本發(fā)明涉及三維變分同化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法、系統(tǒng)和存儲介質(zhì)。

背景技術(shù)：

氣溶膠是指懸浮于大氣層中的固體或液體微粒和氣體載體共同組成的多相混合態(tài)顆粒物(particulatematter,pm)，主要成分包括黑碳、有機碳、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、海洋、地殼元素等多個物種。隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大氣環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，氣溶膠污染已成為國內(nèi)和國際的社會和科研熱點。近年來，國家投入大量人力物力治理改善大氣環(huán)境，雖然治理有所改善，但以pm2.5或pm10為首要污染物的重要污染事件仍在冬季頻發(fā)，受重污染影響的國土面積廣泛，峰值濃度也遠(yuǎn)高于國際歷史水平。大氣氣溶膠濃度和分布的觀測和預(yù)報，對了解和研究氣溶膠對區(qū)域空氣質(zhì)量、人類健康、大氣能見度，和氣候響應(yīng)等，均具有不可忽視的重要性。

近年來有大量的研究通過三維大氣化學(xué)數(shù)值模型對氣溶膠成分、傳輸，和分布等，進(jìn)行了模擬與預(yù)報。然而，這些數(shù)值模型大多基于歐美等較清潔地區(qū)進(jìn)行研究，在中國重污染地區(qū)的應(yīng)用具有很大不確定性。通過數(shù)據(jù)同化，在綜合考慮數(shù)值模型和觀測數(shù)據(jù)的誤差的前提下，最大程度利用觀測數(shù)據(jù)對數(shù)值模型中的分析控制變量進(jìn)行優(yōu)化，從而改善數(shù)值模型對氣溶膠的模擬和預(yù)報精度。

用于數(shù)據(jù)同化的氣溶膠觀測數(shù)據(jù)主要包括地面pm2.5觀測濃度、地面pm10觀測濃度、地基雷達(dá)氣溶膠消光系數(shù)、衛(wèi)星aod反演數(shù)據(jù)。地面pm2.5、pm10濃度的觀測基本依托于空氣質(zhì)量觀測網(wǎng)，其站點布置具有行政特性，空間分布稀疏，且缺乏垂直空間信息。地基雷達(dá)為非常規(guī)觀測平臺，空間分布更稀疏，且數(shù)據(jù)質(zhì)量受氣象因素影響較大。衛(wèi)星aod反演數(shù)據(jù)具有觀測范圍廣、觀測歷史長久、系統(tǒng)性數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、包含大氣垂直空間信息等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于氣溶膠數(shù)據(jù)同化研究。

在數(shù)據(jù)同化方法的應(yīng)用上，主要有最優(yōu)插值法(oi)、集合卡爾曼濾波(enkf)、三維變分同化(3dvar)，和四維變分同化(4dvar)。oi不考慮動力約束，只是將觀測數(shù)據(jù)與數(shù)值模型初始場進(jìn)行簡單的結(jié)合。當(dāng)有較多觀測點聚攏時，oi的求解會演變成一個不適定問題。而且，oi不能處理復(fù)雜的非線性觀測算子。enkf的基本原理為貝葉斯原理，來源于卡爾曼濾波理論和蒙特卡洛估計估計方法的合并。為了評估數(shù)值模型的誤差信息，enkf一般需要同時進(jìn)行至少50個平行算例。其計算成本和存儲代價巨大，難以實現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用。而且，enkf不能處理非線性觀測算子，難以應(yīng)用于遙感輻射類型的觀測數(shù)據(jù)(如aod觀測數(shù)據(jù))。

變分同化(包括3dvar和4dvar)通過對定義的代價泛函進(jìn)行最小化，以求得最優(yōu)分析場。在代價泛函最小化的過程中，可添加地轉(zhuǎn)平衡和流體靜力平衡等動態(tài)約束。其次，變分同化能同時同化不同類型的觀測數(shù)據(jù)，求得的分析場為全局最優(yōu)。4dvar是3dvar在時間維度上的擴(kuò)展，前者在時間維度上的觀測算子，包含了動力模型以反映觀測數(shù)據(jù)在時間維度的狀態(tài)。但4dvar是建立在“完美”數(shù)值模型的假定之上，而現(xiàn)有的數(shù)值模型均無法充分反映真實的大氣狀態(tài)。而且，對整個動力模型構(gòu)建和運行精確的切線性模塊和伴隨模塊的成本巨大，難以進(jìn)行拓展和維護(hù)。所以，三維變分同化方法被廣泛應(yīng)用于aod同化。

