[发明专利]基于最优观测时间窗口的耦合数据同化与参数优化方法

摘要

基于最优观测时间窗口的耦合数据同化与参数优化方法，属于耦合气候模式系统的数据同化、参数优化与数值预报技术领域。针对传统耦合数据同化与参数优化方法存在的观测资源利用以及状态估计与参数优化精度的不足，本发明结合耦合模式自由积分状态的谱分析获取耦合模式状态的特征时间尺度，依据耦合模式状态的时间尺度设立最优观测时间窗口的大小。在基于最优观测时间窗口获取有效的大气与海洋观测数据的基础上引入观测窗口内时间权重系数，最大程度上提取有效的观测信息以拟合耦合模式状态的特征变率并忽略模式内部参数的时变特征并引入时间窗口内的时间平均系数，实现对模式参数的更加精确的估计与优化，强化耦合模式的大气与海洋的数值预报能力。

主权项

1.基于最优观测时间窗口的耦合数据同化与参数优化方法，其特征在于，包括：步骤一，获取耦合模式状态的特征时间尺度；在耦合模式自由积分的基础上获取耦合模式状态的时间序列，并对状态的时间序列进行谱分解，以获取不同耦合状态的特征时间尺度；步骤二，对最优观测时间窗口内观测数据进行预处理；剔除最优观测时间窗口内的无效数据和异常数据，将有效的观测数据转化成同化过程所需的格式，其中代表观测点k的有效观测，m表示观测窗口内的有效观测数量；步骤三，分别求解最优观测窗口内有效观测的观测增量；基于同化时间点k对应耦合模式状态集合(x_k,1,…,x_k,N)，其中x_k,1代表格点k的状态变量，N表示状态集合成员数量，对最优观测窗口内所有有效观测求解对应的观测增量其中表征格点k上窗口内第m个有效观测对第N个状态集合成员的观测增量；将状态集合(x_k,1,…,x_k,N)的第i,i＝1:N个成员，利用线性观测算子将其投影到观测空间，得到观测的先验集合再结合观测值与观测先验集合计算对应的观测增量步骤四，引入观测窗口内时间权重系数求解针对模式状态的平均观测增量；针对步骤3中得到的对最优观测窗口内所有有效观测增量引入观测窗口内时间权重系数W_ii：其中最优观测窗口L内包含m个有效观测，每一个有效观测与同化时间点的时间差异分别为(L₁,…,L_m)；平均化的观测增量为：步骤五，求解针对模式状态估计的平均分析增量；依据步骤4得到的平均化的观测增量和观测误差求解模式状态对应的分析增量为：其中表示观测与状态集合的先验误差协方差，观测误差为步骤六，实现对模式内部参数的优化与更新；当模式状态估计达到准平衡状态后，利用最优观测窗口内的观测信息对模式内部参数进行估计与优化，针对参数估计的最优窗口设置取决于优化参数的观测对应的最优观测时间窗口，窗口内的有效观测分别按照步骤3计算相应的观测增量，并在观测增量的基础上平均化求取平均观测增量；平均化的观测增量为平均化后的观测增量对应的观测误差与观测前验集合误差分别为得到平均化的观测增量和观测误差后，基于步骤5所示求解针对内部参数的分析增量ΔP_i,j其中表示待估参数与观测先验集合的误差协方差，之后将分析增量ΔP_i,j叠加到对应的参数集合上实现对待估参数集合的优化和更新；步骤七：状态估计过程与参数优化过程结束时采用自适应的膨胀方案，基于更新之后的模式状态与内部参数，模式继续积分并进入下一个参数估计与参数优化周期。