一种土壤湿度数据三维协调同化方法及系统技术方案

本申请提供了一种土壤湿度数据三维协调同化方法及系统，涉及气象技术领域，适用于卫星和/或台站中采集的土壤湿度数据，该方法包括确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，土壤湿度扰动值为土壤格点在垂直方向随机扰动和水平方向随机扰动影响下的土壤湿度值；确定多个土壤格点在第一时刻对应的增益矩阵；根据所确定的增益矩阵、各土壤格点在第一时刻的土壤湿度观测值、各土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，确定各土壤格点在第一时刻的土壤湿度分析值，以提高土壤湿度同化的效果，满足三维耦合同化的需求。足三维耦合同化的需求。足三维耦合同化的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种土壤湿度数据三维协调同化方法及系统


[0001]本申请涉及气象
，具体而言，涉及一种土壤湿度数据三维协调同化方法及系统。

技术介绍

[0002]土壤湿度资料同化是实现提升数值预报模式中土壤湿度精度和准确性的一种有效手段。目前国内外基于陆面模式的大部分土壤湿度同化研究都以一维同化为主,即在同化过程中仅考虑了土壤湿度观测信息对单点不同层土壤湿度模拟的影响。但对于自然界真实的陆面状态而言，由于地表或地下水的径流及土壤水分的侧向渗吸运动是真实存在的，因此现有的一维同化方法一方面会使观测信息的利用率过低，土壤湿度同化的效果和质量欠佳。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本申请的目的在于提供一种土壤湿度数据三维同化方法及系统，以提高土壤湿度同化的效果，满足三维耦合同化的需求。
[0004]第一方面，本申请提供了一种土壤湿度数据三维协调同化方法，适用于卫星和/或台站中采集的土壤湿度数据，方法包括针对目标观测区域内的每个土壤格点，确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度观测值，土壤湿度观测值为对土壤格点进行测量得到的土壤湿度值；针对每个土壤格点，确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，土壤湿度扰动值为土壤格点在加入垂直方向随机扰动和水平方向随机扰动后得到的土壤湿度集合样本值，水平方向随机扰动指与土壤格点处于相同土壤层的其他周围土壤格点上通过集合扰动引入的水平方向模式误差，垂直方向随机扰动指与土壤格点处于不同土壤层上通过集合扰动引入的垂直方向模式误差；确定多个土壤格点在第一时刻对应的增益矩阵，增益矩阵中的每个元素为与对应的土壤格点对应的增益算子；根据所确定的增益矩阵、各土壤格点在第一时刻的土壤湿度观测值、各土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，确定各土壤格点在第一时刻的土壤湿度分析值。
[0005]优选的，通过以下方式确定每个土壤格点在第一时刻的土壤湿度分析值：确定多个土壤格点对应的观测算子；针对每个土壤格点，计算观测算子与该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值的第一乘积，确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度观测值与第一乘积的差值，并计算该土壤格点对应的增益算子与差值的第二乘积，将该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值与第二乘积之和，确定为该土壤格点在第一时刻的土壤湿度分析值。
[0006]优选的，通过以下方式确定增益矩阵：基于耦合模式确定各土壤格点在第一时刻对应的观测误差协方差矩阵；针对每个土壤格点，根据该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度模式误差值；针对每个土壤格点，确定该土壤格点在第一时刻对应的土壤湿度水平方向随机扰动误差值和土壤湿度垂直方向随机扰动误差值；根据各土壤格点对应的土壤湿度模式误差值、土壤湿度水平方向随机扰动误差
值和土壤湿度垂直方向随机扰动误差值，构建背景场误差协方差向量；根据背景场误差协方差向量和背景场误差协方差向量的转置，确定背景场误差协方差矩阵；根据多个土壤格点对应的观测算子、所确定的背景场误差协方差矩阵、观测误差协方差矩阵，确定多个土壤格点在第一时刻对应的增益矩阵。
