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何建輝等-JGR:一種高效的集合卡爾曼濾波熱層電離層數據同化算法
2019-10-30 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  全球導航衛星系統、短波通信等無線電波在傳播過程中會受到地球的高層大氣(電離層/熱層)的折射、散射影響,因此對高層大氣的日常監測和預報具有重要意義。電離層是高層大氣的電離成分,受太陽輻射條件控制,這意味著它不能太長時間地記住過去,通常只有2-3小時的提前預報時間。熱層是高層大氣的中性成分,受太陽輻射變化緩慢,對過去的記憶相對要長得多,通常能夠達到天尺度的提前預報。近幾十年來,一種在數值天氣預報中被廣泛使用的技術——集合卡爾曼濾波數據同化,可以很好地應用于電離層/熱層耦合同化研究從而顯著提升電離層預報時長以及預報精度,但由于電離層/熱層預報尺度的往往是全球范圍,導致集合卡爾曼濾波需要同時運行大量集合體,因此這類研究一直依賴于超級計算機。 

  為了降低集合卡爾曼濾波算法的存儲和提高其計算效率,中科院地質與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室的博士研究生何建輝及其導師樂新安研究員等人,采用稀疏矩陣按行壓縮的方式進行集合卡爾曼濾波算法中超大矩陣的存儲,并使用迭代線性稀疏矩陣方程組高效完成該算法中矩陣相關的加減、轉置和求逆等運算過程。 

  研究結果表明: 

  1目前該算法能夠很好的在一般工作站上完成一系列耦合電離層/熱層的數據同化操作,從而極大的節省了存儲空間和提高了計算效率。 

  2)耦合電離層/熱層的數據同化能夠對熱層中性成分很好的矯正,進而顯著提升電離層短期預報能力,甚至能夠延長至24小時以上(圖1)。 

1  電離層高度處電子密度預報效果圖。不同顏色線條表示不同熱層電離層組合參量初始條件下的預報結果。灰色的線條表示單純背景理論模式執行的預報結果(不涉及同化);藍色、玫紅色、青色代表的是只包含同化電離層參量獲取的預報結果;綠色、紅色、橙色以及黑色線條代表的是同時同化電離層/熱層參量得到的預報結果。結果顯示經過電離層/熱層耦合同化后電離層參量預報精度更高,尤其對長時間的預報也有明顯改善    

  該研究首次證明了基于集合卡爾曼濾波的全球電離層和熱層數據同化可以不依賴于超級計算機進行,在一般工作臺站上就可以高效完成。它為不具備超級計算機的研究人員提供了開展基礎電離層/熱層數據同化技術研究的可能,更為擁有超級計算機的研究人員在超算條件下執行準實時的電離層/熱層現報和預報提供技術參考意義。該研究有利于加速整個電離層/熱層耦合數據同化技術的相關應用以及科學研究。     

  研究成果發表于 Journal of Geophysical Research: Space PhysicsHe J H, Yue X A*, Wang W B, Wan W X. EnKF ionosphere and thermosphere data assimilation algorithm through a sparse matrix method[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2019, 124(8): 7356-7365. DOI:10.1029/2019JA026554)(原文鏈接 

 
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