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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範圍,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。 

  爲了降祱D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,並使用叠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  电离层高度处电子密度预报效果圖。不同颜色线条表示不同热层电离层组合参量初始条件下的预报结果。灰色的线条表示单纯背景理论模式执行的预报结果(不涉及同化);蓝色、玫红色、青色代表的是只包含同化电离层参量获取的预报结果;绿色、红色、橙色以及黑色线条代表的是同时同化电离层/熱層參量得到的預報結果。結果顯示經過電離層/熱層耦合同化後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,在一般工作台站上就可以高效完成。它爲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,更爲擁有超級計算機的研究人員在超算條件下執行准實時的電離層/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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