[0007]优选的，根据多个土壤格点对应的观测算子、所确定的背景场误差协方差矩阵、观测误差协方差矩阵，确定多个土壤格点在第一时刻对应的增益矩阵的步骤，具体包括：确定多个土壤格点对应的观测误差协方差矩阵；计算观测算子、背景场误差协方差矩阵与观测算子的转置之间的第三乘积；计算垂直局地化函数矩阵与水平局地化函数矩阵之间的第四乘积；计算第四乘积、背景场误差协方差矩阵与观测算子的转置之间的第五乘积；计算第三乘积与第四乘积之间的第六乘积，并计算第六乘积和观测误差协方差矩阵之和；计算第六乘积与第六乘积和观测误差协方差矩阵之和的逆矩阵之间的乘积，作为增益矩阵。
[0008]优选的，垂直方向随机扰动包括大气强迫场扰动、模式关键参数扰动和土壤水分通量扰动，通过以下方式向每个土壤格点的土壤湿度值加入垂直方向随机扰动：基于大气强迫场对土壤湿度值的扰动，确定出大气强迫场约束函数，通过大气强迫场约束函数，计算出该土壤格点在对应的大气强迫场下，该土壤格点对应的第一土壤湿度误差值，将该土壤格点的预报土壤湿度值与该土壤格点对应的第一土壤湿度误差值的和，作为该土壤格点对应的第一中间土壤湿度值；基于模式关键参数对土壤湿度值的扰动，确定出模式关键参数约束函数，通过模式关键参数约束函数，计算出该土壤格点在对应的模式关键参数下，该土壤格点对应的第二土壤湿度误差值，将该土壤格点对应的第一中间土壤湿度值与该土壤格点对应的第二土壤湿度误差值的和，作为该土壤格点对应的第二中间土壤湿度值；基于与不同层的土壤之间的土壤水分通量对土壤湿度值的扰动，确定出土壤水分守恒约束函数，通过土壤水分守恒约束函数，计算出该土壤格点在对应的水分通量下，该土壤格点对应的第三土壤湿度误差值，将该土壤格点对应的第二中间土壤湿度值与该土壤格点对应的第三土壤湿度误差值的和，作为该土壤格点对应的第三中间土壤湿度值。
[0009]优选的，通过以下方式向每个土壤格点的土壤湿度值加入水平方向随机扰动：根据所有土壤格点对应的第三中间土壤湿度值，生成随机扰动集合，并对随机扰动集合进行傅里叶变换；在傅里叶变换后的扰动集合上，向扰动集合中的每个土壤格点中加入对应的第四土壤湿度误差值，以获取每个土壤格点对应的扰动土壤湿度值；其中，第四土壤湿度误差值为根据随机扰动确定的模式误差值。
[0010]优选的，背景场误差协方差向量包括土壤湿度模式误差集合，土壤湿度模式误差集合由大气强迫场扰动集合、模式关键参数扰动集合、土壤水分通量扰动集合组成，其中土壤湿度集合包括每个土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值与土壤湿度扰动均值之间的差值，土壤湿度扰动均值为每个土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值的均值，大气强迫场扰动集合包括每个土壤格点在第一时刻的大气强迫场与大气强迫场均值之间的差值，以及每个土壤格点在第一时刻对应的大气强迫场约束函数值与大气强迫场约束函数均值之间的差值；模式关键参数扰动集合包括每个土壤格点在第一时刻的模式关键参数值与模式关键参数均值之间的差值，以及每个土壤格点在第一时刻对应的模式关键参数约束函数值与模式关键参数约束函数均值之间的差值；土壤水分通量扰动集合包括每个土壤格点在第一时刻的土壤水分通量值与土壤水分通量均值之间的差值，以及每个土壤格点在第一时刻
对应的土壤水分守恒约束函数值与土壤水分守恒约束函数均值之间的差值。
[0011]优选的，通过以下方式构建垂直局地化函数矩阵：根据目标月份上土壤格点的土壤湿度协方差，确定出土壤格点对应的土壤覆盖类型中目标土壤层相对于其他土壤层的土壤湿度误差协方差系数，目标土壤层为所有土壤层中的任一个土壤层；根据每个土壤层对应的土壤湿度误差协方差系数随该土壤层的垂直距离的变化，统计出概率密度函数；基于确定出的概率密度函数，构建垂直局地化函数矩阵。
[0012]优选的，通过以下方式构建水平局地化函数矩阵：确定初始水平局地化函数矩阵；在初始水平局地化函数矩阵的基础上，基于观测土壤格点与目标土壤格点之间的经向距离和纬向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土壤湿度数据三维协调同化方法，适用于卫星和/或台站中采集的土壤湿度数据，其特征在于，所述方法包括：针对目标观测区域内的每个土壤格点，确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度观测值，所述土壤湿度观测值为对土壤格点进行测量得到的土壤湿度值；针对每