申请/专利权人：北京师范大学

申请日：2023-07-19

公开（公告）日：2024-02-27

公开（公告）号：CN116956579B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20;G06F17/11;G06F111/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.27#授权;2023.11.14#实质审查的生效;2023.10.27#公开

摘要：本发明公开了一种中层大气环境数值同化方法及再分析系统，方法包括如下步骤，S1、一级同化数据下载；S2、二级同化数据获取；S3、中层大气环境同化系统建立；S4、中层大气环境再分析数据生成；S5、中层大气环境再分析数据的再处理。优点是：为研究中层大气环境的时空变化特征提供可靠的、全球的、高精度的、长时间序列的和连续的再分析数据集，为中层大气各种飞行器飞行活动提供气象服务保障。

主权项：1.一种中层大气环境数值同化方法，其特征在于：包括如下步骤，S1、一级同化数据下载：选择中层大气环境数值同化方法需要同化的数据及需要同化的变量种类，下载这些一级同化数据；S2、二级同化数据获取：将一级同化数据处理为中层大气环境数值同化方法能够识别的二级同化数据；步骤S2具体包括如下内容，S21、读取数据处理的启动时间点和完结时间点；S22、将一级中层大气同化数据处理为中层大气DART同化工具能够识别的二级中层大气同化数据；步骤S22具体为，将HDP5格式MLSAURA温度、湿度和臭氧星载观测一级数据，转换为NC格式的温度、湿度和臭氧资料，再将该NC格式的温度、湿度和臭氧资料与NC格式SABERTIMED温度、湿度和臭氧星载观测一级数据和NC格式的风云3D星载观测温度、湿度和臭氧日资料，转换为用于同化的二级数据日资料；利用advance_time工具将单日的二级数据日资料切割为1日8次的文件，形成中层大气DART同化工具能够识别的二级中层大气同化数据；S23、将一级低层大气同化数据通过lnp线性内插方法插值成低层大气松弛逼近同化工具能够识别的特定水平和垂直分辨率的NC格式的二级低层大气同化数据；S24、将一级下垫面驱动数据通过lnp线性内插方法插值成WACCM全大气层公用气候模式海洋模块能够识别的水平分辨率的NC格式的二级下垫面驱动数据；S25、将一级地表排放辐射强迫数据通过lnp线性内插方法插值成WACCM全大气层公用气候模式辐射模块和化学模块能够识别的水平分辨率的NC格式的二级地表排放辐射强迫数据；S3、中层大气环境同化系统建立：分别构建中层大气DART同化工具、低层大气松弛逼近同化工具和WACCM全大气层公用气候模式，并编译中层大气DART同化工具、低层大气松弛逼近同化工具和WACCM全大气层公用气候模式的共轭接口，以建立中层大气环境同化系统；步骤S3具体为，利用C+Fortran编译器编译input_data子程序、Lorenz63model子程序、时间步长子程序、observation_sequence子程序、perfect_model_obs子程序和filter子程序，建立中层大气DART同化工具；利用C+Fortran编译器编译松弛逼近子程序，建立低层大气松弛逼近同化工具；利用C+Fortran编译器编译FV动力框架、水平传输离散子程序、通量形式的欧拉显示运算子程序、通量形式的半拉格朗日平流运算子程序、垂直离散子程序、能量守恒调整子程序、不同级别循环子程序、稳定性子程序和化学传输子程序，建立WACCM全大气层公用气候模式；利用Fortran编译器编译中层大气DART同化工具、低层大气松弛逼近同化工具和WACCM全大气层公用气候模式的共轭接口，从而建立中层大气环境同化系统；S4、中层大气环境再分析数据生成：设计同化参数，基于中层大气环境同化系统分别采用EAKF滤波同化方法和松弛逼近同化方法对二级同化数据进行同化，生成中层大气环境再分析数据；步骤S4具体包括如下内容，S41、同化参数设置：读取同化的启动时间点和完结时间点，确定需要输入的预处理后的同化数据，设定同化初始化参数、同化运行参数和同化输出参数；S42、同化处理：1利用EAKF滤波同化方法进行集合同化数值试验：EAKF滤波同化方法采用采样粒子的集合表示状态概率空间，以集合形式进行模拟预报和分析更新，通过模式状态的集合表示误差协方差的信息，以最小化观测值和模拟值的误差协方差为约束条件，对目标进行最优估计；集合试验的生成依靠WACCM全大气层公用气候模式初始化运行的时候，赋予WACCM全大气层公用气候模式启动的初始场一个小的温度扰动，从而创建3个及3个以上的集合试验，以满足EAKF滤波同化方法的需要；通过EAKF滤波同化方法，同化被选择的二级中层大气同化数据；2利用松弛逼近同化方法同化二级低层大气同化数据：低层大气MERRA2-reanalysis数据中包括温度、湿度、三维风场在内的变量同化采用松弛逼近的方法；松弛逼近同化方法是一种基于动力学的降尺度方法，在数值模式积分的指定时刻，在一个或多个预报方程中增加一个模拟值与观测值之差的松弛项，在观测数据的时间段内，使得方程的解逼近观测值，用所得的模式解作为模拟的初值，从而提高数值结果的模拟效果；通过松弛逼近同化方法同化二级低层大气同化数据；S5、中层大气环境再分析数据的再处理：对中层大气环境数据再分析数据进行后处理和对比检验；步骤S5具体为，读取数据再处理的启动时间点和完结时间点；对中层大气环境再分析数据进行后处理，生成正式再分析数据；再基于NCL软件对正式再分析数据中的大气温度、纬向风速、经向风速、垂直风速、湿度和密度进行检验。

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百度查询： 北京师范大学 中层大气环境数值同化方法及再分析系统

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