Báo cáo nghiên cứu khoa học Tổng quan hệ thống đồng hóa lọc Kalman tổ hợp và ứng dụng cho mô hình dự báo thời tiết WRF

Trong bài báo này, bộ lọc Kalman và biến thể tổ hợp cho phép ứng dụng trong các mô hình dự báo số sẽ được trình bày chi tiết. Một biến thể lọc Kalman tổ hợp địa phương sau đó sẽ được chọn thử nghiệm và đưa vào mô hình WRF. Các kết quả ban đầu cho thấy bộ lọc Kalman tổ hợp có khả năng nắm bắt tốt số liệu quan trắc vệ tinh.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Báo cáo nghiên cứu khoa học " Tổng quan hệ thống đồng hóa lọc Kalman tổ hợp và ứng dụng cho mô hình dự báo thời tiết WRF " Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 17 -28 Tổng quan hệ thống đồng hóa lọc Kalman tổ hợp và ứng dụng cho mô hình dự báo thời tiết WRF Kiều Quốc Chánh* Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 29 tháng 4 năm 2011 Tóm tắt. Trong bài báo này, bộ lọc Kalman và biến thể tổ hợp cho phép ứng dụng trong các mô hình dự báo số sẽ được trình bày chi tiết. Một biến thể lọc Kalman tổ hợp địa phương sau đó sẽ được chọn thử nghiệm và đưa vào mô hình WRF. Các kết quả ban đầu ch o thấy bộ lọc Kalman tổ hợp có khả năng nắm bắt tốt số liệu quan trắc vệ tinh. Từ khóa: Đồng hóa số liệu, lọc Kalman, mô hình WRF, dự báo tổ hợp, lọc Kalman tổ hợp. 1. Mở đầu cần thiết để tránh đưa vào các giá trị quan trắc tùy ý. Mặc dù đồng hoá số liệu trong khí tượng Một cách tổng quát, đồng hóa số liệu là quá đã được quan tâm từ đầu những năm 1950 trình tạo trường ban đầu tốt nhất có thể cho một [7,8], bài toán này lại chỉ thực sự phát triển mô hình dự báo, dựa trên các mối quan hệ động mạnh trong thời gian gần 20 năm gần đây do sự lực và xác xuất thống kê. Do đặc thù của mô phát triển mạnh của máy tính cho phép thực hình dự báo thời tiết bằng mô hình số có tính hiện được các thuật toán một cách nhanh chóng phụ thuộc ban đầu mạnh, các bản tin dự báo và có hiệu quả. thời tiết đôi khi cho các kết quả hoàn toàn sai Các thuật toán khởi điểm của đồng hoá số lệch do điều kiện ban đầu không chính xác [1-5]. liệu bao gồm thuật toán Cressman và thuật toán Quá trình đồng hóa về cơ bản bao gồm hai Barner. Các sơ đồ này dựa trên các phép lặp bước chính là 1) phân tích khách quan và 2) hoặc ép (nudge) số liệu quan trắc xung quanh ban đầu hóa [6]. Theo bước phân tích khách một điểm nút lưới cho trước về một giá trị mới quan, trường quan trắc sẽ được ngoại suy về sau một số vòng lặp cho trước. Cách tiếp cận điểm lưới của mô hình số một cách tối ưu. địa phương này tuy nhiên không thoả mãn vì Trong bước tiếp theo, trường ngoại suy này sẽ chúng không tính được yếu tố động lực cũng được cân bằng hóa sao cho các biến quan trắc như các đòi hỏi cân bằng của mô hình. Do đó phụ thuộc lẫn nhau sẽ được ràng buộc bởi một rất nhiều các thuật toán ban đầu hóa đã được mối quan hệ động lực cho trước. Điều này là phát triển. Theo quan điểm hiện đại, các sơ đồ đồng hóa số liệu hiện nay có thể được tạm chia _______  hai thành 2 loại [9]. Một loại, tạm gọi là bài ĐT: 01642541065. E-mail: chanhkq@vnu.edu.vn 17 18 K.Q. Chánh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công ngh ệ 27, Số 1S (2011) 17-28 toán đồng hoá biến phân (ĐHBP), tập trung vào Điểm khác biệt cơ bản nhất giữa ĐHD and việc tìm kiếm trạng thái khí quyển có khả năng ĐHBP là ma trận sai số hiệp biến của trạng thái xảy ra cao nhất ứng với một tập quan trắc và nền trong ĐHD được tích phân theo thời gian một trạng thái nền cho trước [10-15]. Phụ thuộc thay vì giữ không đổi như trong cách tiếp cận vào cách xử lí số liệu là tức thời hay trong một ĐHBP. Có hai quá trình đòi hỏi khối lương tính khoảng thời gian, bài toán ĐHBP có thể chia toán rất lớn trong các phương pháp ĐHD là các nhỏ thành bài toán 3 chiều (3DVAR) hay 4 tính toán nghich đảo ma trận và tính toán mô chiều (4DVAR). hình tiếp tuyến. Các tính toán này là quá lớn ngay cả với một mô hình đơn giản, và hầu như Cách tiếp cận chung của bài toán ĐHBP là không thể tính toán được trong các bài toán tìm một trường phân tích nào đó có khả năng thực tế. Để khắc phục nhược điểm này của lọc xảy ra cao nhất bằng cách tối thiểu hoá một Kalman, một biến thể khác của lọc Kalman dưa hàm độ đo sai số, còn gọi là hàm giá. Phương trên dự báo Monte-Carlo có tính khả thi hơn đã pháp ĐHBP có ưu điểm là hàm giá được cực được phát triển là bộ lọc Kalman tổ hợp tiểu hoá trên toàn miền và do đó kết quả trường (EnKF). Với sự phát triển mạnh mẽ của phương phân tích sẽ loại bỏ được những tình huống tiện tính toán, EnKF đã liên tục phát triển với “mắt trâu” mà trong đó trạng thái phân tích chỉ nhiểu biến thể khác nhau và hiện đã trở thành nhận giá trị xung quanh điểm quan trắc. một cách tiếp cận mũi nhọn trong việc giải Mặc dù có một số ưu điểm kể trên, ĐHBP quyết bài toán đồng hóa số liệu cho các mô có một số nhược điểm lớn không thể bỏ qua. hình ...