无线电掩星数据的同化沃豪分公司全球气象模型加工工厂的德国天气服务

最后一次更新在结婚,2023年3月01|无线电掩星

d . Pingel和Rhodin

抽象的同化GPS无线电掩星三维变分资料同化系统内的德国天气服务需要GPS无线电掩星向前弯曲角操作符。优化操作符设置,另一个——和三维弯曲角向前运营商评估。创新统计无线电掩星数据的冠军,优雅和FORMOSAT-3 /宇宙卫星相比,基于背景估计和观察同化方案中指定的错误。执行数值实验评估了无线电掩星数据对天气预报的影响分数,被比作一个实验同化常规观测数据。

1在DWD数据同化

同化一步的数值天气预报程序,前预测运行本身,使用观测气象模型的状态更新信息。常规气象观测现场数据来源如无线电探空仪、地面站测量,数据从飞机和浮标。辅以卫星遥感测量,例如,给定波长的光芒在最低点。

全球定位系统无线电掩星(GPS RO)数据是一种相对较新的和有价值的观察信息引入额外的信息来源在温度和湿度到模型(Healy et al ., 2007;Wickert et al ., 2009)。RO数据的好处是好垂直分辨率、独立的多云天气(一般折磨辐射测量,cf。麦克纳利(2002)),缺乏基本的偏见,和一个几乎一致的全球覆盖。

德国天气服务(德国Wetterdienst, DWD),观测数据的同化(包括GPS无线电掩星数据)将执行的

德国Wetterdienst (DWD),奥芬巴赫、德国电子邮件:(电子邮件保护)

三维变分(3 d-var)同化方法。同化是做了统计最优的方式,考虑到观测y, xb(模型背景)预期从之前的分析和误差模型和观测的特点,给出了各自的误差协方差矩阵B和r .因此,全面规范高相关性的观察和预测错误的数据同化。在同化过程,包含处罚条款的成本函数J太多的控制变量x从背景(网格模型字段)xb一方面,和他们的模型观察y的等价物H (x)另一方面最小化:

J (x) = Jb +乔= 2 (x - xb) TB-1 (x - xb) + 1 (y - H (x)) TR-1 [y - H (x)]。(1)

提出运营商H模型背景数据映射到观察空间。对于原位测量,H只执行一个插值的位置观察。在遥感测量,H是通常更复杂和非线性。分析x等于零成本函数的梯度J对控制变量x,

dJ = b - 1 (x - xb) + HtR-1 [y - H (x)] (2)

d x H的雅可比矩阵H . Tangent-linear和伴随算子计算H和一个向量的产品向右和向左,分别。分析增量是x - xb = [HtR-1H + b - 1] 1 htr-1 [y - H (xb)] =二叔丁基对甲酚[HBHt + R] 1 [y - H (xb)]。

情商的解决方案。(3)在观察空间(物理空间数据同化系统,公益广告)。这意味着减少的大小数值方程解决显著而在模型空间最小化。它是通过用x - xb = BHTz (4)

和解决

在观察空间z。迭代过程的非线性问题是解决外部牛顿算法和一种内在条件共轭梯度(CG)算法。占了非线性迭代Eq。(5) H线性化目前估计x;,用H;(戴利和巴克,2000):

随后,分析增量模型的状态变量是由后乘解决方案的z,所以您最后使用的预测误差协方差,根据(4)式。

基本上,相位延迟,弯曲角、折射率领域发挥的作用观察同化。DWD,弯曲角度被选为观察,因为他们允许可靠的重要背景和观测误差和规范可以没有任何关于横向均匀性和各向同性的假设。因此适当的算子H是实现映射模型背景的位置观察到相应的第一个猜弯曲角。

2评估弯曲角的运营商

必不可少的一步制备同化的无线电掩星的是找到一个合理的设置提出运营商,适用于数据同化的特定条件下运行应用程序。——和三维弯曲角运营商评估,标准偏差的创新(不同的观测和第一个猜测值)被视为基准标准。而三维射线跟踪运营商显示了最小的标准偏差,优化的结果一维向前运营商接近三维操作的性能。