目前，aod的三維變分同化主要有兩種方法。第一種方法，利用輻射傳輸模型crtm構(gòu)建aod的觀測算子、切線性算子和伴隨算子。此方法通過查表形式，獲取特定氣溶膠組分在特定光學(xué)波段的光學(xué)特性。由于不同的氣溶膠數(shù)值模型對氣溶膠組分的劃分和定義均不一致，所以此方法難以拓展應(yīng)用于其他氣溶膠數(shù)值模型。第二種方法，利用fast-j光學(xué)模塊作為aod的觀測算子，并通過tapenade軟件構(gòu)建相應(yīng)的切線性算子和伴隨算子。但工作量和難度巨大，不利于拓展應(yīng)用于其他氣溶膠數(shù)值模型，而且，也難以應(yīng)用于其他方面的數(shù)據(jù)同化研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題之一，本發(fā)明的目的是提供一種簡潔且適應(yīng)性和拓展應(yīng)用性強的氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法、系統(tǒng)和存儲介質(zhì)。

本發(fā)明所采用的第一技術(shù)方案是：

一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，包括以下步驟：

設(shè)置空氣質(zhì)量數(shù)值模型的模擬區(qū)域和氣溶膠方案后，運行空氣質(zhì)量數(shù)值模型，以生成氣溶膠初估場；

根據(jù)氣溶膠初估場對各氣溶膠組分獲取動態(tài)的背景誤差協(xié)方差矩陣，以及從氣溶膠初估場中讀取各氣溶膠組分的aod背景場；

根據(jù)模擬區(qū)域獲取aod觀測數(shù)據(jù)，并提取數(shù)據(jù)同化所需的aod觀測信息；

將fast-j光學(xué)計算模塊作為氣溶膠光學(xué)厚度的觀測算子，并獲取各氣溶膠組分的光學(xué)特性；

結(jié)合光學(xué)特性和預(yù)設(shè)的輻射傳輸模型獲取同化模塊；

結(jié)合背景誤差協(xié)方差矩陣、aod觀測數(shù)據(jù)、aod背景場和同化模塊對各氣溶膠組分的三維濃度場進(jìn)行分析優(yōu)化；

根據(jù)優(yōu)化后的三維濃度場作為氣溶膠的初始場對空氣質(zhì)量數(shù)值模型進(jìn)行熱啟動后，對氣溶膠進(jìn)行模擬預(yù)報。

進(jìn)一步，所述設(shè)置空氣質(zhì)量數(shù)值模型的模擬區(qū)域和氣溶膠方案后，運行空氣質(zhì)量數(shù)值模型，以生成氣溶膠初估場這一步驟，具體包括以下步驟：

搭建空氣質(zhì)量數(shù)值模型后，設(shè)置空氣質(zhì)量數(shù)值模型的模擬區(qū)域；

獲取模擬區(qū)域獲取模型的輸入文件，以及選定氣溶膠方案；

結(jié)合輸入文件和氣溶膠方案運行空氣質(zhì)量數(shù)值模型，生成氣溶膠初估場。

進(jìn)一步，所述輸入文件包括源排放和氣象初始邊界場。

進(jìn)一步，所述根據(jù)模擬區(qū)域獲取aod觀測數(shù)據(jù)，并提取數(shù)據(jù)同化所需的aod觀測信息這一步驟，具體包括以下步驟：

根據(jù)模擬區(qū)域獲取aod觀測數(shù)據(jù)后，從aod觀測數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)同化所需的aod觀測信息，并將aod觀測信息生成ascii格式的數(shù)據(jù)文件；

