气候系统模式多圈层耦合资料同化系统
技术领域
本发明涉及气候
技术领域
，尤其涉及气候系统模式多圈层耦合资料同化系统。背景技术
气候模式预测是气候研究和业务领域的核心科学问题。资料同化是解决气候模式预测问题的关键技术手段之一，它通过对气候系统各圈层多源观测资料的综合分析，形成对大气、海洋、海冰、陆面等分量状态的可靠估计，进而产生准确可靠的气候模式初始场。根据同化系统的模式框架及所包含气候系统分量的不同，同化方式可分为非耦合框架的单独分量同化、耦合框架的多分量同化。同化技术能力的高低直接影响了气候模式预测初值的准确与否，是决定气候预测成败的重要一环。
过去20多年的气候预测业务中，采用海-气耦合模式或海-陆-气-冰多分量耦合气候系统模式开展次季节-季节-年际尺度气候预测已经成为国际主要业务机构的共识；但是，在主要的气候模式业务预测系统中，大部分模式仍采用各分量单独同化手段，即对海洋、大气、陆面、海冰等分量分别采用非耦合的离线同化，进而利用各个分量同化产品完成耦合模式初始化。此外，个别机构虽然开始尝试耦合模式框架下的资料同化，但针对海冰、陆面等分量的同化算法相对简单，在尽可能改善气候系统模式同化分析能力和预测性能方面存在明显局限性。中国气象局在2015年以来使用的第二代气候模式业务预测系统也是基于海-陆-气-冰耦合气候系统模式构建，但仅实现了对各个分量非耦合单独同化产品的使用，并没有发展匹配的耦合资料同化技术，这成为制约我国气候模式业务预测水平提升的一个突出问题。为此，我们提出气候系统模式多圈层耦合资料同化系统。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了气候系统模式多圈层耦合资料同化系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明提供如下技术方案：
气候系统模式多圈层耦合资料同化系统，包括气候系统模式、海洋同化子系统、海冰同化子系统、陆面同化子系统和大气同化子系统，所述气候系统模式包含海洋分量模式、海冰分量模式、陆面分量模式、大气分量模式和耦合器；所述海洋同化子系统包含对卫星遥感海表温度资料、卫星遥感海表高度资料、海洋温盐廓线观测资料的质量控制模块、资料融合模块和资料同化模块；所述海冰同化子系统包含对卫星遥感海冰密集度资料的质量控制模块和资料同化模块；所述陆面同化子系统包含对卫星遥感陆表温度资料的质量控制模块和资料同化模块；所述大气同化子系统包含对大气分析资料的数据处理转换模块和资料同化模块。
优选的，所述气候系统模式耦合框架下对各个分量的多种来源资料进行同化，从而得到多圈层多变量的协调同化分析场。
优选的，所述海洋同化子系统可实现AVHRR卫星遥感海表温度资料和AVISO卫星遥感海表高度资料的质量控制，ARGO、GTSPP、TAO等海洋温盐廓线观测资料的质量控制，进而完成多源海洋观测资料的融合和协调同化。
优选的，所述海冰同化子系统可实现对AVHRR卫星海冰密集度资料的质量控制和资料同化；陆面同化子系统可实现对MODIS、FY等卫星陆表温度资料的质量控制和资料同化；大气同化子系统可实现对NCEP-R1、NCEP-FNL、ERA-Interim等大气分析资料的数据处理转换和资料同化。
优选的，所述海洋分量模式、海冰分量模式、陆面分量模式和大气分量模式的同化算法可以采用集合卡曼滤波、集合最优插值、三维变分、最优插值等相对复杂的同化方法，也可以采用针对再分析资料的简单初始化方法。
本发明提供了气候系统模式多圈层耦合资料同化系统，本发明提供了一种基于气候系统模式耦合框架的多圈层多源资料同化系统，其可以更加有效的提取利用不同圈层的观测资料信息，实现观测资料和气候系统模式的有机融合，从而提供更为协调可靠的多圈层多变量同化分析场。
