[发明专利]一种土壤湿度数据三维协调同化方法及系统

说明书

本申请提供了一种土壤湿度数据三维协调同化方法及系统，涉及气象技术领域，适用于卫星和/或台站中采集的土壤湿度数据，该方法包括确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，土壤湿度扰动值为土壤格点在垂直方向随机扰动和水平方向随机扰动影响下的土壤湿度值；确定多个土壤格点在第一时刻对应的增益矩阵；根据所确定的增益矩阵、各土壤格点在第一时刻的土壤湿度观测值、各土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，确定各土壤格点在第一时刻的土壤湿度分析值，以提高土壤湿度同化的效果，满足三维耦合同化的需求。

技术领域

本申请涉及气象技术领域，具体而言，涉及一种土壤湿度数据三维协调同化方法及系统。

背景技术

土壤湿度资料同化是实现提升数值预报模式中土壤湿度精度和准确性的一种有效手段。目前国内外基于陆面模式的大部分土壤湿度同化研究都以一维同化为主,即在同化过程中仅考虑了土壤湿度观测信息对单点不同层土壤湿度模拟的影响。但对于自然界真实的陆面状态而言，由于地表或地下水的径流及土壤水分的侧向渗吸运动是真实存在的，因此现有的一维同化方法一方面会使观测信息的利用率过低，土壤湿度同化的效果和质量欠佳。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种土壤湿度数据三维同化方法及系统，以提高土壤湿度同化的效果，满足三维耦合同化的需求。

第一方面，本申请提供了一种土壤湿度数据三维协调同化方法，适用于卫星和/或台站中采集的土壤湿度数据，方法包括针对目标观测区域内的每个土壤格点，确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度观测值，土壤湿度观测值为对土壤格点进行测量得到的土壤湿度值；针对每个土壤格点，确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，土壤湿度扰动值为土壤格点在加入垂直方向随机扰动和水平方向随机扰动后得到的土壤湿度集合样本值，水平方向随机扰动指与土壤格点处于相同土壤层的其他周围土壤格点上通过集合扰动引入的水平方向模式误差，垂直方向随机扰动指与土壤格点处于不同土壤层上通过集合扰动引入的垂直方向模式误差；确定多个土壤格点在第一时刻对应的增益矩阵，增益矩阵中的每个元素为与对应的土壤格点对应的增益算子；根据所确定的增益矩阵、各土壤格点在第一时刻的土壤湿度观测值、各土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，确定各土壤格点在第一时刻的土壤湿度分析值。

优选的，通过以下方式确定每个土壤格点在第一时刻的土壤湿度分析值：确定多个土壤格点对应的观测算子；针对每个土壤格点，计算观测算子与该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值的第一乘积，确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度观测值与第一乘积的差值，并计算该土壤格点对应的增益算子与差值的第二乘积，将该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值与第二乘积之和，确定为该土壤格点在第一时刻的土壤湿度分析值。

优选的，通过以下方式确定增益矩阵：基于耦合模式确定各土壤格点在第一时刻对应的观测误差协方差矩阵；针对每个土壤格点，根据该土壤格点在第一时刻的土壤湿度扰动值，确定该土壤格点在第一时刻的土壤湿度模式误差值；针对每个土壤格点，确定该土壤格点在第一时刻对应的土壤湿度水平方向随机扰动误差值和土壤湿度垂直方向随机扰动误差值；根据各土壤格点对应的土壤湿度模式误差值、土壤湿度水平方向随机扰动误差值和土壤湿度垂直方向随机扰动误差值，构建背景场误差协方差向量；根据背景场误差协方差向量和背景场误差协方差向量的转置，确定背景场误差协方差矩阵；根据多个土壤格点对应的观测算子、所确定的背景场误差协方差矩阵、观测误差协方差矩阵，确定多个土壤格点在第一时刻对应的增益矩阵。

优选的，根据多个土壤格点对应的观测算子、所确定的背景场误差协方差矩阵、观测误差协方差矩阵，确定多个土壤格点在第一时刻对应的增益矩阵的步骤，具体包括：确定多个土壤格点对应的观测误差协方差矩阵；计算观测算子、背景场误差协方差矩阵与观测算子的转置之间的第三乘积；计算垂直局地化函数矩阵与水平局地化函数矩阵之间的第四乘积；计算第四乘积、背景场误差协方差矩阵与观测算子的转置之间的第五乘积；计算第三乘积与第四乘积之间的第六乘积，并计算第六乘积和观测误差协方差矩阵之和；计算第六乘积与第六乘积和观测误差协方差矩阵之和的逆矩阵之间的乘积，作为增益矩阵。