新型高效多尺度同化系统在高分辨率CESM中的应用

技术领域

本发明属于全球气候变化资料同化技术领域，尤其涉及新型高效多尺度同化系统在高分辨率CESM中的应用。

背景技术

地球系统模式是理解过去气候与环境演变机理、预估未来潜在全球变化情景的重要工具。观测资料存在时空分布不均的缺陷。耦合资料同化可以融合模式和观测资料，得到更接近真值的大气海洋连续时空演变特征。耦合资料同化结合耦合地球系统模式的动力学和物理学框架融入地球观测信息，产生平衡协调的耦合模式再分析状态，是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。中小尺度海气相互作用对天气气候的重要性越来越被人们重视，这对地球系统模式的分辨率要求更高，使得地球系统模式从能够解析大尺度海洋大气运动的流行分辨率(大气100km与海洋100km)，向能够解析大气风暴轴和中尺度涡的高分辨率(大气25km与海洋10km)方向发展。如果使用传统的集合同化算法(如EnKF,ensemble Kalman filtering)，则需要积分N个模式成员来获得背景误差协方差，这将需要N倍于单一模式的计算资源，这对于原本对计算资源需求巨大的高分辨率模式来说，无疑是不可行的。同时，当前广泛应用于气候研究的社区开源耦合地球系统模式CESM(Community Earth System Model)尚无完善的在线同化系统。从而限制了它在气候预报预测及再分析研究中的应用。然而，发展CESM的在线同化和多尺度同化能力，对推动再分析和高分辨率同化的研究具有重要意义。因此，本发明将新方法MSHea-EnKF(Multi-timescaleHigh-efficiency Approximate EnKF)，融入与国产众核异构集群适配的高分辨率的CESM模式，实现大气多个尺度同化功能、集合成员个数等设置为可选择的开关控制。降低同化对计算资源的需求。这可为中小尺度海气相互作用过程的研究提供重要的模式模拟试验场。可促进全球变化与气候预测等相关领域的研究和气候再分析数据研制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了新型高效多尺度同化系统在高分辨率CESM中的应用，将新算法MSHea-EnKF，融入与国产众核异构集群适配的高分辨率的CESM模式，实现大气多个尺度同化功能、集合成员个数等设置为可选择的开关控制，降低大气同化对计算资源的需求。

为实现上述目的，本发明提供了新型高效多尺度同化系统在高分辨率CESM中的应用，包括：

利用观测点处的观测值和模式估计值以及所述观测值与所述模式估计值的标准差，获取观测增量；

将观测增量投影到受其影响的周围模式格点上，获取观测增量的投影；

通过新型高效多尺度大气同化系统对观测增量的求解进行改进，获取更新后的投影；

将MSHea-EnKF大气同化算法嵌入与国产众核异构集群适配的流行分辨率版本CESM模式；

将MSHea-EnKF大气同化算法嵌入与国产众核异构集群适配的高分辨率版本的CESM模式。

可选的，利用观测点处的观测值和模式估计值以及所述观测值与所述模式估计值的标准差，获取观测增量包括：

其中，

可选的，将观测增量投影到受其影响的周围模式格点上，获取观测增量的投影包括：

其中，

可选的，通过新型高效多尺度大气同化系统对观测增量的求解进行改进，获取更新后的投影包括：观测点处的观测增量的更新和观测增量投影到模式格点上投影的更新。

可选的，观测点处的观测增量的更新包括：

其中，Δy

可选的，观测增量投影到模式格点上投影的更新包括：

其中，Δx

可选的，将MSHea-EnKF大气同化算法嵌入与国产众核异构集群适配的流行分辨率版本CESM模式包括以下步骤：

首先，配置与传统x86集群适配的流行分辨率版本CESM模式算例，并将MSHea-EnKF大气同化算法嵌入与x86集群适配的流行分辨率版本CESM模式，作为类比算例；

其次，配置与国产众核异构集群适配的流行分辨率版本CESM模式算例；

再次，对比集群系统差异，进行编译和运行交叉验证，调试修改同化代码的bug，分尺度实现大气同化功能、集合成员个数等设置为可选择的开关控制；

最后，将MSHea-EnKF大气同化算法，嵌入与国产众核异构集群适配的流行分辨率版本的CESM模式，实现大气同化地面气压，并在完美孪生实验的框架下对同化系统进行测试和验证。

可选的，将MSHea-EnKF大气同化算法嵌入与国产众核异构集群适配的高分辨率版本的CESM模式包括以下步骤：

首先，配置与国产众核异构集群适配的高分辨率版本CESM模式算例；

其次，下载观测数据，准备高分辨率模式启动文件；类比低分算例，对观测数据进行插值及网格转换，制作搭建高分辨率模式同化系统所需的三个频率的背景数据及观测数据；

再次，修改低分同化系统中分辨率相关的网格点数及同化积分步长等参数设置；将背景数据读取方式由global修改为local；数组声明内存放大；加入缓存清理代码，防止内存泄漏；调试低分模式同化系统未发现的bug，分尺度实现大气同化功能、集合成员个数等设置为可选择的开关控制；

最后，将MSHea-EnKF大气同化算法，嵌入与国产众核异构集群适配的高分辨率版本CESM模式，实现大气同化地面气压，并在完美孪生实验的框架下对同化系统进行测试和验证。

