非对称大气模式下二维射线追踪算子.pdf

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1、!第!"卷!第#期!$%%"年#月)#’非对称大气模式下二维射线追踪算子"洪振杰!!$""$!!叶!帆!郭!鹏!6中国科学院上海天文台!上海$###%#($6温州大学数学与信息科学学院!温州%$’#%’摘要!!在大气球对称假设下!可以从弯曲角观测资料通过KN2.积分变换反演得到折射率剖面!而由于低层大气的折射率水平不均匀性!导致KN2.反演在近地面的误差可能达到!#:6避免该误差的一种有效方法就是不采用KN2.反演!直接将弯曲角同化到数值天气预报模式中6文中介绍了一种非球对称大气模式的弯曲角二维射线追

2、踪算子!通过模拟计算检验了折射率水平不均匀性所产生的误差!并对四阶F07B2&;0[[,法的积分步长做了测试6关键词!!A.>掩星!射线追踪!数据同化!@*SZ<"^*II’法!!在成功进行了bPa*<*I!=>T[23!aK8&8和<23-0+F,7B2c2,[M2>GH>24,T[-7B!*82模拟测试了同样的方%?!(&%D&8=a等和刘敏等在检验

3、了弯曲角$##"年)月!)日成功发射!每天将提供大约%###个!W&JKF中!用KN2.积分算子同化掩星弯曲角的问%!#&全球观测6无线电掩星技术能提供高精度"温度题(JH7等基本上采用同样的方法对!W&JKF%!!!!$&,!;!湿度#6’B*‘B$’高垂直分辨率"#6!)!‘+$’技术的反演敏感性进行测试(dH0等和O-0%!%&全球覆盖的地球电离层和中性层大气剖面!具有全天等利用射线追踪程序同化bPa*<*I弯曲角数%!&%!)&候’低费用’无系统长期漂移等优点6bPa掩星观据(dH0等统计分析

4、了二维射线追踪与球对称大%!’&测数据同化到数值天气预报"70+2>-4,.Y2,[M2>5>2&气假设计算的弯曲角误差6aM,H和dH0研究了不3-4[-H7!@cP$和全球分析!对气候监测’天气预报同的背景场’不同误差特性的选择对反演结果的敏和大气研究具有巨大的潜在应用价值6感性分析6如何有效地将掩星资料同化到数值天气预报模在大气球对称假设下!通过KN2.积分变换即可%$&式已经成为目前密切关注的问题之一6;0H等探以从弯曲角观测资料反演得到折射率剖面6由于湿大讨了各类掩星数据的同化方案以后!认为

5、折射率和气的影响!大气折射率水平不均匀性是!#‘+以下反%%&%!"!!?&弯曲角同化是较为可行的途径6dH0等分析了演折射率剖面的主要误差源!它在近地面处的bPa折射率数据同化到<<’四维变分模式中!对误差最大可能达!#:6避免该误差的一种有效方法%)&改善模式性能所起的作用(;0H设计了一组掩星就是不采用KN2.反演!而利用二维射线追踪算子直%!!)!%&观测模拟实验!评估了掩星折射率数据同化在强风接将弯曲角同化到数值天气预报模式中6%’&暴天气预报方面起的作用(;0>T-7T‘-等利用一维本文介

6、绍了非球对称大气模式的弯曲角二维射线变分同化"!W&JKF$技术将bPa*<*I折射率数据追踪算子!并通过模拟计算检验了折射率水平不均匀同化到欧洲中尺度天气预报"*0>H52,7827[2>^H>性所产生的误差6文章最后对四阶F07B2&;0[[,法的!$##"&#?&#%收稿!$##"&#(&$)收修改稿!"国家自然科学基金"批准号#)#"#’#!$$’中国科学院知识创新工程重要方向项目";X8g$&ac&I!$和上海市科学技术委员会科研计划项目课题"#)dF!)!’$$资助!""*&+,-.#MH

7、7B!Y_06230647!第!"卷!第#期!$%%"年#月)#"积分步长做了测试!结果表明#在误差允许的范围内!度";$5合理调整积分步长可以使计算机机时比步长调整之前!!"$$bPa的信号路径轨迹方程可以用二阶微分减少大约一个数量级!从而获得较高的计算效率6%!!!$%&方程表示$!资料变分同化$,32$]##"%$为了克服掩星资料反演中的温度和水汽剖面的3/%!(&模糊度!同时提高反演的精度!*]>2提出了掩星其中!2]2"/$]"!"/$!""/$$I是射线轨迹!微分观测资料一维变分同化反演技

8、术5变量3/]3S*#!S是射线光学长度5射线轨迹方程变分同化技术的一个基本假设是#大气状态向量可以写成一个等价的一阶微分方程组%!D&的最大似然值应满足价值函数‘"’$最小化条件932!6I_!6!1]0"/$‘"’$]"’_’$7"’_’$^3/$$")$8,3!"F#I"G^0$_!"F#]##_Q7’8$_Q7’8$^:3/4."’$]+-7"!$其中!]32*3/5方程组的边界条件是由2!!的初其中!!为大气状态向量"温度’湿度和压强剖面$的始