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基于无导数优化方法的数值模式误差估计

黄启灿 胡淑娟 邱春雨 李宽 于海鹏 丑纪范

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基于无导数优化方法的数值模式误差估计

黄启灿, 胡淑娟, 邱春雨, 李宽, 于海鹏, 丑纪范

Numerical model error estiamtion by derivative-free optimization method

Huang Qi-Can, Hu Shu-Juan, Qiu Chun-Yu, Li Kuan, Yu Hai-Peng, Chou Ji-Fan
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  • 初始场误差和模式误差是制约数值预报准确率的两个关键因素,本文主要考虑利用历史观测资料实现时空演变的模式误差的估计问题. 通过把模式误差综合考虑成为准确模式中的未知项,把历史资料看作是带有未知项的准确模式的特解,构造了求解时空演变的模式误差项的反问题及其最优控制问题. 给出了一个解决最优控制问题的无导数优化方法,该方法的优点是不需要建立原数值模式的切线性模式与伴随模式,它只需在增加一个外强迫项的基础上运行原数值模式即可实现模式误差项的最优估计. 关于Burgers方程的算例表明,无论模式的初始状态是否准确已知,无导数优化方法都能有效解决时空演变的模式误差的最优估计问题,它为实际业务模式利用历史数据提取模式误差信息并显著地改进预报效果提供了一种方便可行的数值方法与理论依据.
    Initial error and model error are key factors restricting the accuracy of numerical weather prediction (NWP). The purpose of the present study is to estimate the errors of spatiotemporal evolution model by using recent observations. By considering the continuous evolution of atmosphere, the observed data (ignoring the measurement error) can be viewed as a series of solutions of accurate model governing the actual atmosphere, and the model errors can be objectively assumed to be an unknown functional term (a missing forcing term) of the numerical model, thus the NWP can be considered as an inverse problem to uncover the unknown model error term by using the long periods of observed data. In this study, we first construct an inverse problem model with its optimization problem, which is constrained by the numerical model, to estimate the errors of spatiotemporal evolution model, then we present a derivative-free optimization (DFO) method to find the minimum solution of the optimization problem by running the numerical model with an external forcing term. The DFO method does not need to compute the gradient of the objective functional and the tangent linear model or adjoint model of the original numerical model. The numerical study of Burgers equation indicates that the presented methods can effectively uncover the model errors from the past data and evidently improve the numerical prediction. The precedures described in this paper open up possibilities for utilizing the past observation data to extract useful information about model errors and enhance the prediction efficiency in the operational models.
    • 基金项目: 公益性行业(气象)科研专项(批准号:GYHY201206009)、中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:lzujbky-2013-11)和国家重点基础研究发展计划(批准号:2012CB955902,2013CB430204)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the Special Scientific Research Project for Public Interest of China (Grant No. GYHY201206009), the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (Grant No. lzujbky-2013-11) and the National Basic Research Program of China (Grant Nos. 2012CB955902, 2013CB430204).
    [1]

    Toth Z, Kalnay E 1993 Bull. Amer. Meteor. Soc. 74 2317

    [2]

    Molteni F, Buizza R, Palmer T N, Petroliagis T 1996 Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 122 73

    [3]

    Zheng Z H, Feng G L, Huang J P, Chou J F 2012 Acta Phys. Sin. 61 199203 (in Chinese) [郑志海, 封国林, 黄建平, 丑纪范 2012 物理学报 61 199203]

    [4]

    Dong W J, Feng G L 2003 Acta Phys. Sin. 52 2347 (in Chinese) [董文杰, 封国林 2003 物理学报 52 2347]

    [5]

    Mu M, Jiang Z N 2007 Chin. Sci. Bull. 52 1457 (in Chinese) [穆穆, 姜智娜 2007 科学通报 52 1457]

    [6]

    Duan W S, Mu M 2009 Sci. China Ser. D 52 884

    [7]

    Mu M, Duan W S, Wang Q, Zhang R 2010 Nonlin. Process. Geophys. 17 211

    [8]

    Du Q, Shen T L 2007 J. Trop. Meteor. 23 182 (in Chinese) [杜钦, 沈桐立 2007 热带气象学报 23 182]

    [9]

    Gu Z C 1958 Acta Meteor. Sin. 29 176 (in Chinese) [顾震潮 1958 气象学报 29 176]

    [10]

    Chou J F 2007 Acta Meteor. Sin. 65 673 (in Chinese) [丑纪范 2007 气象学报 65 673]

    [11]

    Huang J P, Yi Y H, Wang S H, Chou J F 1993 Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 119 547

    [12]

    Xiong K G, Zhao J H, Feng G L, Huang J P, Hu J G 2012 Acta Phys. Sin. 61 149204 (in Chinese) [熊开国, 赵俊虎, 封国林, 黄建平, 胡经国 2012 物理学报 61 149204]

