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《国防科学技术大学》 2007年
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四维变分同化关键技术研究与并行计算

朱小谦  
【摘要】: 由于初始场在数值天气预报中的重要性以及被精确确定的困难性,先进的气象资料同化方法已经成为提高数值天气预报效果的核心技术之一。本文以解决四维变分同化(4D-Var)业务化关键技术为目标,综合运用大气科学、计算数学和计算机应用技术等方面的知识,对制约四维变分同化效果和计算性能的关键算法和并行计算技术进行了研究,并实现了一个基于增量公式的多分辨率四维变分同化试验系统YH4DVAR。论文完成的主要工作和创新成果如下: 一、研究了四维变分同化基本原理和实现技术,对四维变分同化算法进行了理论推导和分析。针对增量方法中内循环最优化计算量大,容易丢失中小尺度信息等缺点,提出了多分辨率多增量四维变分同化实现方法。多增量方法可以加快内循环最优化迭代的收敛速度,减少计算量,同时保留不同尺度的大气信息,从而能够获得更高分辨率的分析增量和更准确的分析场。针对一般控制变量变换中背景误差协方差水平和垂直相关相分离的简化处理,构造了基于球面小波变换的控制变量转换新算子,通过小波尺度实现了水平和垂直相关的依赖。 二、对背景误差协方差的统计方法进行了研究。针对传统的NMC统计方法只能估计出气候意义上的或静止的背景误差统计的不足,提出了基于集合预报的NMC方法,实现了具有流依赖(flow-dependent)特征的背景误差协方差统计。针对谱方法估计背景误差统计量的缺点,提出了基于球面小波的全球背景误差协方差模拟方法。理论研究和试验结果表明,基于球面小波的背景误差协方差模型能够模拟出既依赖于不同尺度又依赖于地理空间位置的局地垂直相关矩阵,这对于提高全球范围的中尺度预报效果具有重要意义。 三、针对非高斯型的观测误差导致非二次型目标函数的问题,将变分原理应用于观测资料质量控制过程中,设计了基于多分辨率迭代的变分质量控制算法。实现了观测资料质量控制和四维变分同化分析过程相结合的技术,其中考虑了显著误差的非高斯性质,在迭代中对目标函数的观测项作了修正。变分质量控制改善了资料的利用情况,对于前一次迭代中被拒绝的观测资料,如果周围的观测与之相一致,则可以在下一次迭代中被重新评估和利用,并最终影响分析场。试验结果表明,通过变分质量控制,资料的利用率和同化效果得到了明显改进。 四、研究了大规模最优化算法原理和实现技术。为了加快四维变分同化最优化计算迭代收敛速度,在分析共轭梯度方法和有限存储LBFGS方法的基础上,基于预条件和混合迭代步思想,并考虑目标函数的局部特性,提出了迭代时利用线性共轭梯度法进行预条件的改进LBFGS方法。与传统LBFGS方法比较,该方法能够保证更快地收敛。数值实验表明,当目标函数不是严格的二次型时,计算性能的提升更加明显,这对于采用复杂处理而导致目标函数非严格二次型的四维变分同化具有很好的应用前景。 五、针对四维变分同化系统的计算性能瓶颈,研究了高分辨率谱模式和变分同化框架的大规模可扩展并行算法。针对谱模式的两类空间计算(格点空间和谱空间)和两类变换(傅立叶变换和勒让德变换)算法特点,提出了格点空间的二维非规则区域分解算法,解决了一维数据划分导致的计算负载不平衡和通讯效率低的问题。针对四维变分同化的计算特点,提出了基于类型的观测资料混合数据划分算法,有效地解决了由于观测资料的随机分布导致的观测空间计算负载不平衡。实现了基于二维数据剖分和三维数据转置的谱模式并行计算和四维变分同化框架的多阶段并行。实际分析场数据的预报试验表明,谱模式512个进程并行计算能够在15分钟以内完成5天预报,完全满足业务预报的时效性要求。 六、研究了四维变分系统设计和实现技术。针对四维变分同化多任务、复杂数据流、计算量大的特点,基于多分辨率多增量算法设计了四维变分同化计算流程,建立了业务时序图。针对四维变分同化分析效果和计算性能瓶颈问题,采用论文提出的基于球面小波的背景误差协方差模型、变分质量控制、基于小波的控制变量变换、迭代时预条件LBFGS算法,和高分辨率谱模式、变分同化框架的并行计算技术实现了一个四维变分同化试验系统YH4DVAR。通过在我军某气象中心的试运行表明,YH4DVAR四维变分同化系统可以同化12小时时间窗口的气象观测资料,得到与模式协调一致的分析场,与模式一起组成的同化预报系统可以取得较好的预报效果。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:P456.7;TP338.6

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【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 谭凤;基于WRF大气模式的大风过程波浪模拟[D];天津大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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2 刘营;雷达图像编码器的并行处理研究与实现[D];哈尔滨工程大学;2009年
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7 王敏;分布式电源的概率建模及其对电力系统的影响[D];合肥工业大学;2010年
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10 李方义;区间非概率多目标优化设计方法及其在车身设计中的应用[D];湖南大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张小亮;非线性规划的信赖域算法[D];河南理工大学;2010年
2 吕晨;搜索竞价广告关键词优化问题研究[D];山东科技大学;2010年
3 徐芳芳;优化问题的PVD算法研究[D];山东科技大学;2010年
4 张明军;基于小波包最优树的图像融合技术研究[D];山东科技大学;2010年
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8 田键;磁粉检测系统中图像增强的方法研究[D];长春理工大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李燕;张彩凤;赵惠芳;王锡军;;大连地区寒潮强风天气的数值模拟研究[J];安徽农业科学;2010年04期
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中国重要会议论文全文数据库 前4条
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中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 杨毅;Doppler雷达资料同化技术研究[D];兰州大学;2007年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 杨小宸;张庆河;赵洪波;张娜;;浮泥沿航道流动的数值模拟[J];泥沙研究;2013年04期
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中国期刊全文数据库 前10条
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【相似文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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3 朱江;基于GrADS的数值天气预报可视化系统的设计与实现[D];电子科技大学;2010年
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6 李伟;湖南省有限区域数值天气预报系统研究与初步实现[D];国防科学技术大学;2001年
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8 赵求东;WRF+DHSVM融雪径流预报模式研究[D];新疆大学;2008年
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