調(diào)用觀測數(shù)據(jù)讀取模塊，從ascii格式的數(shù)據(jù)文件中讀取aod觀測信息。

進(jìn)一步，所述氣溶膠組分包括硫酸鹽組分、硝酸鹽組分、銨鹽組分、鈉鹽組分、氯化物組分、有機氣溶膠、黑碳?xì)馊苣z、海鹽組分及沙塵組分中至少一種。

進(jìn)一步，所述aod觀測信息包括各觀測點的經(jīng)緯度、觀測時刻、aod反演數(shù)值和數(shù)據(jù)反演質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)一步，所述空氣質(zhì)量數(shù)值模型采用wrf/chem數(shù)值模型。

本發(fā)明所采用的第二技術(shù)方案是：

一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化系統(tǒng)，包括：

模型運行模塊，用于設(shè)置空氣質(zhì)量數(shù)值模型的模擬區(qū)域和氣溶膠方案后，運行空氣質(zhì)量數(shù)值模型，以生成氣溶膠初估場；

矩陣計算模塊，用于根據(jù)氣溶膠初估場對各氣溶膠組分獲取動態(tài)的背景誤差協(xié)方差矩陣，以及從氣溶膠初估場中讀取各氣溶膠組分的aod背景場；

數(shù)據(jù)獲取模塊，用于根據(jù)模擬區(qū)域獲取aod觀測數(shù)據(jù)，并提取數(shù)據(jù)同化所需的aod觀測信息；

特性獲取模塊，用于將fast-j光學(xué)計算模塊作為氣溶膠光學(xué)厚度的觀測算子，并獲取各氣溶膠組分的光學(xué)特性；

模塊構(gòu)建模塊，用于結(jié)合光學(xué)特性和預(yù)設(shè)的輻射傳輸模型獲取同化模塊；

分析優(yōu)化模塊，用于結(jié)合背景誤差協(xié)方差矩陣、aod觀測數(shù)據(jù)、aod背景場和同化模塊對各氣溶膠組分的三維濃度場進(jìn)行分析優(yōu)化；

熱啟動模塊，用于根據(jù)優(yōu)化后的三維濃度場作為氣溶膠的初始場對空氣質(zhì)量數(shù)值模型進(jìn)行熱啟動后，對氣溶膠進(jìn)行模擬預(yù)報。

本發(fā)明所采用的第三技術(shù)方案是：

一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化系統(tǒng)，包括：

至少一個處理器；

至少一個存儲器，用于存儲至少一個程序；

當(dāng)所述至少一個程序被所述至少一個處理器執(zhí)行，使得所述至少一個處理器實現(xiàn)所述方法。

本發(fā)明所采用的第四技術(shù)方案是：

一種存儲介質(zhì)，其中存儲有處理器可執(zhí)行的指令，所述處理器可執(zhí)行的指令在由處理器執(zhí)行時用于執(zhí)行如上所述方法。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明在綜合考慮數(shù)值模型誤差和觀測數(shù)據(jù)誤差的前提下，利用aod反演數(shù)據(jù)，通過三維變分同化方法，對數(shù)值模型的氣溶膠組分初始場進(jìn)行訂正，以降低初始場的不確定性，從而提高后續(xù)的氣溶膠模擬預(yù)報精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法的步驟流程圖；

圖2是具體實施例中氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法的示意圖；

圖3是本發(fā)明一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

如圖所示，本實施例提供了一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，包括以下步驟：

s1、設(shè)置空氣質(zhì)量數(shù)值模型的模擬區(qū)域和氣溶膠方案后，運行空氣質(zhì)量數(shù)值模型，以生成氣溶膠初估場；

s2、根據(jù)氣溶膠初估場對各氣溶膠組分獲取動態(tài)的背景誤差協(xié)方差矩陣，以及從氣溶膠初估場中讀取各氣溶膠組分的aod背景場；

s3、根據(jù)模擬區(qū)域獲取aod觀測數(shù)據(jù)，并提取數(shù)據(jù)同化所需的aod觀測信息；

s4、將fast-j光學(xué)計算模塊作為氣溶膠光學(xué)厚度的觀測算子，并獲取各氣溶膠組分的光學(xué)特性；

s5、結(jié)合光學(xué)特性和預(yù)設(shè)的輻射傳輸模型獲取同化模塊；

s6、結(jié)合背景誤差協(xié)方差矩陣、aod觀測數(shù)據(jù)、aod背景場和同化模塊對各氣溶膠組分的三維濃度場進(jìn)行分析優(yōu)化；

s7、根據(jù)優(yōu)化后的三維濃度場作為氣溶膠的初始場對空氣質(zhì)量數(shù)值模型進(jìn)行熱啟動后，對氣溶膠進(jìn)行模擬預(yù)報。

