强耦合资料同化背景误差协方差矩阵构造及其在年代际预测中的应用检验

Seamless prediction is not only the frontier of numerical prediction, but also the need of prevention and reduction of natural disasters. Coupled data assimilation (CDA) is one of the key aspects of the seamless prediction. The available CDA systems home and abroad mainly use the weakly CDA (WCDA), rarely using cross sphere background error covariance (CSBEC). As a result, observations in a sphere cannot directly be assimilated into the variables of other spheres, leading to the insufficient use of them as well as the inconsistence of the initial conditions among / between different spheres. Therefore, developing strongly CDA (SCDA) is an inevitable trend of future development, where the construction of CSBEC is very important. However, there are still some problems in the CSBEC studies, such as the inhomogeneous spatiotemporal distributions, spurious relations between spheres due to quite different spatiotemporal scales in these spheres, and so on. For this reason, this project is going to study the physical error relations between spheres using the interfaces of these spheres as bridges, so as to alleviate the difficulty in construction of CSBEC caused by their quite different spatiotemporal scales. Then, the project will build a SCDA system, and evaluate the contribution of CSBEC to the increase of skill in decadal predictions. The project is expected to lay a good foundation for the future development of seamless forecasting system in China.

无缝隙预报不仅是数值预报的前沿发展方向，也是国家防灾减灾的需求。而耦合资料同化是无缝隙预报的关键环节之一。国际国内已有的耦合同化系统主要采用弱耦合同化，极少使用跨圈层的背景误差协方差，以致单圈层的观测资料不能直接用于其他圈层的同化，这不仅导致观测资料得不到充分使用，而且产生的耦合初值在圈层间存在不协调。因此，发展强耦合同化是未来发展的必然趋势，其中跨圈层背景误差协方差矩阵的构建是关键。然而，跨圈层背景误差协方差的研究仍然存在时空分布不均匀以及由于不同圈层时空尺度差异较大导致的虚假关联等问题。因此，本项目拟以圈层界面为桥梁，研究圈层间误差的物理关联，缓减不同圈层时空尺度不一致给跨圈层背景误差协方差构建带来的困难，以此为基础，建立强耦合同化系统，并通过年代际预测试验，检验和评估跨圈层背景误差协方差对提高预测技巧的作用和贡献。项目预期为我国未来无缝隙预报系统的发展打下好的基础。

耦合资料同化是无缝隙预报的关键环节之一，但目前国际国内仍然普遍采用弱耦合同化。本项目围绕强耦合同化中存在的关键科学问题，如怎样合理构建跨越多圈层（简称“跨圈层”）背景误差协方差的问题，开展了探索性研究。通过反复的数值试验，发现圈层界面间的背景误差协方差具有至关重要的作用。因此，基于这一发现，构建了物理上合理的跨越海洋和大气（即“跨海-气”）和跨越陆面和大气（即“跨陆-气”）的背景误差协方差矩阵，并采用自主发展的四维集合变分（4DEnVar）同化方法：降维投影四维变分（DRP-4DVar）同化方法和耦合气候系统模式FGOALS-g2，以及基于新建的基于在线局地化技术的弱耦合资料同化系统，自主研发了跨海-气和跨陆-气的准强耦合资料同化系统，不仅在弱耦合资料同化的基础上进一步改进了耦合同化分析质量，而且提高了全球和典型区域（如东亚、青藏高原等）的年代际气候预测的技巧，为我国正在迅速发展的天气-气候一体化预报系统和无缝隙预报提供了耦合同化方法和思路的选择，也积累了科学和技术上经验。具体成果包括：1）通过在弱耦合同化系统的大气单圈层背景误差协方差矩阵中扩展表面气压和850hPa以下的其他大气基本变量（风、温、湿）与海洋中海表温度的误差协方差，合理构建了跨海-气背景误差协方差矩阵；2）通过在弱耦合同化系统的陆面单圈层背景误差协方差矩阵中扩展陆面基本变量与大气中表面气压的误差协方差，合理构建了跨陆-气背景误差协方差矩阵；3）基于跨海-气和跨陆-气背景误差协方差矩阵，分别建立了跨海-气和跨陆-气的准强耦合资料同化系统，并分别开展了59年和36年的准强耦合循环同化试验，以及以这些准强耦合同化分析资料为初值的批量年代际气候预测试验。结果表明，基于两类跨圈层背景误差协方差矩阵的准强耦合资料同化相比弱耦合同化不仅进一步改善了同化分析质量，而且进一步提高了全球和典型区域的年代际气候预测技巧。