一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法

本发明涉及海洋数值预报，具体涉及一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法。

背景技术：

1、目前，海洋的动态变化对海洋经济发展、资源开发、防灾减灾及军事活动等具有非常显著的影响。海洋数值预报是一种掌握海洋环境变化规律及其状态的有效手段，王辉等人（2015）的研究表明：在人类未来探索海洋的过程中，海洋数值预报的数据占比将逐渐增加，至2030年约占全球海洋大数据的50%以上，其重要性日益突显。

2、海洋温度反映着海洋内部结构、洋流和水团性质，对海水声速结构及水声传播特征有着显著影响。但是海洋温度预报结果存在一定的误差，而初始误差是导致海洋预报误差的重要因素之一，li等人（2008）、shu等人（2011）及peng等人（2019）通过同化观测数据降低温度初始误差，分别将海洋温度预报结果改进了超过30%、50%及60%。

3、常用的海洋观测手段，如argo浮标、潜标、船载ctd以及xbt、xctd等，主要存在以下两方面问题：一是观测平台和资源有限，大范围、高密度观测成本高昂；二是不能像卫星遥感观测一样同时对海洋数值预报的全部区域进行观测。此外，受海水运动特性影响，预报目标海区与需要增加观测的海区（在该海区增加观测后，对降低目标海区预报误差的贡献最大）在空间位置上通常存在差异，基于非动力诊断方法的主观观测模式对于提高目标海区环境预报结果的贡献有限，观测数据的使用效果一般。因此，需要对有限的观测资源进行优化设计，确定一个最佳的观测区域，该区域与目标海区存在动力学上下游关系，利用有限的观测资源最大程度地改进海洋温度预报结果。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法，该方法以改进目标海区的温度预报结果为目标，利用海洋预报模式确定与目标海区存在动力学上下游关系的最佳观测区域，实现对有限观测资源的优化设计，最大化了观测效益，为集约、有效地改进目标区域的温度预报结果提供了一种新的技术方法。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法，包括以下步骤：

4、步骤1：根据预报改进目标确定需要改进海洋温度预报的目标区域三维空间范围和预报时间范围，预报时间范围包括预报初始时刻和预报验证时刻，根据观测能力确定观测区域面积大小；

5、步骤2：制作温度初始误差，将其叠加在预报初始时刻的海洋模式背景场上，将模式向前积分至预报验证时刻；

6、步骤3：设计待优化求解的目标函数和初始约束条件，评估初始误差在预报验证时刻对目标区域三维空间范围内海洋温度预报结果的影响；

7、步骤4：求解约束最优化问题，得到能够引起预报验证时刻目标区域三维空间范围内最大的海洋温度预报误差的最优初始误差；

8、步骤5：对最优初始误差进行垂向积分，将垂向积分值高于设定值的水平格点区域作为改进海洋温度预报的最佳观测区域。

9、优选的，所述步骤2中，制作的初始误差为服从正态分布的随机初始误差，表示标准差，取值为woa18数据集中温度在海洋模式模拟的空间范围内的平均值。

10、优选的，所述步骤3中，待优化求解的目标函数表示为：

11、（1）

12、式（1）中表示目标区域三维空间范围，表示在预报验证时刻由初始误差引起的目标区域空间范围内海洋温度预报误差，代表海洋温度预报的背景场，表示海洋模式。

13、优选的，所述步骤3中，初始约束条件表示为：

14、（2）

15、式（2）中表示初始误差的约束大小，表示海洋模式模拟的空间范围，表示温度初始误差，表示温度标准差，取值为woa18数据集中温度在海洋模式模拟的空间范围内的平均值。

16、优选的，所述步骤4中，基于条件非线性最优扰动方法（cnop）的理论框架建立约束最优化问题，具体表示为：

17、（3）

18、式（3）中表示求解得到的最优初始误差，最优初始误差引起预报验证时刻目标区域三维空间范围内最大的海洋温度预报误差。

19、优选的，所述步骤4中，求解约束最优化问题的算法为序列二次规划（sqp）算法。

20、优选的，所述步骤5中，最优初始误差垂向积分的物理变量为温度。

21、优选的，所述步骤5中，设定值的确定方法为：根据步骤1中的观测区域面积大小确定最佳观测区域对应的水平格点数n，将最优初始误差垂向积分值按从大到小的顺序进行排列得到一维数组，将该数组中第n+1个数对应的数值作为确定最佳观测区域时的设定值。

22、本发明一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法具有如下有益效果：

23、本发明以改进目标海区的温度预报结果为目标，利用海洋预报模式确定了与目标海区存在动力学上下游关系的最佳观测区域，实现了对有限观测资源的优化设计，最大化了观测效益，为集约、有效地改进目标区域的温度预报结果提供了一种新的技术方法。

技术特征：

1.一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法，其特征为，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法，其特征为，所述步骤2中，制作的初始误差为服从正态分布的随机初始误差，表示标准差，取值为woa18数据集中温度在海洋模式模拟的空间范围内的平均值。

3.如权利要求1所述的一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法，其特征为，所述步骤3中，待优化求解的目标函数表示为：

4.如权利要求1所述的一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法，其特征为，所述步骤3中，初始约束条件表示为：

5.如权利要求1所述的一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法，其特征为，所述步骤4中，基于条件非线性最优扰动方法的理论框架建立约束最优化问题，具体表示为：

6.如权利要求1所述的一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法，其特征为，所述步骤4中，求解约束最优化问题的算法为序列二次规划算法。

7.如权利要求6所述的一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法，其特征为，二次规划算法的具体步骤包括：

8.如权利要求1所述的一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法，其特征为，所述步骤5中，最优初始误差垂向积分的物理变量为温度。

9.如权利要求8所述的一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法，其特征为，所述步骤5中，设定值的确定方法为：根据步骤1中的观测区域面积大小确定最佳观测区域对应的水平格点数n，将最优初始误差垂向积分值按从大到小的顺序进行排列得到一维数组，将该数组中第n+1个数对应的数值作为确定最佳观测区域时的设定值。

技术总结
一种用于改进目标海区温度预报的最佳观测区域确定方法，属于海洋数值预报技术领域，包括如下步骤：步骤1、确定预报改进目标海区范围和时间范围；步骤2、制作温度初始误差并叠加在海洋模式背景场上，向前积分模式；步骤3、设计待优化求解的目标函数和初始约束条件；步骤4、求解约束最优化问题；步骤5、对最优初始误差进行垂向积分，确定最佳观测区域。本发明以改进目标海区的温度预报结果为目标，利用海洋预报模式确定了与目标海区存在动力学上下游关系的最佳观测区域，实现了对有限观测资源的优化设计，最大化了观测效益，为集约、有效地改进目标区域的温度预报结果提供了一种新的技术方法。

技术研发人员：刘敬一,过武宏,崔宝龙,笪良龙
受保护的技术使用者：中国人民解放军海军潜艇学院
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16