現(xiàn)有技術(shù)中，主要包括以下缺陷和不足：1、地基觀測數(shù)據(jù)的空間分布嚴(yán)重不足，難以滿足氣溶膠精細(xì)化預(yù)報的要求；2、oi同化方法過于簡單，不能處理復(fù)雜非線性觀測算子，且存在不適定情況，不適用于aod的數(shù)據(jù)同化；3、集合同化方法計算量和存儲量要求巨大，且不能處理非線性觀測算子，難以實現(xiàn)氣溶膠數(shù)據(jù)同化的業(yè)務(wù)化；4、四維變分同化需要對整個氣溶膠動力模型構(gòu)建和運行精確的切線性模塊和伴隨模塊，成本和難度巨大，難以進(jìn)行拓展應(yīng)用和維護(hù)；5、現(xiàn)有的aod三維變分同化方法，技術(shù)小眾，適用性窄，不具有廣泛推廣和拓展應(yīng)用的能力。

基于上述的不足與缺陷，本實施例在綜合考慮數(shù)值模型誤差和觀測數(shù)據(jù)誤差的前提下，利用衛(wèi)星aod反演數(shù)據(jù)，通過三維變分同化方法，對數(shù)值模型的氣溶膠組分初始場進(jìn)行訂正，以降低初始場的不確定性，從而提高后續(xù)的氣溶膠模擬預(yù)報精度。另外，本實施例創(chuàng)建的aod數(shù)據(jù)同化方法，能高效拓展應(yīng)用于不同的氣溶膠化學(xué)機制，提高aod同化的拓展適用性。其中，所述空氣質(zhì)量數(shù)值模型可采用現(xiàn)有的空氣質(zhì)量數(shù)值模型來實現(xiàn)，在本實施例中并不做限定。

aod的觀測算子采用fast-j光學(xué)計算模塊，具體地，該fast-j光學(xué)計算模塊可以采用wrf/chem數(shù)值模型中的fast-j光學(xué)計算模塊。fast-j光學(xué)模塊具有計算高效穩(wěn)定、準(zhǔn)確性高的特點。其通過mie理論計算氣溶膠的光學(xué)特性，計算過程屬于高度復(fù)雜非線性。若通過常規(guī)方法對高度非線性觀測算子構(gòu)建相應(yīng)的切線性和伴隨算子，難度和工作量巨大。而且，切線性算子和伴隨算子具有嚴(yán)格的特定性，難以進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)同化研究與拓展應(yīng)用。

通過調(diào)用輻射傳輸模型(crtm)內(nèi)部的aod切線性算子和伴隨算子，與fast-j光學(xué)模塊相耦合，構(gòu)建fastj/crtm-aod同化模塊，大大提高了aod三維變分同化在不同氣溶膠方案中應(yīng)用的開發(fā)效率。該模塊具有很強的適用性和拓展應(yīng)用性，而且增大了氣溶膠多模型aod集合預(yù)報同化的可行性。同時，對于發(fā)展日漸強勁的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，該模塊具有很強的應(yīng)用契合性。

其中，步驟s1具體包括步驟s11～s13：

s11、搭建空氣質(zhì)量數(shù)值模型后，設(shè)置空氣質(zhì)量數(shù)值模型的模擬區(qū)域。

s12、獲取模擬區(qū)域獲取模型的輸入文件，以及選定氣溶膠方案；所述輸入文件包括源排放和氣象初始邊界場。

s13、結(jié)合輸入文件和氣溶膠方案運行空氣質(zhì)量數(shù)值模型，生成氣溶膠初估場。

其中，步驟s3具體包括步驟s31～s32：

s31、根據(jù)模擬區(qū)域獲取aod觀測數(shù)據(jù)后，從aod觀測數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)同化所需的aod觀測信息，并將aod觀測信息生成ascii格式的數(shù)據(jù)文件；所述aod觀測信息包括各觀測點的經(jīng)緯度、觀測時刻、aod反演數(shù)值和數(shù)據(jù)反演質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