评估可能的弯曲角度提出运营商设置中,提供了一个背景的弯曲角度高度p (p)功能的影响,是一个先决条件的同化RO观察。一个三维射线跟踪模型和一维模型被认为是作为运营商:

射线跟踪运营商H3d (Gorbunov Kornblueh, 2003)应该是最适合的物理现实,因为它考虑了along-ray和transverse-ray水平梯度温度和湿度的大气领域以及漂移雷切向的点在一个掩蔽。演算子的某些缺点是高需求的计算资源(时间和内存)。

一维向前运营商基于球对称假设大气字段。它适用于一个逆阿贝尔变换

的折射率剖面

(c1 = 77.6 K hPa 1和c2 = 3.73■105 K2 hPa 1)来自温度T,压力p,和水蒸气分压光伏一个点在水平之上,掩蔽点xoc。通过减少横向扩展占领事件单点xoc,切线点漂移是被忽视的。此外,xoc引入了某些不确定的选择模型。模型的漂移切线点至少在某种程度上,三个版本的一维运营商实现了用于测试目的,每个人都以不同的方式考虑决定xoc:第一个版本H1d执行逆阿贝尔变换在xoc给出相应的观测数据集的弯曲角度。第二版本H1dmn xoc决定个人的意思是射线的切线分最低20公里的掩星概要(额外的缩写“锰”缩写“1静”)。第三版H2d逆阿贝尔变换适用于每个射线分别掩星的概要文件,与xoc的切线点射线。这种方法将模型切线点漂移最佳相比前两个版本。

数据集测试的性能不同的运营商是一个冠军(挑战Minisatellite负载)和优雅(重力和气候恢复实验)相位延迟数据集提供的GeoForschungsZen-trum波茨坦(德国)2005年1月和7月,加工的方法在DWD弯曲角度规范变换CT2 (Gorbunov和劳里岑,2002,200raybet雷竞技最新4 a, b;Gorbunov et al ., 2006)。沃豪分公司DWD全球气象模型加工工厂(北京et al ., 2002)三个小时预测领域作为背景模型。创新的统计特性。差异的观察和第一个猜,然后考虑作为一个标准来评估不同的运营商。

图1 a - c显示纬向平均的比例(O - B) H1d标准差的三个版本,H1dmn,一维的H2d运营商各自的三维射线跟踪运营商H3d价值为2005年1月(本大小1 kmx10°)。所有三维的运营商,比率的值大于团结大部分地区和高度(它们严格大于团结在考虑全局方法)。这表明文中提出运营商执行最好的标准差。

当比较不同的一维的运营商,运营商H1d,接受掩蔽点作为CT2,穷的(图1)。相应的标准差为H3d超过各自的价值8%。然而,热带地区的比例小得多比额外的热带地区。这是有关事实,由于大气动力学的差异水平梯度热带地区的温度和湿度不太明显比额外的热带地区。提供这些梯度算子的特点之一H3d H1d相比,弯曲角的价值观——和三维运营商往往是类似的热带地区。

操作员H1d相比,操作员H1dmn上面显示了影响高度的降低标准差~ 8公里(图1 b)。这表明平均过程带来xoc接近的切线点射线上对流层和低平流层。

H2d版本的第一个猜测值,应用逆阿贝尔变换每个射线,射线追踪结果最接近(图1 c)。

图1评价向前弯曲角的运营商:标准差比一维的运营商(a) H1d(上),

: 1 0.98 0.99 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1。(

st.dev。200501年1静/ 3 d

: 0 98 099 1 1 1 102 103我'fH 05 06年1 07

st.dev。2 d / 3 d 200501

: 只有1、3

以上~ 10公里的高度产生影响,影响操作符H3d大部分地区还不到1%。此外,标准差的比值比H1d和统一为H2d H1dmn。

然而,特别是在最低射线热带,更精致的版本H2d执行比简单的版本H1d和H1dmn越多。这种效应可能与这一事实有关对于大多数掩星事件相切点的位置躺射线最低的谎言或多或少的直线所描述的切线点更高的射线。这些“缺陷”可能是一个不恰当的选择作为运用点的位置。这种效果的全面调查是必要的,虽然。

