时的耦合模式状态，同时输出这个时刻的海洋的状态做为海洋同化的初始场。
46.优选地，作为进一步可实施的方案，所述s3步骤中，所述海洋分析增量的计算方法包括：
47.海洋同化通过下述的三维变分的代价函数来实现：
[0048][0049]
w是海洋分析的控制变量，wb是控制变量估计背景场，是控制变量估计背景场，是观测时间i时刻的海洋观测资料，b是海洋模式的背景误差协方差，r是海洋观测的误差；
[0050][0051]
m(ti，t0)代表海洋模式m
ocn
从t0时刻积分到ti时刻，k(w)＝x(t0)是海洋模式变量和控制变量的转换算子，hi是i时刻的观测算子；
[0052]
通过优化迭代后得到最后该时间段时间窗口00时的所述海洋分析增量δx
ocn
。
[0053]
优选地，作为进一步可实施的方案，所述s4步骤中，所述耦合同化分析的方法包括：
[0054]
s41、将所述海洋分析增量δx
ocn
平均分配到从始至终的时间窗口的海洋模式积分步中，当需要的积分为n_ocn步，则每步的增量为δx
ocn
/n_ocn；
[0055]
s42、将所述s24步骤中的采用s23的步骤进行分析之后，得到第1天00时新的大气分析得到新的耦合初值
[0056]
s43、将得到的新的耦合初值加上海洋增量δx
ocn
/n_ocn，得到06时的
[0057]
s44、按照s23的步骤依次得到第1天的12时的耦合模式状态18时的耦合模式状态24时
[0058]
s45、重复s42-s44的步骤直到得到最后一天00时的耦合同化初值并输出。
[0059]
上述强耦合方法中，时间窗口可选择为5-10天，第一阶段的时间窗口天数为总时间窗口天数的一半，最优的时间窗口天数可以选择6天，这样第一阶段的前3天只进行大气观测资料的同化分析，海洋资料不进行任何同化，只是随着耦合模式一直从第1天00时积分到第4天00时，之所以第一阶段海洋资料不进行任何同化，也是考虑大气和海洋运动尺度差异大，通过前3天的时间能够让大气信息逐步影响海洋，让后续的海洋同化分析更加协调。
[0060]
后续在第二阶段时，在第4天00时输出耦合模式的海洋状态做为同化的背景场，将第1～6天内所有的海洋观测都同化进去，得到第4天00时的海洋分析增量。将第4天00时的海洋分析增量按照6天内海洋积分的总步数进行平均分配到每一步上。这一部分主要是为了将第4天00时这个时刻的海洋状态作为海洋分析增量计算的基础，从而能够为第三阶段计算作为背景场。
[0061]
第三阶段重新从第一天进行大气和海洋的同化分析，大气同化分析跟第一阶段操作一样，海洋的同化分析只是在每一步加入平均分配的海洋增量。循环操作直到第7天00时，结束同化。
[0062]
另外，所选择的海洋资料是包括从始至终的时间窗口内所有的站点海洋温度和盐度扩线，海表温度和海面高度异常情况。
[0063]
下面给出具体的实施例，如图1所示，具体操作按照如下步骤进行执行：
[0064]
(1)设定一个同化窗口长度6天。
[0065]
(2)在第1天00时准备一个耦合模式初值(x
atm
，x
ocn
)
t
，耦合模式中包括大气分量模式和海洋分量模式，所以耦合初值包括大气部分(x
atm
)和海洋部分(x
ocn
)。
[0066]
(3)00时-06时之间的大气观测数据按照时间远近进行划分，分别划分到整点时间00时，01时，02时，03时，04时，05时上，第1个和最后1个的时段长分别时0.5小时和1.5小时，其余的都是1小时。即，00时～00时30分内的观测都定为00时，00时30分～01时30分内的观测都当作01时，01时30分～02时30分内的观测都当作02时，02时30分～03时30分内的观测都当作03时，03时30分～04时30分内的观测都当作04时，04时30分～06时内的观测都当作05时。
[0067]
(4)通过最小化四维变分的代价函数：
[0068]
[0069]
这里，下标i表示时间，n表示同化窗末端。δx0是初始时间的背景场增量，δxi是从初始时间通过切线性演化时间i的大气模式状态，ri是时间i时刻的观测误差，b是背景误差协方差矩阵，hi是观测算子hi的切线性算子，的切线性算子，通过非线性模式演化到i时刻的状态，是i时刻的大气观测数据。利用优化算法，得到00时的大气同化分析
[0070]
(5)利用00时的大气分析更新耦合模式初值得到00时新的初值将耦合模式从00时向前积分到06时，将耦合模式从t0到tn时的积分过程表示为：则从00时积分到06时即为：
