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多源海洋观测资料的多尺度同化方法研究

摘要

海洋资料同化作为海洋数值预报和再分析系统中必不可少的一个重要环节，可以

有效地利用各种观测资料矫正海洋模式误差，为海洋预报和海洋再分析提供合理的初

始场，提高预报精度和可靠性。由于海洋观测资料十分有限，现有同化方法难以利用

有限的观测数据为高分辨海洋模式提供精确的预报初始场，这是制约多尺度海洋环境

预报的主要原因之一。对于海水多尺度特征的分析是研究海洋过程的重要途径，尤其

对于中小尺度的精确预报影响着近岸物质输运、污染物扩散、海洋平台及舰船的水动

力过程。本文对多源海洋观测资料的多尺度资料同化关键技术展开研究，利用有限观

测资料进行多尺度分析和尺度分解依据海洋的三维时空特征来优化多尺度同化方法。

本研究在总结分析现有的研究工作基础上，首先以三维变分方法为框架，提出二维空

间的非均匀尺度分解方法。其次基于历史资料的有效信息约束当前状态提出二维时空

的多尺度同化方法。在此基础上基于海表观测资料的有效信息与深度学习反演技术相

结合实现三维时空的多尺度同化，最后基于本文提出的同化方法设计了适用于多源观

测资料的预报系统，并在同化实验和预报实验中验证了本研究中多尺度同化方法的有

效性。

为解决标准多重网格三维变分方法在二维空间使用固定长度尺度信号进行均匀降

尺度的问题，本文在变分法的框架下提出了非均匀降尺度三维变分方法。该方法根据

不同海区的空间分布特征构建二维空间上的多尺度映射关系，其中代价函数中的背景

误差协方差矩阵的空间延展性由多尺度网格粗细来代替。在构造网格的过程中优先滤

除相关性高的点，保留相关性低的点。该方法使得空间网格点的分布在大尺度区域稀

疏，小尺度区域密集从而更好的捕捉不同尺度的误差分量。实验表明新方法对于不同

季节的大尺度空间信息具有较好的调节能力，在特定季节具备抓取小尺度变化的能力。

为解决变分法中静态背景误差协方差不随时间更新的问题，提出利用历史观测资

料平滑当前状态的时滞扩展非均匀降尺度三维变分方法。由于误差信号随时间在空间

扩散，相邻两个时刻可作为小尺度误差信号等价于在空间维度上增加观测约束。该方

法将背景误差协方差分解得到包含时滞项的代价函数，使背景误差协方差具有伪流依

赖的特征。实验结果表明在历史观测的平滑作用下，非均匀降尺度的分析增量能够对

近岸地区以及中小尺度的要素变化更好的拟合，由于结合物理过程使得加入时间相关

性的新方法具有更明显的物理意义。

哈尔滨工程大学博士学位论文

为解决温盐剖面观测资料在多维时空分布稀疏且不均匀的问题，本文提出集成深

度学习反演技术的卫星观测资料同化方法。新方法使用在海表分布均匀的高精度卫星

观测资料垂向延拓作为代价函数中的观测新息（观测增量信息）实现多源观测资料在

三维时空的多尺度同化。反演模型通过拟合卫星观测中分布于海表的多种要素与垂向

温盐场的多尺度映射关系，从而提取不同尺度垂向的结构特征得到三维伪观测资料。

实验结果表明该方法能够显著提升同化算法的性能，说明观测资料的数量和维度的缺

失是限制同化性能的重要因素。

为解决模式预报与高分辨率的多源观测资料不适配的问题，本文进一步将集成反

演时滞扩展非均匀降尺度方法用于调整模式对观测新息的记忆能力，实现了数值模式

预报系统设计。总体设计包括初始场模块、协方差模块、观测资料处理模块、同化模

块、预报模块和检验评估模块，适配于结构网格或者非结构网格的海洋模式。预报系

统中同化的海洋观测资料包括海表面温度、海表面盐度、海表面高度异常、浮标温盐

剖面和温探系统温盐剖面。实验结果表明多源观测协同同化能够对观测新息的垂向结

构延展性进行合理的约束模式预报的稳定性从而实现对观测新息有效累积。

关键词:多尺度资料同化；背景误差协方差；时空尺度分解；遥感反演；数值模式预报

多源海洋观测资料的多尺度同化方法研究

Abstract

TheassimilationofMarinedata,asanindispensablepartoftheMarinenumerical

predictionandreanalysissystem,caneff