下面公里高度产生影响,射线跟踪运营商H3d是更好的标准差。这可能归因于以下事实,这个高度弯曲角信号包含主要湿度信息(特别是在热带地区)。水蒸气与温度相反,一个量波动显著规模水平比得上掩星的程度。这些波动由操作员H3d考虑,但不是由一维的运营商。

图2显示了图1 c数量一样,但对于2005年7月。最大值的变化的标准差的比值低对流层对朝鲜清晰可见,对应湿度的增加在这些地区在北半球的夏天。

评估的结果确诊的向前弯曲角运营商以另一种方式:公开的差异算子的性能(用标准差)更清楚,我们认为创新统计数据的观测(y)各自的第一个猜测st.dev弯曲角度。2 d / 3 d 200507

st.dev。2 d / 3 d 200507

1 0.98 0.99 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08

图2为图1 c,但夏季月

1 0.98 0.99 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08

图2为图1 c,但夏季月值(H (xb));至少给定分数不同的射线跟踪的第一个猜测值(Hsd (Xb));

|(高频(Xb));——(H3d (Xb));| > e■(H3d (Xb))我(9)

与F e {1 d, 1静,2 d}表示一维H的运营商和组件的版本用(H);。每个观测值(y)选择Eq。(9)对应于背景值评估不同版本的一维操作员和3 d。测量背景值的观测的亲密,我们决定了创新(y - H (xb))统计每个观察y和背景值的不同组合H1d (xb) H1dmn (xb) H2d (xb) H3d (xb)。图3显示了标准偏差(第一个猜测的百分比值,全球平均水平,2005年7月)的数据集选择这种方式与运营商H1dmn H3d,和e = 5%。的标准差H3d明显小于H1dmn的对应值,即:,第一个猜值派生H3d往往更接近观测与H1dmn比计算。相应的计算与其他运营商和组合不同的e值明显表明,性能

图3评价向前弯曲角的运营商:标准差H1dml]和H3d (e = 5%)为观察选择Eq。(9)

0.25

向前弯曲角的运营商的标准偏差的顺序增加胡H ^ ^ mn ^ Hzd ^藏。

虽然创新的水平上有显著差异的统计数据,优化的整体太多的一维向前运营商从光线追迹结果只不过是次要的(1 - 2%)影响高度高于8公里。GPS RO观察的统计重量很小,下面这个高度(大观察错误由于湿度梯度),这表明适当的使用优化的一维向前弯曲角运营商运营同化,与其他研究结果一致(波里2006;希利et al ., 2007)。

下列监测和同化实验,优化一维向前运营商H1dmn应用而不是演算子。

3监测

无线电掩星观测安排的长期监测。为此,观察和背景的差异的统计参数值(O - B)决心每月。一般情况下,观察到的弯曲角度同意背景等价物的偏差对应假设为背景和观察同化系统中的错误。

弯曲角度的观察与相应的背景等价物,沃豪分公司来源于预测领域的加工工厂的应用一维向前逆阿贝尔变换算子(版本H1dmn,看到教派。2)。近乎实时的数据集(NRT)弯曲角的冠军和优雅和FORMOSAT-3 /宇宙地球科学(星座观测系统对气象、电离层和气候)CDAAC / UCAR(宇宙数据分析和归档/中心raybet雷竞技最新大学大气研究公司)被认为是。此外,三分之一的数据集是由CT2方法(在DWD)应用到近乎实时的相位延迟数据集德国地球科学研究中心的冠军和优雅。CT2方法允许弯曲角度观察误差的估算值,不包括在近乎实时的弯曲角从地球科学数据集。因此,额外的掩星数据的统计信息。

