【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，属于海洋海浪气象预报。
技术介绍
1、提高海洋海浪气象预报的准确度对于海洋防灾减灾，保障海上运输、海洋工程和海洋开发等方面具有重要作用，并将为海洋动力学、海气相互作用、海洋生态过程等研究领域提供关键信息。由于自然过程的复杂变异性和模式参数化方案的区域适用性，数值模拟结果往往与实际情况存在偏差，数据同化是提高海洋海浪模拟精度最直接、最有效的方法之一。
2、环流和海洋海浪模式的同化技术主要有两种：顺序方法和变分方法。顺序方法是在特定时间窗口结合可利用的观测资料，在没有模式动力约束的条件下，将模式分析场表示为模式解和模式解与观测值的偏差权重之和相叠加，从而更新模式解，该方法主要包括：最优插值法（optimal interpolation, oi）、nudging法、连续订正法和kalman滤波法等。变分方法以模式动力方程作为约束条件，用代价函数来量化模式解和观测解之间的偏差，通过优化控制变量使得代价函数达到极小值。但变分方法计算成本较高，顺序方法对计算机资源的要求较低，因此，本方法使用最优插值同化方法。
3、浮标、雷达和卫星是海洋观测数据的三个主要来源，通过它们可以获得同化数据。理想的海洋海浪观测数据具备长期、高分辨率和空间连续性。然而，浮标(漂浮浮标除外)和雷达主要局限于近岸和岛屿地区，缺乏空间连续性。此外，由于获得原位观测的成本较高，所使用的仪器容易受到天气条件的影响，常常存在设备损坏的风险，从而无法准确及时地获得观测数据。卫星观测具有明显的
4、值得指出的是，由于采样限制(覆盖范围小)以及swh数据只能部分表征海况，在同化swh数据时，只能利用海洋海浪的总能量来分析海洋海浪谱，而缺少海洋海浪方向等信息。合成孔径雷达(synthetic aperture radar, sar)和浮标可以测量二维(波数-方向)波谱，从而有助于提高海洋海浪模型的精度。但是，sar海洋海浪谱只涉及涌浪系统，即波长约大于200 m的波，导致缺乏大量的风浪能量。只有使用额外的先验信息才能估计出完整的二维波谱。也有一些关于浮标海洋海浪谱信息同化的研究，但如上所述，大多数浮标数据缺乏空间连续性。从而导致使用上述数据进行同化对于海洋海浪气象预报准确度的提高有限。
5、然而，2018年cfosat卫星的发射为全球海洋海浪数据同化研究带来了新的潜力。cfosat携带两个在ku波段工作的雷达仪器: 风散射计scat和波谱仪swim，该卫星首次实现了全球海面波谱和风矢量场的同时观测。与sar相比，频域更宽、更细，cfosat提供70-500 m波长范围内的波谱信息，研究表明，波长截止值的增加会导致同化影响程度降低，因此这是一个真正的优势。
6、在目前运行的卫星中，cfosat是第一颗能够在全球范围内联合观测风浪的卫星。它于2018年10月29日在低空太阳同步轨道(约500公里)发射。cfosat同时携带swim和scat仪器，获取全球波谱、swh和海面风场数据以及其他重要的海洋动力学相关参数，从而实现海面风波的联合表征。该卫星首次利用真实孔径扫描雷达系统系统生成了海洋海浪方向谱。scat和swim覆盖范围分别为1000公里和180公里，可以分别在3天和13天内实现全球覆盖的风和海洋海浪测量。
7、通过研究发现，前人通过同化sar、浮标的有效波高数据，均不能得到理想的效果。为此，亟需设计一种基于cfosat的有效波高和海洋海浪谱同化方法。
技术实现思路
1、本专利技术目的是提供一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，以克服现有技术的不足。
2、一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，其特征是包括以下步骤：
3、（1）数据选取
4、选取cfosat卫星中的底波束swh数据和10°入射角的海洋海浪谱数据作为同化数据源并对其进行质量控制；
5、（2）模型设置与构建
6、选择wavewatch iii即ww3进行海洋海浪模拟；通过ww3的同化模块接口，采用oi同化方法利用背景场和观测信息，建立swh和波谱数据的同化模型；每个模型网格点的分析或最佳估计场表示为模型背景值与观测数据之间的加权叠加:
7、（1）
8、（2）
9、（3）
10、其中， x为同化资料，上角标 o表示观测场、 a为分析场(同化后的模型输出)、 b为背景场(同化前的模型输出)； i表示分析场的第 i个网格点； j表示第 j个观测数据点， n为观测点总数， h为观测算子，表示第 j个观测点对第 i个网格点的权重系数，作用是使得分析场的均方根误差达到最小化，表示第 i个网格点和第 k个观测数据点间的背景场误差协方差，表示第 k个观测数据点和第 j个观测数据点间的背景场误差协方差，表示第 k个观测点和第 j个观测点间的观测误差协方差，通常取做对角阵的形式；
11、背景误差协方差矩阵 b的估计是oi同化算法中的一个关键挑战；矩阵 b用以下指数函数表示为高斯形式:
12、（4）
13、为背景场误差方差，表示从观测数据点 k到观测数据点本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，其特征是包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，其特征是所述步骤（2）中，背景场误差方差设为0.6 m。
3.如权利要求1所述的一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，其特征是所述步骤（2）中，背景误差协方差矩阵中的相关距离尺度L，使用如下所示的相关距离尺度设定方法:
4.如权利要求3所述的一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，其特征是所述步骤（2）中，在有效波高同化方案中，设定为350km，在海浪谱同化方案中，设定为150km。
5.如权利要求1所述的一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，其特征是所述步骤（2）中，观测误差方差设为0.23 m。
6.如权利要求1所述的一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，其特征是所述步骤（3）中，在SWH同化中，考虑了两种同化策略，“风浪”策略和“涌浪”策略：
7.如权利要求6所述的一种海洋海浪气象预报的有效波高和海
...【技术特征摘要】
1.一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，其特征是包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，其特征是所述步骤（2）中，背景场误差方差设为0.6 m。
3.如权利要求1所述的一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，其特征是所述步骤（2）中，背景误差协方差矩阵中的相关距离尺度l，使用如下所示的相关距离尺度设定方法:
4.如权利要求3所述的一种海洋海浪气象预报的有效波高和海洋海浪谱同化方法，其特征是所述步骤（2）中，在有效波高同化方案中，设定为350km...
【专利技术属性】
技术研发人员：于华明，张辰宇，张燕，王春晓，徐杰，马启棣，
申请(专利权)人：青岛埃克曼科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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