[0071]
(6)将06时-12时之间的大气观测数据按照时间远近进行划分，分别划分到整点时间06时，07时，08时，09时，10时，11时上，第1个和最后1个的时段长分别时0.5小时和1.5小时，其余的都是1小时。即，06时～06时30分内的观测都定为06时，06时30分～07时30分内的观测都当作07时，07时30分～08时30分内的观测都当作08时，08时30分～09时30分内的观测都当作09时，09时30分～10时30分内的观测都当作10时，10时30分～12时内的观测都当作11时。
[0072]
(7)重复步骤(4)，用的大气部分进行同化分析，得到06时的大气同化分析用的分析替换和的大气部分，随后耦合模式继续积分到12时
[0073]
(8)将12时-18时之间的大气观测数据按照时间远近进行划分，分别划分到整点时间12时，13时，14时，15时，16时，17时上，第1个和最后1个的时段长分别时0.5小时和1.5小时，其余的都是1小时。即，12时～12时30分内的观测都定为12时，12时30分～13时30分内的观测都当作13时，13时30分～14时30分内的观测都当作14时，14时30分～15时30分内的观测都当作15时，15时30分～16时30分内的观测都当作16时，16时30分～18时内的观测都当作17时。
[0074]
(9)重复步骤(4)，用的大气部分进行同化分析，得到12时的大气同化分析用的分析替换中的大气部分，随后耦合模式继续积分到18时
[0075]
(10)将18时-第2天00时之间的大气观测数据按照时间远近进行划分，分别划分到整点时间18时，19时，20时，21时，22时，23时上，第1个和最后1个的时段长分别时0.5小时和1.5小时，其余的都是1小时。即，18时～18时30分内的观测都定为18时，18时30分～19时30分内的观测都当作19时，19时30分～20时30分内的观测都当作20时，20时30分～21时30分内的观测都当作21时，21时30分～22时30分内的观测都当作22时，22时30分～24时内的观测都当作23时。
[0076]
(11)重复步骤(4)，用的大气部分进行同化分析，得到18时的大气同化分析用的分析替换中的大气部分，随后耦合模式继续积分到第二天00时
[0077]
(12)重复步骤(3)～(11)完成第2天、第3天的大气同化分析，得到第4天00时的耦合模式状态，输出这个时刻的海洋的状态(x
ocn
)
4th_00
做为海洋同化的初始场，输入的海洋观测资料包括第1天～第6天内所有的站点海洋温度和盐度扩线，海表温度和海面高度异常。海洋温度平均观测用每日的平均算子计算。
[0078]
(13)海洋同化通过三维变分的代价函数来实现：
[0079][0080]
w是海洋分析的控制变量，wb是控制变量估计背景场，是控制变量估计背景场，是观测时间i时刻的海洋观测资料，b是海洋模式的背景误差协方差，r是海洋观测的误差。
[0081][0082]
m(ti，t0)代表海洋模式m
ocn
从t0时刻积分到ti时刻，k(w)＝x(t0)是海洋模式变量和控制变量的转换算子，hi是i时刻的观测算子。通过优化迭代后得到第4天00时的海洋分析增量δx
ocn
。
[0083]
(14)将海洋分析增量δx
ocn
平均分配到6天的海洋模式积分步中，例如6天海洋模式需要积分n_ocn步，每步的增量为δx
ocn
/n_ocn，重新回到第1天的00时，耦合模式的初值向量变为了步骤(5)中的向量
[0084]
(15)大气同化分析重复步骤(3)～(4)，得到00时新的大气分析并替换第(14)步中的大气分析得到新的耦合初值进行耦合模式积分，其中海洋模式每步积分都要加上海洋增量δx
ocn
/n_ocn，到06时
[0085]
(16)利用06时的耦合模式状态重复步骤(6)～(7)进行大气同化分析得到进行耦合模式积分时，其中海洋模式每步积分都要加上海洋增量δx
ocn
/n_ocn，到12时
[0086]
(17)利用12时的耦合模式状态重复步骤(8)～(9)进行大气同化分析得到进行耦合模式积分时，其中海洋模式每步积分都要加上海洋增量δx
ocn
/n_ocn，到18时
[0087]
(18)利用18时的耦合模式状态重复步骤(10)～(11)进行大气同化分析得到进行耦合模式积分时，其中海洋模式每步积分都要加上海洋增量δx
ocn
/n_ocn，到24时
[0088]
(19)重复步骤(15)～(18)完成第2直到第7天00时，输出第7天00时的耦合同化初值，算法结束。
