气象资料变分同化的研究与并行计算实现
| 摘要 | 第1-15页 |
| ABSTRACT | 第15-18页 |
| 第1章 绪论 | 第18-30页 |
| §1.1 引言 | 第18-23页 |
| ·同化、客观分析和变分同化的概念 | 第18-20页 |
| ·论文研究背景 | 第20-23页 |
| §1.2 变分同化国内外发展动态 | 第23-26页 |
| §1.3 本文的主要研究工作及其创新 | 第26-28页 |
| §1.4 论文结构 | 第28-30页 |
| 第2章 统计插值分析方法 | 第30-46页 |
| §2.1 引言 | 第30页 |
| §2.2 大气分析的统计基础 | 第30-35页 |
| ·模式状态向量、分析控制变量和偏差 | 第30-31页 |
| ·误差模型 | 第31-35页 |
| §2.3 最优插值客观分析 | 第35-39页 |
| §2.4 三维变分分析 | 第39-42页 |
| §2.5 物理空间统计分析方法(PSAS) | 第42-43页 |
| §2.6 OI、3D-Var和PSAS之间的关系 | 第43-45页 |
| ·OI和3D-Var的等价性 | 第43-44页 |
| ·3D-var和PSAS的比较 | 第44页 |
| ·OI和3D-var的比较 | 第44-45页 |
| §2.7 小结 | 第45-46页 |
| 第3章 三维变分的高效算法研究 | 第46-65页 |
| §3.1 引言 | 第46页 |
| §3.2 增量方法 | 第46-50页 |
| ·简化形式的增量方法 | 第47-48页 |
| ·一般形式的增量方法 | 第48-49页 |
| ·引入增量算法后的变分同化迭代步构成 | 第49-50页 |
| §3.3 预条件和控制变量变换 | 第50-52页 |
| §3.4 最优化算法 | 第52-63页 |
| ·共轭梯度和Lanczos算法 | 第53-56页 |
| ·LBFGS算法 | 第56-58页 |
| ·广义截断Newton算法 | 第58-63页 |
| §3.5 小结 | 第63-65页 |
| 第4章 平衡关系与物理变换研究 | 第65-83页 |
| §4.1 引言 | 第65页 |
| §4.2 分析变量选择与平衡关系 | 第65-67页 |
| §4.3 谱空间中质量场和风场线性平衡处理 | 第67-71页 |
| ·质量场的定义和计算方法 | 第67-68页 |
| ·质量场和风场之间的线性平衡关系 | 第68-69页 |
| ·质量平衡部分向温度和地面气压平衡部分的转化 | 第69-71页 |
| ·散度场平衡分解 | 第71页 |
| §4.4 谱空间下物理变换的实施 | 第71-76页 |
| ·谱变换 | 第71-73页 |
| ·质量场平衡部分的计算 | 第73-74页 |
| ·涡度和散度场到风场的转换 | 第74-76页 |
| §4.5 谱空间下一般平衡关系处理 | 第76-78页 |
| §4.6 格点空间平衡关系处理 | 第78-81页 |
| §4.7 小结 | 第81-83页 |
| 第5章 背景场误差处理技术研究 | 第83-114页 |
| §5.1 引言 | 第83-84页 |
| §5.2 背景场误差模型 | 第84-87页 |
| ·背景场误差协方差的重要性分析 | 第84-85页 |
| ·背景场误差估计 | 第85-87页 |
| §5.3 背景场误差协方差矩阵的一般构造方法 | 第87-92页 |
| ·多变量背景场误差协方差矩阵的形状 | 第87-89页 |
| ·单变量自协方差矩阵构造 | 第89-92页 |
| §5.4 用递归滤波处理水平相关 | 第92-101页 |
| ·递归滤波算法 | 第92-95页 |
| ·递归滤波应用于区域三维变分 | 第95-97页 |
| ·递归滤波应用于全球三维变分 | 第97-101页 |
| §5.5 用谱变换处理水平相关 | 第101-110页 |
| ·谱分析方法 | 第102-107页 |
| ·谱变换分析方法 | 第107-110页 |
| §5.6 用EOF分解进行垂直变换 | 第110-112页 |
| §5.7 小结 | 第112-114页 |
| 第6章 观测资料的处理 | 第114-133页 |
| §6.1 引言 | 第114页 |
| §6.2 水平插值及其伴随 | 第114-119页 |
| ·双线性插值的算法 | 第114-115页 |
| ·双三次插值算法 | 第115-118页 |
| ·水平插值的伴随 | 第118-119页 |
| §6.3 常规观测算子与垂直插值 | 第119-127页 |