所述aod觀測數(shù)據(jù)可以為衛(wèi)星的aod觀測數(shù)據(jù)，也可以是地基(地面)的aod觀測數(shù)據(jù)，均可通過下載獲得；基于aod觀測信息，在本實施例中，主要獲取各觀測點的經(jīng)緯度、觀測時刻、aod反演數(shù)值和數(shù)據(jù)反演質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)即可。

s32、調(diào)用觀測數(shù)據(jù)讀取模塊，從ascii格式的數(shù)據(jù)文件中讀取aod觀測信息。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式，所述氣溶膠組分包括硫酸鹽組分、硝酸鹽組分、銨鹽組分、鈉鹽組分、氯化物組分、有機氣溶膠、黑碳?xì)馊苣z、海鹽組分及沙塵組分中至少一種。所述輸入文件包括源排放和氣象初始邊界場。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式，所述空氣質(zhì)量數(shù)值模型采用wrf/chem數(shù)值模型。

具體實施例

結(jié)合圖2，對上述方法進(jìn)行詳細(xì)的解釋說明。實施例中的各步驟的執(zhí)行順序均可根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

如圖2所示，本實施例的氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，主要包括數(shù)據(jù)圖同化預(yù)處理步驟和aod三維變分同化步驟。

其中，數(shù)據(jù)圖同化預(yù)處理步驟具體包括以下步驟：

步驟s101：搭建wrf/chem數(shù)值模型運行的操作環(huán)境，包括安裝linux操作系統(tǒng)、編譯器、并行軟件和netcdf函數(shù)庫；

步驟s102：安裝wrf/chem模型；

步驟s103：根據(jù)具體的研究地區(qū)設(shè)置相應(yīng)的模擬區(qū)域；

步驟s104：根據(jù)s103設(shè)置的模擬區(qū)域，準(zhǔn)備相應(yīng)的數(shù)值模型輸入文件，包括源排放和氣象初始邊界場等，并選定氣溶膠方案；

步驟s105：運行wrf/chem模型，生成氣溶膠初估場；

步驟s106：使用步驟s105生成的初估場，通過美國國家氣象中心法(nmc)，對各氣溶膠組分構(gòu)建動態(tài)的背景誤差協(xié)方差矩陣；

步驟s107：根據(jù)步驟s104設(shè)置的模擬區(qū)域，準(zhǔn)備相應(yīng)的aod觀測數(shù)據(jù)，提取所需的aod觀測信息，并寫成ascii格式的數(shù)據(jù)文件；

所述aod三維變分同化步驟具體包括以下步驟：

步驟s201：根據(jù)步驟s107準(zhǔn)備的aod觀測數(shù)據(jù)類型，調(diào)用相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)讀取模塊；

步驟s202：根據(jù)步驟s104所選的氣溶膠方案，調(diào)用相應(yīng)的背景場讀取模塊，讀取各氣溶膠組分的三維濃度場；

步驟s203：將步驟s106生成的背景誤差協(xié)方差矩陣、步驟s201讀取的觀測數(shù)據(jù)、步驟s202讀取的各氣溶膠組分的背景場作為輸入，調(diào)用fastj/crtm-aod三維變分同化模塊，對各氣溶膠組分的三維濃度場進(jìn)行分析優(yōu)化；

步驟s204：根據(jù)步驟s104所選的氣溶膠方案，調(diào)用相應(yīng)的氣溶膠分析場寫出模塊，將步驟s203生成的各氣溶膠組分的優(yōu)化分析場進(jìn)行更新；

步驟s205：將步驟s204更新后的各氣溶膠組分三維濃度場作為氣溶膠的初始場，對wrf/chem模型進(jìn)行熱啟動，對氣溶膠進(jìn)行模擬預(yù)報；

步驟s206：重回步驟s105進(jìn)行循環(huán)模擬，或結(jié)束運行。

三維變分同化算法對數(shù)值模型中的狀態(tài)變量(x)的誤差進(jìn)行極小化，從而求得x的最優(yōu)解。換而言之，三維變分的同化過程可視為x的分析場與背景場、觀測場之間距離的二次泛函極小化過程。一般地，該目標(biāo)泛函定義為一個以分析場與背景場，及分析場與觀測場的距離平方成正比的代價函數(shù)：