本发明技术效果：本发明公开了新型高效多尺度同化系统在高分辨率CESM中的应用，将MSHea-EnKF大气同化算法融入与国产众核异构集群适配的高分辨率的CESM模式，实现大气多个尺度同化功能、集合成员个数等设置为可选择的开关控制；降低大气同化对计算资源的需求；为中小尺度海气相互作用过程的研究提供重要的模式模拟试验场；促进全球变化与气候预测等相关领域的研究和气候再分析数据研制；为防灾减灾，保障社会经济发展和人民安康福祉贡献科技力量。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例新型高效多尺度同化系统在高分辨率CESM中的应用的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1所示，本实施例中提供新型高效多尺度同化系统在高分辨率CESM中的应用，包括以下步骤：

利用观测点处的观测值和模式估计值以及观测值与模式估计值的标准差，获取观测增量；

将观测增量投影到受其影响的周围模式格点上，获取观测增量的投影；

通过新型高效多尺度大气同化系统对观测增量的求解进行改进，获取更新后的投影；

将MSHea-EnKF大气同化算法嵌入与国产众核异构集群适配的流行分辨率版本CESM模式；

将MSHea-EnKF大气同化算法嵌入与国产众核异构集群适配的高分辨率版本的CESM模式。

高效多尺度同化算法的改进

EnKF可以总结为通过“两步法”求得模式的观测增量(Anderson,2001；2003)。

第一步，利用观测点处的观测值和模式估计值以及它们的标准差求观测增量。用到的公式为：

其中，

右边第1项为集合平均调整(adjusted ensemble mean)，是在观测点处利用观测值和模式估计值在贝叶斯定理的基础上得到的分析值的最优估计，当先验集合方差大于观测方差时(σ

第二步，在求得观测点处的观测增量之后，需要将观测增量投影到受其影响的周围模式格点上，这一步称观测增量的投影。使用到计算公式为：

其中，

在传统算法中，从N个动力集合mi＝1,N获得集合统计和背景误差协方差，与观测信息进行卷积之后得到对应于N个模式积分的观测增量；在高效多尺度算法中，将准备好的N年、N月、N天和N步的单一模式积分的值作为N个统计资料，分别构建年尺度、月尺度、天尺度和小时尺度的多尺度滤波同化的“集合成员”，每个尺度的N个统计资料与观测信息进行高斯卷积之后得到观测增量。

新的高效多尺度同化算法对传统EnKF算法中的“两步法”求观测增量的公式都进行了改进。

第一步，求观测点处的观测增量的公式更新为：

其中，Δy

右边第1项为观测点处的分析值，第2项为

第二步，是将第一步得到的观测增量投影到模式格点上，投影的更新方程为：

其中，Δx

MSHea-EnKF大气同化算法包含3个尺度的顺序同化滤波过程，分别是月平均尺度的定常滤波同化(filter_mon)，天平均尺度的低频滤波同化(filter_day)和小时平均尺度的高频滤波同化(filter_hour)，3个尺度的同化之间互不影响，3个尺度的同化增量分别按照一定的比例加到模式变量上。每个尺度的集合成员统计资料由模式积分产生，例如filter_day的20个统计资料为模式当前状态的前20天结果的平均，filter_mon的统计资料则为模式当前状态的前20个月结果的平均，以此类推。

除了月尺度的定常滤波同化，其它尺度的统计资料在模式运行过程中会进行更新，由于使用了随模式运行不断更新的统计资料代替原本的动力集合成员，计算资源的需求被大大降低，例如原本使用32×6个核只能运行6个成员，现在仅需使用32×1个核即可以进行20个统计成员的同化。

1)将MSHea-EnKF大气同化算法嵌入与国产众核异构集群适配的流行分辨率版本CESM模式，实现大气同化地面气压，并在完美孪生实验的框架下对同化系统进行测试和验证。

2)将MSHea-EnKF大气同化算法嵌入与国产众核异构集群适配的高分辨率版本的CESM模式，实现大气同化地面气压，并在完美孪生实验的框架下对同化系统进行测试和验证。

新型高效多尺度大气同化系统构建过程包括：

(1)算例配置

配置与传统x86集群适配的流行分辨率版本CESM模式算例。并将MSHea-EnKF大气同化算法嵌入与x86集群适配的流行分辨率版本CESM模式，作为类比算例。

配置与国产众核异构集群适配的流行分辨率版本CESM模式算例。

配置与国产众核异构集群适配的高分辨率版本CESM模式算例。

(2)同化代码适配国产众核异构集群

对比集群系统差异，进行编译和运行交叉验证，调试修改同化代码的bug。基于国产众核异构集群平台实现MSHea-EnKF大气同化算法在流行分辨率版本CESM模式中的搭建。实现同化地面气压。并在完美孪生实验的框架下对同化系统进行测试和验证。

(3)准备高分辨同化系统搭建所需数据

下载观测数据，准备高分辨率模式启动文件。类比低分算例，对观测数据进行插值及网格转换，制作搭建高分辨率模式同化系统所需的三个频率的背景数据及观测数据。

(4)实现高分辨同化系统搭建

修改低分同化系统中分辨率相关的网格点数及同化积分步长等参数设置；将背景数据读取方式由global修改为local；数组声明内存放大；加入缓存清理代码，防止内存泄漏；调试低分模式同化系统未发现的bug，使其适配高分辨率版本CESM模式。MSHea-EnKF大气同化算法嵌入国产众核异构集群适配的高分辨率版本CESM模式。实现大气同化地面气压。并在完美孪生实验的框架下对同化系统进行测试和验证。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。