一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法

本发明涉及海洋观测，具体涉及一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法。

背景技术：

1、海洋是国家安全的自然屏障、人类可持续发展的重要战略空间，为了加深对海洋的认识与理解，研究人员常常利用海洋数值预报手段对海洋环境演变规律及其背后的物理机制进行探究，但受海洋动力系统混沌特性和初始误差等因素影响，海洋预报结果存在误差，即海洋预报存在不确定性。

2、同化海洋观测资料是降低海洋预报不确定性的有效手段之一，对提升海洋环境时空变化规律的认识和数值预报水平起着至关重要的作用，但同化海洋观测资料后的预报改善效果受以下因素的影响，一是距离，距离观测位置越远的预报改善效果往往越有限；二是数量，观测站位数量越多对应的预报改善效果往往越明显，但受成本高、实施困难、海洋辽阔等因素限制，海洋观测的空间分辨率有限且难以覆盖人类全部关心的海域，这在一定程度上制约了海洋预报水平的进一步提升，因此需要研究海洋观测策略优化设计问题，给出在哪里实施观测会更加有效的科学建议。

3、前人研究表明：经过优化设计的海洋观测策略能够获得更好的预报结果。oke等人（2015）通过优化设计滑翔机的观测队形，使得中尺度涡背景下的温度预报误差降低44%；goes等人（2015）通过对xbt观测站位的间隔进行优化设计，实现大西洋经向翻转环流的预报精度提升1 sv的效果；heaney等人（2016）通过对滑翔机编队的观测位置进行优化设计，实现海洋温度剖面预报提升18%的效果。虽然上述工作在观测策略优化设计时以降低预报不确定性为目标，但未考虑观测资料同化影响显著性对观测策略优化设计的影响，存在一定的局限性。因此，在海洋观测策略优化设计时需更加贴近实际应用场景，同时考虑预报不确定性和同化影响显著性，以达到更加合理、有效的观测资料同化效果，降低海洋预报结果的不确定性，实现预期目标。

技术实现思路

1、本发明提供了一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法，该方法能够更加贴近实际应用场景，在考虑预报不确定性和同化影响显著性的前提下，对有限的海洋观测资源进行优化设计，给出在哪里实施观测会更加有效地改善海洋预报结果的科学建议。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法，包括以下步骤：

4、步骤1：根据设定的海洋观测策略优化目标，获取需利用同化观测进行改善的预报空间范围和时间范围；

5、步骤2：根据初始误差对海洋预报结果的影响，获取海洋环境预报不确定性；

6、步骤3：根据预报空间范围和时间范围，获取同化显著性参数；

7、步骤4：设计待优化求解的目标函数，综合考虑海洋环境预报不确定性与同化显著性参数对观测策略优化的影响；

8、步骤5：设计约束条件，根据观测资源数量确定观测站位个数和观测范围，根据海洋环境观测平台速度和同化时间间隔确定观测间距，根据观测平台转弯性能和观测策略可操作性确定观测转角；

9、步骤6：建立约束最优化问题并利用优化算法进行求解，得到满足约束条件下、使得目标函数值最大的观测站位设计方案，以此实现对海洋观测策略的优化。

10、优选的，所述步骤1中，采用的同化观测方法为最优插值方法（oi）。

11、优选的，所述步骤2中，预报不确定性由条件非线性最优扰动（cnop）表示,具体表示为：

12、（1）

13、式（1）中，表示cnop，表示对初始误差的约束，表示含有初始误差的海洋预报结果，表示不含初始误差的海洋预报结果，表示需利用同化观测进行改善的预报空间范围，表示需利用同化观测进行改善的预报时间范围。

14、优选的，所述步骤3中，同化显著性参数表示为：

15、（2）

16、式（2）中，表示同化显著性参数，表示海洋预报模式网格点与观测位置的距离，表示相关尺度，取2倍一阶斜压罗斯贝变形半径时oi的同化效果最好，一阶斜压罗斯贝变形半径具体表示为：

17、（3）

18、式（3）中，表示一阶斜压罗斯贝变形半径，表示观测位置的纬度，表示科氏力系数，，表示地球自转角速率，，表示地球半径，表示第1重力波的相速，具体表示为：

19、（4）

20、式（4）中，表示水深，表示浮力频率，表示密度，表示重力加速度。

21、优选的，所述步骤4中，待优化求解的目标函数表示为：

22、（5）

23、式（5）中，表示待优化求解的目标函数，表示基于cnop表示的预报不确定性，表示同化显著性参数。

24、优选的，所述步骤5中，约束条件表示为：

25、（6）

26、式（6）中，表示待优化观测策略对应的观测站位水平位置，表示观测站位个数，表示观测范围，表示观测转角，表示观测间距，分别表示三个相邻观测站位之间的两两间距。

27、优选的，所述步骤6中，约束最优化问题的数学表示为：

28、（7）

29、式（7）中，=2,3…，-1。

30、优选的，所述步骤6中，求解约束最优化问题的优化算法为双链量子遗传算法。

31、本发明一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法具有如下有益效果：

32、本发明针对海洋观测成本高、实施困难、难以覆盖全部关心海域等制约海洋预报水平进一步提升的现实问题，以观测资源数量和观测平台性能等为约束，从贴近实际应用场景的角度出发，同时考虑了海洋预报不确定性和同化对观测策略优化设计的影响，能够给出在哪里实施观测会更加有效地改善海洋预报结果的科学建议，为海洋观测策略优化提供了一种新方法。

技术特征：

1.一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法，其特征为，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法，其特征为，所述步骤1中，采用的同化观测方法为最优插值方法。

3.如权利要求1所述的一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法，其特征为，所述步骤2中，预报不确定性由条件非线性最优扰动表示,具体表示为：

4.如权利要求1所述的一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法，其特征为，所述步骤3中，同化显著性参数表示为：

5.如权利要求1所述的一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法，其特征为，所述步骤4中，待优化求解的目标函数表示为：

6.如权利要求1所述的一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法，其特征为，所述步骤5中，约束条件表示为：

7.如权利要求1所述的一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法，其特征为，所述步骤6中，约束最优化问题的数学表示为：

8.如权利要求1所述的一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法，其特征为，所述步骤6中，求解约束最优化问题的优化算法为双链量子遗传算法。

技术总结
一种考虑预报不确定性和同化的海洋观测策略优化方法，属于海洋观测技术领域，包括步骤1、根据设定的海洋观测策略优化目标，获取需利用同化观测进行改善的预报空间范围和时间范围；步骤2、根据初始误差对海洋预报结果的影响，获取海洋环境预报不确定性；步骤3、根据预报空间范围和时间范围，获取同化显著性参数；步骤4、设计待优化求解的目标函数；步骤5、设计约束条件；步骤6、建立约束最优化问题，利用优化算法进行求解得到海洋观测策略优化结果。本发明同时考虑了海洋预报不确定性和同化对观测策略优化设计的影响，能够给出在哪里实施观测会更加有效地改善海洋预报结果的科学建议，为海洋观测策略优化提供了一种新方法。

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