其中，xb為x的背景場，即數(shù)值模型的初估場；y為觀測場；b為背景誤差協(xié)方差，o為觀測誤差協(xié)方差。h(x)為觀測算子，將觀測信息與背景場的控制變量進(jìn)行鏈接，對于常規(guī)觀測，h(x)可為簡單的水平和垂直插值，將規(guī)則的網(wǎng)格模擬數(shù)據(jù)插值至觀測站點的位置；然而，對于aod反演數(shù)據(jù)，h(x)則是復(fù)雜的高度非線性算子。

在本實施例中，為了提高計算效率和穩(wěn)定性，可采用增量方法。引入增量作為求解對象，定義為δx＝x-xb，并假設(shè)非線性觀測算子h在xb可線性化為h(切線性算子)，目標(biāo)泛函可轉(zhuǎn)化為以下公式：

使分析場的求解取決于增量場δx(δx＝x-xb)，和更新場d(d＝y(tǒng)-h(xb)，觀測場與背景場之間的差值)。對分析場的求解即轉(zhuǎn)變成j(δx)對δx梯度(一次偏導(dǎo))最小化的過程。結(jié)果為x＝xb+k[y-h(xb)]，其中，k＝bht(hbht+o)-1。h和ht分別為觀測算子h對應(yīng)的切線性算子和伴隨算子。所以，在三維變分同化中，構(gòu)建切線性算子和伴隨算子是進(jìn)行最優(yōu)求解的前提。線性觀測算子對應(yīng)的切線性算子和伴隨算子，其構(gòu)建難度較低，但對于復(fù)雜的高度非線性算子，難度和工作量巨大。

綜上所述，本實施例的方法至少具有如下有益效果：

(1)、本實施例根據(jù)具體的模擬時間構(gòu)建動態(tài)的背景誤差協(xié)方差矩陣，考慮了實際的模擬區(qū)域與時間的數(shù)值模型誤差信息特征，從而提高了預(yù)測的準(zhǔn)確度。

(2)、本實施例使用aod觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行同化，可使用不同的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，衛(wèi)星aod反演數(shù)據(jù)具有系統(tǒng)性的質(zhì)量控制，質(zhì)量可靠，空間分辨率高，能較好滿足空氣質(zhì)量數(shù)值模型高精度同化預(yù)報的需求。

(3)、本實施例構(gòu)建的fastj/crtm-aod三維變分同化模塊，使用wrf/chem模型中的fast-j光學(xué)計算模塊作為aod的觀測算子，使同化模塊計算的背景場與wrf/chem的初估場保持一致性。

(4)、本實施例構(gòu)建的fastj/crtm-aod三維變分同化模塊，簡潔直接，具有很強的適用性和拓展應(yīng)用性，增強了空氣質(zhì)量數(shù)值模型aod同化的應(yīng)用前景，增大了氣溶膠多模型aod集合預(yù)報同化的可行性。

(5)、本實施例對于發(fā)展日漸強勁的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，在衛(wèi)星aod觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用上具有很強的契合性。

如圖3所示，本實施例還提供了一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化系統(tǒng)，包括：

模型運行模塊，用于設(shè)置空氣質(zhì)量數(shù)值模型的模擬區(qū)域和氣溶膠方案后，運行空氣質(zhì)量數(shù)值模型，以生成氣溶膠初估場；

矩陣計算模塊，用于根據(jù)氣溶膠初估場對各氣溶膠組分獲取動態(tài)的背景誤差協(xié)方差矩陣，以及從氣溶膠初估場中讀取各氣溶膠組分的aod背景場；

數(shù)據(jù)獲取模塊，用于根據(jù)模擬區(qū)域獲取aod觀測數(shù)據(jù)，并提取數(shù)據(jù)同化所需的aod觀測信息；

特性獲取模塊，用于將fast-j光學(xué)計算模塊作為氣溶膠光學(xué)厚度的觀測算子，并獲取各氣溶膠組分的光學(xué)特性；

模塊構(gòu)建模塊，用于結(jié)合光學(xué)特性和預(yù)設(shè)的輻射傳輸模型獲取同化模塊；

分析優(yōu)化模塊，用于結(jié)合背景誤差協(xié)方差矩陣、aod觀測數(shù)據(jù)、aod背景場和同化模塊對各氣溶膠組分的三維濃度場進(jìn)行分析優(yōu)化；