[0089]
总之本发明的强耦合方法不同于以往现有技术中所采用的耦合方法，提供了一种新的思路，且该方法简单容易操作，耦合准确率高。
[0090]
本发明除了提供一种应用于大气-海洋观测数据的强耦合方法，还提供了应用于大气-海洋观测数据的强耦合系统，如图2所示，具体包括：
[0091]
初始设定模块101：用于设定3-30天的时间窗口，将所述时间窗口按照时间的推移划分为三个阶段；
[0092]
大气同化模块102：用于在第一阶段的时间窗口内进行大气观测资料的同化分析；
[0093]
海洋分析模块103：用于在第二阶段的时间窗口起始点输出海洋分析增量做为同化的背景场，所述海洋分析增量是将从始至终的时间窗口内所有的海洋资料同化后平均分配所得到的；
[0094]
耦合同化模块104：用于在第三阶段中将从始至终的时间窗口内的大气观测资料的每一步添加所述海洋分析增量以进行耦合同化分析。
[0095]
该系统主要由上述四个模块构成，通过该系统的搭建实现很好的耦合同化，且耦合同化操作方便，方法简单容易实现。
[0096]
具体实施时，以上各个模块可以作为独立的实体来实现，也可以进行任意组合，作为同一或若干个实体来实现，以上各个单元的具体实施可参见前面的方法实施例，在此不再赘述。
[0097]
图3为本发明公开的一种计算机设备的结构示意图。参考图3所示，该计算机设备400，至少包括存储器402和处理器401；所述存储器402通过通信总线403和处理器连接，用于存储所述处理器401可执行的计算机指令，所述处理器401用于从所述存储器402读取计算机指令以实现上述任一实施例所述的应用于大气-海洋观测数据的强耦合方法的步骤。
[0098]
对于上述装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本公开方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0099]
适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、媒介和存储器设备，例如包括半导体存储器设备(例如eprom、eeprom和闪存设备)、磁盘(例如内部磁盘或可移动盘)、磁光盘以及cd rom和dvd-rom盘。处理器和存储器可由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。
[0100]
最后应说明的是：虽然本说明书包含许多具体实施细节，但是这些不应被解释为限制任何发明的范围或所要求保护的范围，而是主要用于描述特定发明的具体实施例的特征。本说明书内在多个实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中被组合实施。另一方面，在单个实施例中描述的各种特征也可以在多个实施例中分开实施或以任何合适的子组合来实施。此外，虽然特征可以如上所述在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合中的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中去除，并且所要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变型。
[0101]
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应被理解为要求这些操
作以所示的特定顺序执行或顺次执行、或者要求所有例示的操作被执行，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统模块和组件的分离不应被理解为在所有实施例中均需要这样的分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中，或者封装成多个软件产品。
[0102]
由此，主题的特定实施例已被描述。其他实施例在所附权利要求书的范围以内。在某些情况下，权利要求书中记载的动作可以以不同的顺序执行并且仍实现期望的结果。此外，附图中描绘的处理并非必需所示的特定顺序或顺次顺序，以实现期望的结果。在某些实现中，多任务和并行处理可能是有利的。
[0103]
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。