一个质量控制应用于GPS RO数据监控:3 (O - B)检查应用于去除离群值。观察相对观测误差大于5%(对观察到的弯曲角值)被丢弃,而消除了观测主要在热带对流层较低(湿度波动的影响)和平流层(残余平流层波动引起额外的噪音)。此外,弯曲角的值是限于区间[0,0.02]排除错误由于管道流程。这些参数的质量控制也应用于同化试验(见教派。4)。

相应的统计特性差异,创新,考虑评估的一致性模型和观测弯曲角值和相应的错误估计和讨论在接下来的段落。

图4 a - c显示了全球分销RO概要文件的数量(本大小1公里x 10°)之后可用质量控制。冠军的不同轨道几何/优雅一方面和宇宙另一方面导致了不同的模式在各自的图。

图5、6、7、8和9显示纬向平均大小(本1公里x 10°)的统计参数(O - B)创新的三个数据集的时间2007年3月,将在下面讨论。

冠军和优雅近乎实时的数据还没有包括观察误差的估计,一个简单的、部分的线性函数依赖的观测误差影响的高度(希利和Thepaut, 2006)认为这个数据集(见图5):10 - 1%的相对测量误差减小线性0公里10公里高度的影响。10公里以上观测误差被认为是1%的弯曲角值,直到它达到一个较低的绝对限制6 x 10 - 6弧度。这个观测误差模型与纬向不同观测误差对冠军和优雅的CT2方法(图5 b)和宇宙(图5)。

平流层观察错误是由于电离层波动最大的部分。对宇宙和CT2派生的冠军/优雅弯曲角观测数据集错误估计从不同弯曲角度导出了几何光学和气候学。对流层的掩星的部分文件,在多路径信号跟踪区域(由radio-holographic方法解决)主导观测误差。宇宙数据,观测误差推导通过直接传播过剩阶段信号波动的弯曲角度。CT2方法,谱宽的光谱转换信号的波场是用于估计。细节的方法参与观察的估计错误,看到Gorbunov (2002);Gorbunov et al。(2006)(冠军/优雅CT2)和CDAAC / TACC (2007 a, b) (FORMOSAT-3 /宇宙)和引用。

热带海域的湿度的观测误差的影响符合更高的相对测量误差值在低纬度地区。高度超过20公里的影响,不同的观测误差的冠军和优雅CT2一方面和宇宙另一方面是明显的。这是由于使用不同的气候学的平流层分量估计错误。比较近乎实时的弯曲角与弯曲角度获得的地球科学应用CT2 DWD,很显然,CT2通常倾向于把更多的掩星数据比地球科学的方法(cf。图4 a, b在10 - 20公里高度影响),但分配一个相对较高的观测误差,尤其是在上下对流层(见图5 b)。高值的观测误差导致更多的观察被丢弃在这些高度水平,看到图4 b。对于所有数据集,估计观测错误(图5 a - c)通常小于模型背景错误(图6中,模型背景相同的错误不同的RO数据集),特别是在对流层上层的额外的热带地区。弯曲角的背景误差Bb背景误差协方差的计算温度和相对湿度在3 d-var Bfspecified线性观测算子的应用:

图4的GPS RO概要文件(本大小1公里x 1 o0) (a)冠军/优雅德国地球科学研究中心(弯曲角度),(b)冠军/优雅(由德国相位延迟,弯曲角度CT2 DWD), (c)宇宙(弯曲角度CDAAC / UCAR)

图5估计弯曲角观测误差(a)冠军/优雅(由地球科学功能的方法,弯曲角度),(b)冠军/优雅(由德国相位延迟,弯曲角度CT2 DWD), (c)宇宙(弯曲角度CDAAC / UCAR)

: bg。错误/ B [%] GFZNRT所有200703 1静

图6估计弯曲角背景误差沃豪分公司在加工工厂模型(第一个猜测的百分比值,来自背景误差协方差在t和rh的切线性算子ffidmn)