附图说明
图1为本发明实施例提供的气候系统模式多圈层耦合资料同化系统的原理图
图2为本发明实施例提供的气候系统模式多圈层耦合资料同化系统相比国内外其它系统的同化效果比较图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：
气候系统模式多圈层耦合资料同化系统，包括气候系统模式、海洋同化子系统、海冰同化子系统、陆面同化子系统和大气同化子系统，气候系统模式包含海洋分量模式、海冰分量模式、陆面分量模式、大气分量模式和耦合器；海洋同化子系统包含对卫星遥感海表温度资料、卫星遥感海表高度资料、海洋温盐廓线观测资料的质量控制模块、资料融合模块和资料同化模块；海冰同化子系统包含对卫星遥感海冰密集度资料的质量控制模块和资料同化模块；陆面同化子系统包含对卫星遥感陆表温度资料的质量控制模块和资料同化模块；大气同化子系统包含对大气分析资料的数据处理转换模块和资料同化模块。气候系统模式多圈层耦合资料同化系统，可以包括但不局限于现有的资料，可以针对各个气候系统圈层增加更多观测资料，例如卫星遥感土壤湿度资料、气象台站观测的陆表温度和土壤湿度资料、卫星遥感海表盐度资料、卫星遥感海冰厚度资料、大气多源观测资料等，不断增加的观测资料同化将进一步提高同化系统的性能；可以包括但不局限于现有算法模块，可以增加气候系统模式分量模块，例如引入大气化学、地球生物化学和碳循环模块，把气候系统模式升级为地球系统模式；也可以针对各个同化分量增加更多计算模块，例如观测资料的偏差订正模块、针对原始大气观测资料的质量控制模块和复杂同化算法模块、各圈层多源资料的融合模块等，不断丰富的算法模块可以进一步提高同化系统性能。同化系统是国家气候中心气候系统模式多圈层耦合资料同化系统，但本发明不局限于国家气候中心同化系统。
进一步地，气候系统模式(包含海洋、海冰、陆面、大气分量)耦合框架下对各个分量的多种来源资料进行同化，从而得到多圈层多变量的协调同化分析场。
进一步地，海洋同化子系统可实现AVHRR卫星遥感海表温度资料和AVISO卫星遥感海表高度资料的质量控制(阈值和极值检查、空间连续性检查、资料稀疏化等)，ARGO、GTSPP、TAO等海洋温盐廓线观测资料的质量控制(记录可靠性检查、阈值和极值检查、垂直梯度检查、空间连续性检查等)，进而完成多源海洋观测资料的融合和协调同化。
进一步地，海冰同化子系统可实现对AVHRR卫星海冰密集度资料的质量控制(阈值和极值检查、空间连续性检查、资料稀疏化等)和资料同化；陆面同化子系统可实现对MODIS、FY等卫星陆表温度资料的质量控制(阈值和极值检查、空间连续性检查、资料稀疏化等)和资料同化；大气同化子系统可实现对NCEP-R1、NCEP-FNL、ERA-Interim等大气分析资料的数据处理转换(水平分辨率转换、垂直坐标转换等)和资料同化。
进一步地，海洋分量模式、海冰分量模式、陆面分量模式和大气分量模式的同化算法可以采用集合卡曼滤波、集合最优插值、三维变分、最优插值等相对复杂的同化方法，也可以采用针对再分析资料的简单初始化方法。
气候系统模式多圈层耦合资料同化系统可部署在高性能计算上，运行流程包括以下五个步骤：
一、数据预处理
针对ARGO、GTSPP、TAO等海洋温盐廓线观测资料，解压数据文件，读取有效记录，合并同化窗口内的观测数据；
针对AVHRR卫星遥感海表温度和海冰密集度资料、AVISO卫星遥感海表高度资料、MODIS或FY卫星陆表温度资料，解压数据文件，读取合并同化窗口内的观测数据；