个土壤格点，确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，所述土壤湿度扰动值为土壤格点在加入垂直方向随机扰动和水平方向随机扰动后得到的土壤湿度集合样本值，所述水平方向随机扰动指与土壤格点处于相同土壤层的其他周围土壤格点上通过集合扰动引入的水平方向模式误差，所述垂直方向随机扰动指与土壤格点处于不同土壤层上通过集合扰动引入的垂直方向模式误差；确定多个土壤格点在第一时刻对应的增益矩阵，增益矩阵中的每个元素为与对应的土壤格点对应的增益算子；根据所确定的增益矩阵、各土壤格点在第一时刻的土壤湿度观测值、各土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，确定各土壤格点在第一时刻的土壤湿度分析值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下方式确定每个土壤格点在第一时刻的土壤湿度分析值：确定多个土壤格点对应的观测算子；针对每个土壤格点，计算观测算子与该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值的第一乘积，确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度观测值与第一乘积的差值，并计算该土壤格点对应的增益算子与所述差值的第二乘积，将该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值与第二乘积之和，确定为该土壤格点在第一时刻的土壤湿度分析值。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下方式确定增益矩阵：基于耦合模式确定各土壤格点在第一时刻对应的观测误差协方差矩阵；针对每个土壤格点，根据该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度模式误差值；针对每个土壤格点，确定该土壤格点在第一时刻对应的土壤湿度水平方向随机扰动误差值和土壤湿度垂直方向随机扰动误差值；根据各土壤格点对应的土壤湿度模式误差值、土壤湿度水平方向随机扰动误差值和土壤湿度垂直方向随机扰动误差值，构建背景场误差协方差向量；根据所述背景场误差协方差向量和所述背景场误差协方差向量的转置，确定背景场误差协方差矩阵；根据多个土壤格点对应的观测算子、所确定的背景场误差协方差矩阵、观测误差协方差矩阵，确定多个土壤格点在第一时刻对应的增益矩阵。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据多个土壤格点对应的观测算子、所确定的背景场误差协方差矩阵、观测误差协方差矩阵，确定多个土壤格点在第一时刻对应的增益矩阵的步骤，具体包括：确定多个土壤格点对应的观测误差协方差矩阵；计算所述观测算子、所述背景场误差协方差矩阵与所述观测算子的转置之间的第三乘积；计算垂直局地化函数矩阵与水平局地化函数矩阵之间的第四乘积；
计算所述第四乘积、所述背景场误差协方差矩阵与所述观测算子的转置之间的第五乘积；计算所述第三乘积与所述第四乘积之间的第六乘积，并计算所述第六乘积和所述观测误差协方差矩阵之和；计算所述第六乘积与所述第六乘积和所述观测误差协方差矩阵之和的逆矩阵之间的乘积，作为所述增益矩阵。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述垂直方向随机扰动包括大气强迫场扰动、模式关键参数扰动和土壤水分通量扰动，通过以下方式向每个土壤格点的土壤湿度值加入垂直方向随机扰动：基于大气强迫场对土壤湿度值的扰动，确定出大气强迫场约束函数，通过所述大气强迫场约束函数，计算出该土壤格点在对应的大气强迫场下，该土壤格点对应的第一土壤湿度误差值，将该土壤格点的预报土壤湿度值与该土壤格点对应的第一土壤湿度误差值的和，作为该土壤格点对应的第一中间土壤湿度值；基于模式关键参数对土壤湿度值的扰动，确定出模式关键参数约束函数，通过所述模式关键参数约束函数，计算出该土壤格点在对应的模式关键参数下，该土壤格点对应的第二土壤湿度误差值，将该土壤格点对应的第一中间土壤湿度值与该土壤格点对应的第二土壤湿度误差值的和，作为该土壤格点对应的第二中...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂肃平，曹伟华，贾小龙，罗勇，
申请(专利权)人：中国气象局地球系统数值预报中心，
类型：发明
国别省市：