弯曲角度大的背景误差分布在温带射流区域大气变化很大。另一个最大的热带对流层较低。湿度的变化给弯曲角背景错误,最大的贡献达到15%的值。观察错误估计的宇宙和CT2算法(图5)显示最大值在热带地区。如果没有质量控制应用,这些观察错误将更大,达到类似于背景误差值。在热带地区只有相对较少的观察通过标准(图4)。这样观察误差相同的订单或小于背景误差,这是一个使用的观测同化的先决条件。

图7 a - c显示标准差创新的三个数据集。标准差通常更高的价值在热带地区,由于湿度的影响更明显。最高标准偏差的影响~ 18公里的高度是由重力波的存在可能造成的。偏差超过25公里的结果从电离层波动只能在一定程度上纠正了考虑L1和L2的不同阶段。剩余的巨大差异检索弯曲角度的气候学气候学通常由合适的抑制。在高海拔地区合理的弯曲角值是很重要的,如果温度资料来自亚伯反演的弯曲角度。他们不是重要如果一个操作符应用于大气资料转发给派生模型对应检索弯曲角度只要正确检索指定的错误。这是通过CT2检索算法。在这种情况下,模型将用于背景

图7标准差的创新(O - B) / B(第一个猜测的百分比值,H1dmn向前弯曲角操作符)(a)冠军/优雅德国地球科学研究中心(弯曲角度),(B)冠军/优雅(由德国相位延迟,弯曲角度CT2 DWD), (c)宇宙(UCAR / CDAAC弯曲角度)

st.dev。(0 B) / B [%] GFZNRT所有200703 1静st.dev。(0 B) / B [%] GFZNRT所有200703 1静

图8比创新的标准偏差(O - B)对估计标准偏差(a)冠军/优雅德国地球科学研究中心(弯曲角度),(B)冠军/优雅(由德国相位延迟,弯曲角度CT2 DWD), (c)宇宙(UCAR / CDAAC弯曲角度)

d . Pingel和a . Rhodin (a) (0 b) / est.err st.dev。[%]GFZNRT所有200703 1静

(b) (0 b) / est.err st.dev。[%]GFZNRTCT2所有200703 1静

图9偏见的创新(O - B) / B(第一个猜测的百分比值,ff1dmn向前弯曲角操作符)(a)冠军/优雅德国地球科学研究中心(弯曲角度),(B)冠军/优雅(由德国相位延迟,弯曲角度CT2 DWD), (c)宇宙(UCAR / CDAAC弯曲角度)

: 0.5 0 0.5

偏见(0 B) / B [%] GFZNRTCT2所有200703 1静偏见(0 B) / B [%] GFZNRTCT2所有200703 1静

: 0.5 0 0.5

偏见(0 B) / B[%]宇宙所有200703 1静偏见(0 B) / B[%]宇宙所有200703 1静

变分同化的正则化方案。创新的标准偏差是与预期相比,观测误差的平方和和背景误差e = (e2bs电磁带隙)+ 1/2。图8 a - c显示标准差的比值/ eesi估计偏差。一般来说,冠军和优雅观察弯曲角度同意相应背景等价物相当不错,在假设的背景和观测同化系统中的错误。大多数地区的比率小于统一和高度的水平,表明协议的观察和背景值比估计的误差规范。热带对流层上部,相对较高的价值比a / e再次表明重力波的存在不占的背景误差模型。

创新的偏见是描绘在图9中得了相当小,但显示了显著的垂直振动模式上对流层和平流层在热带和中纬度地区,这可能与沃豪分公司性质的加工工厂背景模型。此外,整体的偏见CT2冠军和优雅的数据处理(图9 b)似乎是负略高于相应的NRT结果由地球科学和宇宙(图9 a, c)。

4同化实验

同化的设置,包括优化向前弯曲角的运营商,在同化实验测试。无线电掩星观测的影响天气预报质量评估通过一个实验吸收RO 6 FORMOSAT-3 /宇宙卫星的数据除了传统的数据。对预测成绩产生积极的影响在南半球是观察。

