Analyzing the Impacts of Non-Gaussian Errors in Gaussian Data Assimilation Systems

分析高斯数据同化系统中非高斯误差的影响

基本信息

  • 批准号:
    1038790
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 59.61万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2012
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2012-09-15 至 2016-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The basis for most of the world's operational and research variational data assimilation (DA) is that all errors are Gaussian distributed. For synoptic-scale weather systems this assumption is a good approximation, however even at these large scales there some variables (e.g., positive-definite quantities such as relative humidity) cannot be properly characterized by assumed Gaussian error distributions. The impact of an imposed negative value for a positive-definite variable such as moisture is that an operational system DA system could fail to converge or otherwise yield an unstable numerical forecast or an unphysical model state. This Gaussian assumption is also present in retrieval systems that are based upon a maximum likelihood estimation (MLE) Bayesian-type approach. In some other Bayesian systems the moisture variable is assumed to be lognormally distributed and so the retrieved variable is the natural logarithm of the moisture variable. Both approaches introduce a bias into the analysis by finding the incorrect statistic to describe the probabilistic behavior of the random variable. In this project an alternative approach for non-Gaussian variables that combines a lognormal distribution with a Gaussian distribution, referred to as a mixed distribution, will be applied and evaluated. This mixed distribution allows for the retrieval and assimilation of Gaussian- and lognormally-distributed variables simultaneously. The mixed approach is different to the other two approaches in that it is finding the analysis mode with the correct covariances between the random variables, and not the mode of the best Gaussian approximation or the median of the lognormal distribution.In the first stage of this effort, methods for determining where one can and cannot impose a Gaussian assumption for humidity within DA schemes, as well to quantify the impacts of such assumptions on retrieved quantities, will be developed. The second stage will investigate the impacts of assimilating retrieved data from the Gaussian assumption approach against the mixed distribution approach into a larger 3D- or 4D-VAR (variationally-based) approach as appropriate to the particular model system being evaluated [e.g., the NSF/NCAR-supported Weather Forecasting and Research (WRF) DA system]. The intellectual merit of this work will trace to the ability to better observe and assimilate moisture fields and develop an improved understanding of their interactions with other model-prognostic fields for a variety of dimensions of atmospheric prediction: synoptic, mesoscale and cloud resolving. Anticipated Broader Impacts of this effort will come through the ability to exert carefully motivated changes in DA schemes employed in larger numerical weather prediction systems, which would in-turn be expected to foster improved predictions of severe and/or extreme weather events. Broader impacts through education will occur through the mentorship and early-career development of a supported postdoctoral research associate, who will be trained in non-Gaussian DA methods as well as gain experience with retrievals and near-operational large DA systems.
世界大多数运营和研究变异数据同化(DA)的基础是,所有错误都是高斯分布。 对于天气规模的天气系统,此假设是一个良好的近似值,但是即使在这些较大的尺度上,也无法通过假定的高斯误差分布来适当地表征一些变量(例如,诸如相对湿度等正定量(例如相对湿度))。 施加的负值对诸如水分之类的正定变量的影响是,操作系统DA系统可能无法收敛或产生不稳定的数值预测或非物理模型状态。 这种高斯假设也存在于基于最大似然估计(MLE)贝叶斯型方法的检索系统中。 在其他一些贝叶斯系统中,假定水分变量是对数正态分布的,因此检索到的变量是水分变量的自然对数。 两种方法都通过发现不正确的统计量来描述随机变量的概率行为,从而引入了分析中的偏见。 在该项目中,将应用和评估一种非高斯变量的替代方法,该方法将对数正态分布与高斯分布(称为混合分布)结合在一起。 这种混合分布允许同时检索和同化高斯和对数分布的变量。 混合方法与其他两种方法不同,因为它是在随机变量之间找到正确协方差的分析模式,而不是最佳高斯近似值的模式或对数正态分布的中值。努力,确定一个人可以和不能在DA方案中对湿度施加高斯假设的方法,以及量化此类假设对检索到数量的影响的方法。 第二阶段将研究从高斯假设方法中吸收的数据对混合分布方法的影响到更大的3D或4D-VAR(基于变量的)方法,以适应所评估的特定模型系统[例如NSF [例如,NSF) /NCAR支持的天气预报和研究(WRF)DA系统]。 这项工作的智力优点将追溯到更好地观察和吸收水分领域的能力,并提高对它们与其他模型 - 基本领域的相互作用的了解,以实现大气预测的各种维度:概要,中尺度和云云。 这项工作的预期更广泛的影响将取决于在较大的数值天气预测系统中采用的DA计划的精心动机变化的能力,这将有望促进对严重和/或极端天气事件的预​​测。 通过教育的更广泛的影响将通过受支持的博士后研究助理的指导和早期职业发展,他们将接受非高斯DA方法的培训,并在检索和近乎运营的大型DA系统方面获得经验。

项目成果

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