熱啟動模塊，用于根據(jù)優(yōu)化后的三維濃度場作為氣溶膠的初始場對空氣質(zhì)量數(shù)值模型進(jìn)行熱啟動后，對氣溶膠進(jìn)行模擬預(yù)報。

本實施例的一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化系統(tǒng)，可執(zhí)行本發(fā)明方法實施例所提供的一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，可執(zhí)行方法實施例的任意組合實施步驟，具備該方法相應(yīng)的功能和有益效果。

本實施例還提供了一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化系統(tǒng)，包括：

至少一個處理器；

至少一個存儲器，用于存儲至少一個程序；

當(dāng)所述至少一個程序被所述至少一個處理器執(zhí)行，使得所述至少一個處理器實現(xiàn)所述方法。

本實施例的一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化系統(tǒng)，可執(zhí)行本發(fā)明方法實施例所提供的一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，可執(zhí)行方法實施例的任意組合實施步驟，具備該方法相應(yīng)的功能和有益效果。

本實施例還提供了一種存儲介質(zhì)，其中存儲有處理器可執(zhí)行的指令，所述處理器可執(zhí)行的指令在由處理器執(zhí)行時用于執(zhí)行如上所述方法。

本實施例的一種存儲介質(zhì)，可執(zhí)行本發(fā)明方法實施例所提供的一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，可執(zhí)行方法實施例的任意組合實施步驟，具備該方法相應(yīng)的功能和有益效果。

以上是對本發(fā)明的較佳實施進(jìn)行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

1.一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，其特征在于，包括以下步驟：

設(shè)置空氣質(zhì)量數(shù)值模型的模擬區(qū)域和氣溶膠方案后，運行空氣質(zhì)量數(shù)值模型，以生成氣溶膠初估場；

根據(jù)氣溶膠初估場對各氣溶膠組分獲取動態(tài)的背景誤差協(xié)方差矩陣，以及從氣溶膠初估場中讀取各氣溶膠組分的aod背景場；

根據(jù)模擬區(qū)域獲取aod觀測數(shù)據(jù)，并提取數(shù)據(jù)同化所需的aod觀測信息；

將fast-j光學(xué)計算模塊作為氣溶膠光學(xué)厚度的觀測算子，并獲取各氣溶膠組分的光學(xué)特性；

結(jié)合光學(xué)特性和預(yù)設(shè)的輻射傳輸模型獲取同化模塊；

結(jié)合背景誤差協(xié)方差矩陣、aod觀測數(shù)據(jù)、aod背景場和同化模塊對各氣溶膠組分的三維濃度場進(jìn)行分析優(yōu)化；

根據(jù)優(yōu)化后的三維濃度場作為氣溶膠的初始場對空氣質(zhì)量數(shù)值模型進(jìn)行熱啟動后，對氣溶膠進(jìn)行模擬預(yù)報。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，其特征在于，所述設(shè)置空氣質(zhì)量數(shù)值模型的模擬區(qū)域和氣溶膠方案后，運行空氣質(zhì)量數(shù)值模型，以生成氣溶膠初估場這一步驟，具體包括以下步驟：

搭建空氣質(zhì)量數(shù)值模型后，設(shè)置空氣質(zhì)量數(shù)值模型的模擬區(qū)域；

獲取模擬區(qū)域獲取模型的輸入文件，以及選定氣溶膠方案；

結(jié)合輸入文件和氣溶膠方案運行空氣質(zhì)量數(shù)值模型，生成氣溶膠初估場。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，其特征在于，所述輸入文件包括源排放和氣象初始邊界場。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，其特征在于，所述根據(jù)模擬區(qū)域獲取aod觀測數(shù)據(jù)，并提取數(shù)據(jù)同化所需的aod觀測信息這一步驟，具體包括以下步驟：