第一次同化试验RO观察已经完成,为了估计的最大影响RO数据和必要的优化应用于同化系统。同化实验进行的时间2007年5月由DWD 3 d-var三小时同化时间窗口。同化观测RO弯曲角度的数据6 FORMOSAT-3 /宇宙卫星和传统in-situ-data。在相应的控制实验中,传统的数据是唯一的观测源。

图10显示了显著减少实验的标准偏差的差异的分析假设分析(ECMWF) geopoten-tial 500 hPa在南半球。北半球的平均变化分析领域是中性的(没有显示)。

后续预测运行进行评估对预测结果的影响。可以量化的预测质量异常相关系数(ANOC)的大气场,测量相关的同时发生异常的预测与分析对模型气候学。图10 b显示了异常重力势场的相关系数在500 hPa在南半球的控制实验,实验

IFS 500 hpa位势分析偏差控制SH GPS RO SH

05/10 05/12 05/14 05/16 05/18 05/20 05/22 05/24 05/26 05/28 05/30 06/01 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

ANOC的位势500 hPa SH 2007051400到2007051400(18预测)

05/10 05/12 05/14 05/16 05/18 05/20 05/22 05/24 05/26 05/28 05/30 06/01 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

ANOC的位势500 hPa SH 2007051400到2007051400(18预测)

72 96

预计时间(小时)

图10同化GPS RO观测数据的实验,南半球:(a)标准偏差的分析不同的重力势在500 hPa IFS, (b) (ANOC)异常相关性系数

72 96

预计时间(小时)

图10同化GPS RO观测数据的实验,南半球:(a)标准偏差的分析不同的重力势在500 hPa IFS, (b) (ANOC)异常相关性系数

另外包括RO观测和实验数据同化常规观测和简称amsu - a(使用18预测)。罗依的同化结果的显著增加ANOC在南半球,温度场与一个类似的结果。值得注意的是,改善预测分数由于RO已经一半的改进时预期同化简称amsu - a辐射观测除了传统的数据。仍然在北半球,一个轻微的退化ANOC可见的位势和温度,这仍然是确定的原因。

验证相应的温度和湿度的测量无线电试探和飞机的数据表明显著减少实验的标准偏差与同化的RO观察在南半球(没有显示)。

5的结论

三个不同版本的一维的性能评估和三维射线追踪向前弯曲角算子中使用的三维变分资料同化系统。射线跟踪运营商需要水平梯度和射线的切线点漂移。不同版本的一维操作符应用亚伯逆变换,假设球对称大气领域,但反映了切线点漂移每到一个不同的学位。考虑到第一个猜测的标准差的差异观察掩星数据高于8公里高度的影响,三维,一维优化提出运营商相差不到2%。因此,选择一个适当的优化,数值较便宜的一维向前运营商运营数据同化系统中使用似乎是合法的。实时监测附近无线电掩星弯曲角数据集从冠军,优雅和FORMOSAT-3 /宇宙已经进行了几个月的时间。的标准差observations-first猜差异是在同化系统的误差界估计。一个实验同化弯曲角观测显示了显著改善后的预测质量相比在南半球同化常规控制实验数据,证明无线电掩星数据气象信息的有价值的来源。

确认我们感谢GeoForschungsZentrum(德国)波茨坦可靠地提供冠军和优雅无线电掩星数据的数据集,离线和近乎实时的处理。FORMOSAT-3 /宇宙项目是感激地提到免费提供无线电掩星数据。我们感谢迈克尔Gorbunov让CT2处理方法和身体都向前弯曲角运营商提供给我们。德国的教育和研究支持部相关的研究项目NRT-RO近乎实时的提供和使用无线电掩星GEOTECHNOLOGIEN研究项目中的数据。

引用

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继续阅读:GPSRO功能

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无线电掩星数据的同化沃豪分公司全球气象模型加工工厂的德国天气服务

1在DWD数据同化

2评估弯曲角的运营商

3监测

4同化实验

5的结论

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