质量守恒海洋三维变分数据同化方法研究

The traditional three-dimensional variational (3DVar) data assimilation methods are established for the ocean model of popular Boussinesq approximation with volume conserved, and do not have the capbility of the sea water mass conservation during data assimilation. Currently, the ocean model of non-Boussinesq approximation with mass conserved is under the development. In order to make such model effectively be applied to the numerical forecasting and reanalysis of ocean 3D temperature, salinity and current, there is an urgent need to develop the corresponding data assimilation method with ocean mass conserved. Based on mass conserved ocean model and self-developed multi-grid 3DVar, this study is to develop a new data assimilation method with ocean mass, salt, heat content and gravitational potential energy conserved during data assimilation, by introducing the mass conservation, salt conservation, heat content conservation, gravitational potential energy conservation and temperature-salinity relationship conservation into the cost function as strong constraints, and regarding static stability as inequality constraints. Data assimilation experiments will be carried out to verify this new developed method. This project has a good research base and can develop a new data assimilation method which may meet the current need of development of ocean model with mass conserved and can provide better analysis field for ocean numerical forecasting and reanalysis. In a word, this study has important scientific significance and wide application prospects.

传统海洋三维变分数据同化方法是针对Boussinesq近似的体积守恒海洋模式所建立的，因此同化前后海区总质量是不守恒的。随着非Boussinesq近似的质量守恒海洋模式的发展，当将其应用到海洋三维温盐流数值预报和再分析研究中时，迫切需要发展与之匹配的质量守恒的数据同化方法。本研究拟基于质量守恒海洋模式，采用自主研发的多重网格三维变分方法，将质量守恒、盐量守恒、热含量守恒、重力位能守恒和温盐关系作为强约束条件引入目标泛函，并以静力稳定作为不等式约束条件，发展一种同化前后质量、盐量、热含量、重力位能等多个物理量守恒的海洋三维变分数据同化新方法；同时，将开展实际的海洋数据同化试验应用和效果检验。拟研制的这一新的质量守恒海洋数据同化方法切合了当前国际上质量守恒海洋模式发展新趋势。本项目研究基础良好，预期成果可以为海洋数值预报初始化和再分析提供更符合实际物理意义的分析场，具有重要科学意义和应用前景。

传统海洋三维变分数据同化方法同化前后海区总质量是不守恒的，采用这种方法进行海洋再分析或数值预报将引入人为的质量和能量的源和汇，从而影响分析和预报结果。随着非Boussinesq近似的质量守恒海洋模式的发展，当将其应用到海洋三维温盐流数值预报和再分析研究中时，迫切需要发展与之匹配的质量守恒的数据同化方法。.本研究采用自主研发的多重网格三维变分方法，将质量守恒、盐量守恒、热含量守恒、重力位能守恒作为强约束条件引入目标泛函，以模式温盐关系为基础完成温盐一致性调整，并以静力稳定作为不等式约束条件，利用基于等密度面的投影算子改进了Hess矩阵条件数，并抑制了同化过程中人为虚假的跨等密度面混合，发展了一种同化前后总质量、总盐量、总热含量、总重力位能等多个物理量守恒，温盐协调匹配并且分析剖面静力稳定的海洋三维变分数据同化新方法，同时，开展了理想试验、实际的海洋数据同化试验、预报试验和效果检验，以及业务化应用。结果表明，这一新方法保证了同化前后上述多物理量守恒，相比于传统方法，新方法的偏差和均方根误差更小，利用新方法开展预报试验时，预报精度更高，达到了预期目标。.这一新的质量守恒海洋数据同化方法切合了当前国际上质量守恒海洋模式发展新趋势，新方法得到的分析场中各物理量更为协调匹配，有利于模式稳定，可以为海洋数值预报初始化和再分析提供更符合实际物理意义的分析场。采用新方法进一步加入地转调整算法，使得在同化温盐的同时海流能够得到快速调整，据此并结合本人之前的青年基金的卫星测高资料同化成果，自主构建了海洋多变量多尺度数据同化系统，已在相关业务单位高分辨率海洋数值预报和再分析系统中得到业务化应用。