    [13]

    Ren H L, Chou J F 2005 Acta Meteor. Sin. 63 988 (in Chinese) [任红利, 丑纪范 2005 气象学报 63 988]

    [14]

    Bao M, Ni Y Q, Chou J F 2004 Chin. Sci. Bull. 49 1296

    [15]

    Sasaki Y 1970 Mon. Wea. Rev. 98 875

    [16]

    Carrassi A, Vannitsem S 2010 Mon. Wea. Rev. 138 3369

    [17]

    Zhong J, Fei J F, Huang S X, Du H D 2012 Acta Phys. Sin. 14 149203 (in Chinese) [钟剑, 费建芳, 黄思训, 杜华栋 2012 物理学报 14 149203]

    [18]

    Huang J P, Yi Y H 1991 Sci. China Ser. B 34 1246

    [19]

    Zhang Z S, Gong Z Q, Zhi R, Feng G L, Hu J G 2011 Chin. Phys. B 20 019201

    [20]

    Feng G L, Gong Z Q, Zhi R, Zhang D Q 2008 Chin. Phys. B 17 2745

    [21]

    Xue H L, Shen X S, Chou J F 2013 Adv. Atmos. Sci. 30 1249

    [22]

    Adrian D, Thomas T, Franz S 2010 Numerical Regularization for Atmospheric Inverse Problem (Berlin: Springer-Verlag) pp163-217

    [23]

    Jorge N, Stephen W 2006 Numerical Optimization (Berlin: Springer-Verlag) pp220-244

  • [1]

    Toth Z, Kalnay E 1993 Bull. Amer. Meteor. Soc. 74 2317

    [2]

    Molteni F, Buizza R, Palmer T N, Petroliagis T 1996 Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 122 73

    [3]

    Zheng Z H, Feng G L, Huang J P, Chou J F 2012 Acta Phys. Sin. 61 199203 (in Chinese) [郑志海, 封国林, 黄建平, 丑纪范 2012 物理学报 61 199203]

    [4]

    Dong W J, Feng G L 2003 Acta Phys. Sin. 52 2347 (in Chinese) [董文杰, 封国林 2003 物理学报 52 2347]

    [5]

    Mu M, Jiang Z N 2007 Chin. Sci. Bull. 52 1457 (in Chinese) [穆穆, 姜智娜 2007 科学通报 52 1457]

    [6]

    Duan W S, Mu M 2009 Sci. China Ser. D 52 884

    [7]

    Mu M, Duan W S, Wang Q, Zhang R 2010 Nonlin. Process. Geophys. 17 211

    [8]

    Du Q, Shen T L 2007 J. Trop. Meteor. 23 182 (in Chinese) [杜钦, 沈桐立 2007 热带气象学报 23 182]

    [9]

    Gu Z C 1958 Acta Meteor. Sin. 29 176 (in Chinese) [顾震潮 1958 气象学报 29 176]

    [10]

    Chou J F 2007 Acta Meteor. Sin. 65 673 (in Chinese) [丑纪范 2007 气象学报 65 673]

    [11]

    Huang J P, Yi Y H, Wang S H, Chou J F 1993 Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 119 547

    [12]

    Xiong K G, Zhao J H, Feng G L, Huang J P, Hu J G 2012 Acta Phys. Sin. 61 149204 (in Chinese) [熊开国, 赵俊虎, 封国林, 黄建平, 胡经国 2012 物理学报 61 149204]

    [13]

    Ren H L, Chou J F 2005 Acta Meteor. Sin. 63 988 (in Chinese) [任红利, 丑纪范 2005 气象学报 63 988]

    [14]

    Bao M, Ni Y Q, Chou J F 2004 Chin. Sci. Bull. 49 1296

    [15]

    Sasaki Y 1970 Mon. Wea. Rev. 98 875

    [16]

    Carrassi A, Vannitsem S 2010 Mon. Wea. Rev. 138 3369

    [17]

    Zhong J, Fei J F, Huang S X, Du H D 2012 Acta Phys. Sin. 14 149203 (in Chinese) [钟剑, 费建芳, 黄思训, 杜华栋 2012 物理学报 14 149203]

    [18]

    Huang J P, Yi Y H 1991 Sci. China Ser. B 34 1246

    [19]

    Zhang Z S, Gong Z Q, Zhi R, Feng G L, Hu J G 2011 Chin. Phys. B 20 019201

    [20]

    Feng G L, Gong Z Q, Zhi R, Zhang D Q 2008 Chin. Phys. B 17 2745

    [21]

    Xue H L, Shen X S, Chou J F 2013 Adv. Atmos. Sci. 30 1249

    [22]