根據(jù)模擬區(qū)域獲取aod觀測數(shù)據(jù)后，從aod觀測數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)同化所需的aod觀測信息，并將aod觀測信息生成ascii格式的數(shù)據(jù)文件；

調(diào)用觀測數(shù)據(jù)讀取模塊，從ascii格式的數(shù)據(jù)文件中讀取aod觀測信息。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，其特征在于，所述氣溶膠組分包括硫酸鹽組分、硝酸鹽組分、銨鹽組分、鈉鹽組分、氯化物組分、有機氣溶膠、黑碳?xì)馊苣z、海鹽組分及沙塵組分中至少一種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，其特征在于，所述aod觀測信息包括各觀測點的經(jīng)緯度、觀測時刻、aod反演數(shù)值和數(shù)據(jù)反演質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法，其特征在于，所述空氣質(zhì)量數(shù)值模型采用wrf/chem數(shù)值模型。

8.一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化系統(tǒng)，其特征在于，包括：

模型運行模塊，用于設(shè)置空氣質(zhì)量數(shù)值模型的模擬區(qū)域和氣溶膠方案后，運行空氣質(zhì)量數(shù)值模型，以生成氣溶膠初估場；

矩陣計算模塊，用于根據(jù)氣溶膠初估場對各氣溶膠組分獲取動態(tài)的背景誤差協(xié)方差矩陣，以及從氣溶膠初估場中讀取各氣溶膠組分的aod背景場；

數(shù)據(jù)獲取模塊，用于根據(jù)模擬區(qū)域獲取aod觀測數(shù)據(jù)，并提取數(shù)據(jù)同化所需的aod觀測信息；

特性獲取模塊，用于將fast-j光學(xué)計算模塊作為氣溶膠光學(xué)厚度的觀測算子，并獲取各氣溶膠組分的光學(xué)特性；

模塊構(gòu)建模塊，用于結(jié)合光學(xué)特性和預(yù)設(shè)的輻射傳輸模型獲取同化模塊；

分析優(yōu)化模塊，用于結(jié)合背景誤差協(xié)方差矩陣、aod觀測數(shù)據(jù)、aod背景場和同化模塊對各氣溶膠組分的三維濃度場進(jìn)行分析優(yōu)化；

熱啟動模塊，用于根據(jù)優(yōu)化后的三維濃度場作為氣溶膠的初始場對空氣質(zhì)量數(shù)值模型進(jìn)行熱啟動后，對氣溶膠進(jìn)行模擬預(yù)報。

9.一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化系統(tǒng)，其特征在于，包括：

至少一個處理器；

至少一個存儲器，用于存儲至少一個程序；

當(dāng)所述至少一個程序被所述至少一個處理器執(zhí)行，使得所述至少一個處理器實現(xiàn)權(quán)利要求1-7任一項所述的一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法。

10.一種存儲介質(zhì)，其中存儲有處理器可執(zhí)行的指令，其特征在于，所述處理器可執(zhí)行的指令在由處理器執(zhí)行時用于執(zhí)行如權(quán)利要求1-7任一項所述方法。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種氣溶膠光學(xué)厚度的三維變分同化方法、系統(tǒng)和存儲介質(zhì)，其中方法在綜合考慮數(shù)值模型誤差和觀測數(shù)據(jù)誤差的前提下，利用AOD反演數(shù)據(jù)(可為衛(wèi)星AOD觀測數(shù)據(jù)和地基AOD觀測數(shù)據(jù))，通過三維變分同化方法，對數(shù)值模型的氣溶膠組分初始場進(jìn)行訂正，以降低初始場的不確定性，從而提高后續(xù)的氣溶膠模擬預(yù)報精度，且通過調(diào)用輻射傳輸模型內(nèi)部的AOD切線性算子和伴隨算子，與Fast?J光學(xué)模塊相耦合，構(gòu)建FastJ/CRTM?AOD同化模塊，大大提高了AOD三維變分同化在不同氣溶膠方案中應(yīng)用的開發(fā)效率，可廣泛應(yīng)用于三維變分同化技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：龐炯明;王雪梅

受保護(hù)的技術(shù)使用者：暨南大學(xué);中山大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2019.10.29

技術(shù)公布日：2020.03.24