实验室在地球系统模式耦合资料同化研究领域取得新进展

2022-06-2532

  近日,由实验室“筑峰人才工程”第一层次教授张绍晴领衔的科研团队,在地球系统模式耦合资料同化研究领域取得新进展,在流行分辨率(将地球表面分为1°×1°流体单元)的通用地球系统模式(Community Earth System Model, 简称CESM)上成功研发了“超级并行”的在线集合耦合资料同化系统,解决了CESM用于天气气候预报预测和耦合再分析研究方面的关键科学和技术难题。

  耦合资料同化使用耦合地球系统模式的动力和物理规律来抽取地球观测信息,从而产生平衡协调的耦合模式分析状态,是实现耦合模式预报预测初始化和制作耦合再分析不可或缺的核心要件,也是地球科学领域极具挑战性的前沿研究内容。耦合地球系统模式的在线同化是将观测资料与地球系统模式有机融合,重建地球系统空间连续分布、时间连续演变的历史状态,对气候机制及可预报性研究具有重要意义。在此之前,广泛应用于气候研究的通用地球系统模式缺乏在线耦合同化功能,限制了其在天气气候预报预测及耦合再分析研究中的应用。

  科研团队首先攻克大气模型有限元离散和谱元离散同化算法的技术难关,解决了海洋观测资料多集中于上层海洋从而导致海洋同化结果垂直层结扭曲这一关键问题,实现了观测信息在不同分量模式之间的瞬时传递,达到耦合地球系统模式和地球观测系统的平衡、协调、融合。与国际上同类研究相比(例如欧洲中期数值预报中心和美国国家环境预报中心的弱耦合同化),该成果由于直接使用耦合模式的集合误差来统计同化不同分量模式的观测信息,并充分利用了地球系统的动力学和物理学规律,所采用的在线同化方式也极大提高了耦合同化的计算效率,为下一步气候再分析研制和高分辨率耦合资料同化系统建设奠定了坚实基础。

  地学领域知名学术期刊Geoscientific Model Development(《地球科学模式发展》)近期以An online ensemble coupled data assimilation capability for the Community Earth System Model: system design and evaluation(《通用地球系统模式在线集合耦合资料同化:系统设计及验证》)为题对上述成果进行了在线报道,成果由实验室在读博士研究生江应境为共同第一作者(中国海洋大学作为成果第一完成单位),张绍晴教授和国防科技大学张卫民研究员为共同通讯作者,联合国内多家院所的研究人员合作完成。

图:耦合同化(a)与大气同化感热通量均方根误差的时间序列,(b)与海洋同化海表温度均方根误差的时间序列,(c)与国际其他同化产品均方根误差的时间序列,(d)与欧洲中期数值预报中心20世纪耦合再分析海表温度均方根误差比值的水平分布。

  

  文章链接:https://gmd.copernicus.org/articles/15/4805/2022/