    Adrian D, Thomas T, Franz S 2010 Numerical Regularization for Atmospheric Inverse Problem (Berlin: Springer-Verlag) pp163-217

    [23]

    Jorge N, Stephen W 2006 Numerical Optimization (Berlin: Springer-Verlag) pp220-244

  • [1] 张海峰, 王文旭. 复杂系统重构. 物理学报, 2020, 69(8): 088906. doi: 10.7498/aps.69.20200001
    [2] 王启光, 苏海晶, 支蓉, 冯爱霞. 长江中下游汛期降水模式预测误差相似性及其可预报度. 物理学报, 2014, 63(11): 119202. doi: 10.7498/aps.63.119202
    [3] 杨杰, 龚志强, 赵俊虎, 许遐祯. 基于模式误差分布特征的中国夏季旱涝预测可信度研究. 物理学报, 2014, 63(14): 149202. doi: 10.7498/aps.63.149202
    [4] 王皓, 郑志海, 于海鹏, 黄建平, 季明霞. 国家气候中心大气环流模式冬季模式误差特征分析. 物理学报, 2014, 63(9): 099202. doi: 10.7498/aps.63.099202
    [5] 苏海晶, 王启光, 杨杰, 钱忠华. 基于奇异值分解对中国夏季降水模式误差订正的研究. 物理学报, 2013, 62(10): 109202. doi: 10.7498/aps.62.109202
    [6] 钟剑, 费建芳, 黄思训, 黄小刚, 程小平. 多参数背景场误差模型在散射计资料台风风场反演中的应用. 物理学报, 2013, 62(15): 159302. doi: 10.7498/aps.62.159302
    [7] 张卫民, 曹小群, 宋君强. 以全球谱模式为约束的四维变分资料同化系统YH4DVAR的设计和实现. 物理学报, 2012, 61(24): 249202. doi: 10.7498/aps.61.249202
    [8] 熊开国, 赵俊虎, 封国林, 黄建平, 胡经国. 汛期降水相似动力预报模式误差主分量相似预报方法. 物理学报, 2012, 61(14): 149204. doi: 10.7498/aps.61.149204
    [9] 王辉赞, 张韧. 基于Argo资料和混合层模式的淡水通量产品重构. 物理学报, 2012, 61(3): 039202. doi: 10.7498/aps.61.039202
    [10] 钟剑, 费建芳, 黄思训, 杜华栋. 模式误差弱约束四维变分同化研究. 物理学报, 2012, 61(14): 149203. doi: 10.7498/aps.61.149203
    [11] 崔华坤, 王大勇, 王云新, 刘长庚, 赵洁, 李艳. 无透镜傅里叶变换数字全息术中非共面误差的自动补偿算法. 物理学报, 2011, 60(4): 044201. doi: 10.7498/aps.60.044201
    [12] 杨杰, 王启光, 支蓉, 封国林. 动态最优多因子组合的华北汛期降水模式误差估计及预报. 物理学报, 2011, 60(2): 029204. doi: 10.7498/aps.60.029204
    [13] 程荣军, 程玉民. 弹性力学的无单元Galerkin方法的误差估计. 物理学报, 2011, 60(7): 070206. doi: 10.7498/aps.60.070206
    [14] 徐丰, 陆明珠, 万明习, 方飞. 256阵元高强度聚焦超声相控阵系统误差与多焦点模式精确控制. 物理学报, 2010, 59(2): 1349-1356. doi: 10.7498/aps.59.1349
    [15] 程荣军, 程玉民. 势问题的无单元Galerkin方法的误差估计. 物理学报, 2008, 57(10): 6037-6046. doi: 10.7498/aps.57.6037
    [16] 刘 冬, 王 飞, 黄群星, 严建华, 池 涌, 岑可法. 二维弥散介质温度场的快速重建. 物理学报, 2008, 57(8): 4812-4816. doi: 10.7498/aps.57.4812
    [17] 程荣军, 程玉民. 带源参数的热传导反问题的无网格方法. 物理学报, 2007, 56(10): 5569-5574. doi: 10.7498/aps.56.5569
    [18] 尤云祥, 缪国平. 三维可穿透目标远场声波反演的一种指示器样本方法. 物理学报, 2002, 51(9): 2038-2051. doi: 10.7498/aps.51.2038
    [19] 尤云祥, 缪国平. 阻抗障碍物声散射的反问题. 物理学报, 2002, 51(2): 270-278. doi: 10.7498/aps.51.270
    [20] 尤云祥, 缪国平, 刘应中. 用近场声学测量信息可视化多个三维障碍物的一种快速算法. 物理学报, 2001, 50(6): 1103-1109. doi: 10.7498/aps.50.1103
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-01-05
  • 修回日期:  2014-03-17
  • 刊出日期:  2014-07-05

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