| ·模式变量观测算子 | 第119-120页 |
| ·位势高度观测算子 | 第120-122页 |
| ·饱和水气压 | 第122-123页 |
| ·相对湿度 | 第123页 |
| ·可降水 | 第123页 |
| ·地面场观测算子 | 第123-127页 |
| §6.4 卫星观测资料的处理 | 第127-131页 |
| ·卫星资料同化方式 | 第127-128页 |
| ·TOVS和ATOVS资料 | 第128页 |
| ·大气辐射快速传输模式 | 第128-131页 |
| §6.5 小结 | 第131-133页 |
| 第7章 统一三维变分同化系统实现 | 第133-157页 |
| §7.1 引言 | 第133页 |
| §7.2 统一3DVAR系统设计 | 第133-138页 |
| ·主要计算步骤 | 第134-135页 |
| ·总体结构 | 第135-138页 |
| §7.3 统一3DVAR的组件化软件实现技术 | 第138-144页 |
| ·应用框架设计 | 第138-140页 |
| ·核心代码设计 | 第140-143页 |
| ·数据结构定义 | 第143-144页 |
| §7.4 区域三维变分同化试验 | 第144-149页 |
| ·背景场预处理 | 第145页 |
| ·观测预处理 | 第145-146页 |
| ·背景场误差计算 | 第146-147页 |
| ·实况资料检验 | 第147-149页 |
| §7.5 全球三维变分试验 | 第149-156页 |
| ·试验系统流程 | 第149页 |
| ·单点观测的解析解 | 第149-150页 |
| ·单变量分析 | 第150-152页 |
| ·多变量分析 | 第152-155页 |
| ·实际探空资料分析试验 | 第155-156页 |
| §7.6 小结 | 第156-157页 |
| 第8章 统一三维变分同化的可扩展并行计算 | 第157-178页 |
| §8.1 引言 | 第157页 |
| §8.2 统一3DVAR的可扩展并行算法设计 | 第157-166页 |
| ·多阶段区域分解策略 | 第158-160页 |
| ·两层并行实现 | 第160-161页 |
| ·控制变换的可扩展并行计算 | 第161-163页 |
| ·观测资料自适应地理划分算法 | 第163-165页 |
| ·极小化的并行计算 | 第165页 |
| ·统一3DVAR的并行计算流程 | 第165-166页 |
| §8.3 并行支撑工具设计 | 第166-174页 |
| ·区域定义和区域分解 | 第167-168页 |
| ·周边区域的数据交换 | 第168-169页 |
| ·数据场转置 | 第169-170页 |
| ·高效I/O和数据管理 | 第170-174页 |
| §8.4 并行算法分析与数值试验 | 第174-177页 |
| ·统一3DVAR程序性能分析 | 第174-175页 |
| ·影响统一3DVAR并行效率的关键因素分析 | 第175页 |
| ·统一3DVAR的并行试验结果 | 第175-177页 |
| §8.5 小结 | 第177-178页 |
| 第9章 基于统一3DVAR的四维变分同化系统实现 | 第178-202页 |
| §9.1 概述 | 第178页 |
| §9.2 增量形式的四维变分同化 | 第178-184页 |
| §9.3 四维变分同化最优化组件设计 | 第184-191页 |
| ·四维变分同化的计算流程设计 | 第184-187页 |
| ·目标函数及其梯度的计算步骤 | 第187页 |
| ·共轭梯度算法实施 | 第187-188页 |
| ·更新向量计算 | 第188-189页 |
| ·FGAT方法 | 第189页 |
| ·切线性和伴随模式 | 第189-191页 |
| §9.4 可扩展并行算法设计 | 第191-198页 |
| ·多阶段自适应区域分解算法 | 第192-193页 |
| ·基于耦合器的并行计算实现方法 | 第193-195页 |
| ·正模式、切线性和伴随模式的并行计算 | 第195-198页 |
| §9.5 算法的分析与试验 | 第198-200页 |
| ·四维变分同化组件间通讯量分析 | 第198-199页 |
| ·正模式并行效率试验 | 第199-200页 |
| §9.6 小结 | 第200-202页 |
| 第10章 结束语 | 第202-204页 |
| 致谢 | 第204-205页 |
| 己发表的相关学术论文 | 第205-207页 |
| 参考文献 | 第207-214页 |
