考虑非对角观测误差协方差矩阵的异步海浪谱4D-LETKF同化研究

In data assimilation, observation error covariance matrix is often assumed as a diagonal matrix, which lost large amounts of information containing in the observation error. In addition, significant wave height assimilation can only use the total energy of ocean wave to study wave spectral. There is no enough information to correct the two-dimensional wave spectral generated by wave model because of the lack of parameters such as the direction of the wave. In view of this, based on the WAVEWATCH III wave model, we will explore the impact of observation error’s correlation to assimilation effect, and the concrete structure of off-diagonal observational error covariance matrix. The improved spectral partition strategy will be used to build the efficient 4D-LETKF-P which could assimilate asynchronous observations data. The assimilation study will be carried out based on the ENVISAT ASAR and CFOSAT Ocean wave spectrometer remote sensing data. This study could clarify the response mechanism of the observation error covariance matrix’s off-diagonal property to the assimilation effect. The project could provide idea for the assimilation of two-dimensional wave spectral data, and could lay the foundation for the development of high-precision ocean wave assimilation prediction model.

数据同化中，真实的观测误差协方差矩阵是非对角的，但常被假设为对角矩阵，这会丢失包含在观测误差中的大量信息；海浪数据同化中，有效波高同化只能用海浪的总能量来分析海浪谱, 缺少海浪的方向等资料，使之没有足够的信息来纠正模式产生的二维海浪谱。鉴于此，本研究拟基于海浪模式WAVEWATCH III，探求遥感数据非对角观测误差协方差矩阵的具体结构，分析观测误差的相关性对同化效果的影响，改进谱分割策略，构建同化异步海浪谱数据的4D-LETKF-P算法，开展ENVISAT ASAR和CFOSAT波谱仪等遥感海浪谱数据的同化研究。本研究对阐明观测误差协方差矩阵的非对角性质对同化效果的响应机制有重要意义，可为异步二维海浪谱数据的高效同化提供思路，为发展高精度的海浪同化预报模式奠定基础。

海浪数据同化中，目前的研究主要是针对海浪有效波高的同化研究，对二维海浪谱的直接同化研究较少。对背景误差协方差矩阵的研究较多，而对于观测误差协方差矩阵的研究基本都是进行简单的对角处理，即认为观测误差是无关的。为得到更高精度的海浪模拟结果，鉴于以上背景，本项目探索了观测误差的相关性对同化效果的影响，在理想同化实验下，应用非对角的观测误差协方差矩阵产生的同化结果更优。研究了LETKF同化方法的局地化策略，解决了抽样误差导致的模式状态背景方差的低估和观测与模式状态之间存在长距离伪相关的问题。由于有效波高同化只能用海浪的总能量来研究分析海浪谱，缺少海浪的方向等参数，这样就没有足够的信息来纠正海浪模式产生的二维海浪谱。本项目基于海浪模式WAVEWATCH III，构建了基于谱分割策略的4D-LETKF-P同化方案，研究了二维海浪谱的直接同化问题。进行了ENVISAT ASAR海浪谱数据的同化实验，实验表明与仅进行有效波高同化相比，可同化二维海浪谱数据的4D-LETKF-P同化方案的同化效果更优；本项目为二维海浪谱数据的高效同化提供了思路，可为海浪预报业务部门提供技术支撑。