针对NCEP-R1、NCEP-FNL、ERA-Interim等大气分析资料，把资料的水平网格统一到模式分辨率，垂直等压面转换到模式的混合坐标面；
二、资料质量控制
针对ARGO、GTSPP、TAO等海洋温盐廓线观测资料，主要控制流程包括：判断剔除重复记录；检查观测时间，保证观测记录中测量时间是否依次递增；检查观测深度，保证观测记录中测量深度是否依次递增；对比观测和模式海陆分布，去掉可能处于陆地的测量点；检查气候阈值和极值，剔除明显超出观测量值范围的记录以及相比气候态数据偏差较大的极端异常值；垂直梯度检查，剔除邻近层次温盐垂直梯度不合理的观测；对温度和盐度变量分别进行空间连续性检查，筛查水平空间上的所有观测，剔除相比邻近范围平均值出现显著异常的观测点；
针对AVHRR卫星遥感海表温度和海冰密集度资料、AVISO卫星遥感海表高度资料、MODIS或FY卫星陆表温度资料，主要控制流程包括：资料稀疏化到模式相当的分辨率；对比观测和模式海陆分布，去掉可能处于陆地的测量点；检查气候阈值和极值，剔除明显超出观测量值范围的记录以及相比气候态数据偏差较大的极端异常值；对各变量进行空间连续性检查，筛查水平空间上的所有观测，剔除相比邻近范围平均值出现显著异常的观测点；
此外，对于单个同化分量可能涉及的多种观测资料(比如卫星遥感海表温度资料和多种海洋温盐廓线资料)，进行资料融合，并对融合后数据进行重复记录检查、变量空间连续性检查等质控步骤，确保进入同化系统的观测较为可靠；
三、资料同化分析
针对各分量同化观测资料和分析变量的特点，基于多种不同复杂程度的同化算法实现耦合模式框架下的资料同化，主要包括：
基于集合最优插值方法实现卫星海表温度资料、卫星海表高度资料、温盐廓线资料的协调同化。集合最优插值方法本质上源于集合卡曼滤波同化方法，其保持了集合卡曼滤波方法的主要优点，但没有采用动态样本估算背景误差协方差，而是通过静态集合样本估算背景误差协方差矩阵，具有计算代价较小、便于业务使用的特点；
基于最优插值方法实现了海冰密集度资料的同化。该方法采用参数化方式估计背景误差协方差，并采用局地化设计简化同化分析计算；
基于集合卡曼滤波方法实现了卫星陆表温度资料的同化。该方法针对陆面模式网格上的单点变量开展同化分析，利用随机扰动生成的动态样本估计背景误差协方差；
大气分析资料的同化采用了简单的松弛逼近方法，在模式谱空间上对大气温度、风场、湿度变量场进行直接调整；
四、同化试验积分
在高性能计算机上运行资料同化系统(包括气候系统模式和各个同化子系统)，其中海洋、海冰、陆面同化子系统每天同化一次观测资料，大气同化子系统每6小时同化一次再分析资料。各同化子系统之间的信息传递通过模式耦合器实现，耦合频率为每半小时一次；
同化试验积分时间根据需求确定，可以开展十年以上历史资料的长期同化分析试验，也可开展最近几天实时资料的同化分析试验；
五、同化结果处理和评估
同化试验完成后，对模式输出数据进行后处理，包括合并整理输出文件、提取关键变量输出场、把模式大气垂直坐标面变量转换成常规等压面变量，等。在此基础上，和其它观测或再分析资料进行对比，检验系统的同化性能。
图2给出本发明实施例提供的气候系统模式多圈层耦合资料同化系统(CDA)相比国家气候中心上一代同化系统(BCC-GODAS2)和美国两套同化系统(SODA、GODAS)的海洋温度均方根误差(RMSE)随深度变化特征。可以看出，本发明实施例的气候系统模式多圈层耦合资料同化系统的误差要明显小于另外三套同化系统的误差。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
