第1 章 緒 論
近年來(lái)，全球環(huán)境變化對(duì)人類生存影響日益突出，為了加強(qiáng)對(duì)陸地-大氣-海洋全球變化進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)和研究，一系列全球?qū)Φ赜^測(cè)計(jì)劃相繼被提出，其中以1999 年12 月開始實(shí)施的地球觀測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃(EOS)和2003 年開始構(gòu)建的全球環(huán)境及安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃(GMES)作為主要代表，標(biāo)志著全球變化研究進(jìn)入一個(gè)以探測(cè)全球變化為目標(biāo)的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)同化和模擬計(jì)算的新階段。2005 年11 月召開的第三次國(guó)際地球觀測(cè)峰會(huì)，通過(guò)了建立全球綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)(GEOSS)共同應(yīng)對(duì)全球氣候變化，提升綜合、定量處理對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)水平和推動(dòng)對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)共享的宣言。2012 年國(guó)科聯(lián)(ICSU)在倫敦舉行會(huì)議，會(huì)議以"壓力下的地球"為主題，以"新的科學(xué)知識(shí)實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)和提出解決方案"為聚焦，提出"未來(lái)地球10 年計(jì)劃"。
作為GEOSS 計(jì)劃的重要成員國(guó)之一，我國(guó)積極響應(yīng)全球環(huán)境變化研究，采取了一系列措施。2008 年我國(guó)發(fā)射風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星，載荷了11 種高性能傳感器和探測(cè)儀器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣、海洋和陸地協(xié)同觀測(cè)，能夠得到40 多種要素產(chǎn)品；我國(guó)"十二五"建設(shè)的"航空遙感系統(tǒng)"將載荷11 種先進(jìn)遙感器，獲取區(qū)域地表、大氣和水體變化參量；同時(shí)，中國(guó)衛(wèi)星遙感地面站存有1986 年以來(lái)的各類對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料，總計(jì)達(dá)250余萬(wàn)景、250TB，是我國(guó)較大的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)歷史檔案庫(kù)。如何有效利用這些觀測(cè)數(shù)據(jù)成為當(dāng)前全球環(huán)境變化研究的關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)數(shù)據(jù)同化充分利用這些數(shù)據(jù)和信息產(chǎn)品，有助于模擬預(yù)測(cè)全球環(huán)境變化和開展地球系統(tǒng)研究。相比于傳統(tǒng)的遙感反演方法，數(shù)據(jù)同化將觀測(cè)數(shù)據(jù)與地球動(dòng)力模型有效地結(jié)合起來(lái)，成為連接觀測(cè)數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)模型預(yù)測(cè)的關(guān)鍵橋梁，得到更加客觀的結(jié)果，而傳統(tǒng)的反演算法則是對(duì)單一來(lái)源、單一時(shí)刻的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，反演結(jié)果的質(zhì)量直接由遙感數(shù)據(jù)和反演算法決定。全球環(huán)境變化研究的迫切性和數(shù)據(jù)同化本身的優(yōu)越性極大地帶動(dòng)了數(shù)據(jù)同化的發(fā)展，數(shù)據(jù)同化算法在不斷完善過(guò)程中也在引入新的數(shù)學(xué)研究成果，展示出創(chuàng)新發(fā)展的潛力。
1.1 全球變化研究與數(shù)據(jù)同化
由于人類活動(dòng)的影響，21 世紀(jì)溫室氣體和硫化物氣溶膠的濃度急速增加，據(jù)科學(xué)家預(yù)測(cè)，未來(lái)50～100 年人類將進(jìn)入一個(gè)變暖的世界。未來(lái)100 年，全球、東亞地區(qū)和我國(guó)的溫度將迅速上升，全球平均地表溫度將上升1.4～5.8 ℃，到2050 年，我國(guó)平均氣溫將上升2.2 ℃，全球氣候升溫，地下水水位下降，糧食減產(chǎn)，從而造成海平面升高，沿海地區(qū)被淹沒，生態(tài)環(huán)境退化，給人類生存條件帶來(lái)潛在的影響。我國(guó)基本國(guó)情是人口多、底子薄，用世界7.9%的耕地和6.5%的淡水資源養(yǎng)活著世界近20%的人口。全球變暖對(duì)于支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的脆弱生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的影響還具有一定的不確定性，應(yīng)對(duì)全球變暖是我國(guó)在2020 年實(shí)現(xiàn)小康社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)之一。在全球變暖背景條件下，利用盡可能多的空間對(duì)地觀測(cè)資料，增加對(duì)全球變化和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)認(rèn)識(shí)，為幫助國(guó)家解決好我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境，資源能源出現(xiàn)的"不平衡、不協(xié)調(diào)和不可持續(xù)"區(qū)域可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題提供支撐。
為了監(jiān)測(cè)并預(yù)測(cè)全球環(huán)境變化，以1999 年12 月開始實(shí)施的地球觀測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃和2003年開始構(gòu)建的全球環(huán)境及安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃作為標(biāo)志，全球環(huán)境變化研究進(jìn)入一個(gè)以探測(cè)全球變化為目標(biāo)的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)同化和模擬計(jì)算的新發(fā)展階段。2005 年11 月召開的第三次國(guó)際地球觀測(cè)峰會(huì)，通過(guò)了建立全球綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)共同應(yīng)對(duì)全球氣候變化、提升綜合定量處理對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)水平和推動(dòng)對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)共享的宣言。我國(guó)是全球綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)的主要成員，與其他成員國(guó)提供空間對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)共享服務(wù)，攜手共同應(yīng)對(duì)全球變化和區(qū)域可持續(xù)、均衡發(fā)展問(wèn)題。我國(guó)各種分辨率的空間對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)積累了40 多年，對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)已經(jīng)發(fā)展到七種系列，包括氣象衛(wèi)星系列、海洋衛(wèi)星系列、中巴地球資源衛(wèi)星系列、災(zāi)害與環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)衛(wèi)星星座系統(tǒng)、探月工程――嫦娥系列、北京1 號(hào)小衛(wèi)星和天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)，并且與多個(gè)擁有對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的國(guó)家簽署衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取協(xié)議或使用協(xié)議，具備了接收超過(guò)15 顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的能力，包括密云、喀什和三亞等地面接收站網(wǎng)。IGARSS 2012 年德國(guó)慕尼黑學(xué)術(shù)會(huì)議將重點(diǎn)聚焦在應(yīng)對(duì)全球氣候變化，專門設(shè)立了四個(gè)科學(xué)主題：地球過(guò)程動(dòng)力和氣候變化、數(shù)據(jù)同化、綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)和新衛(wèi)星計(jì)劃。
為應(yīng)對(duì)全球變化與區(qū)域可持續(xù)、均衡發(fā)展問(wèn)題提供和持續(xù)的技術(shù)支持是地球科學(xué)和空間對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域需要突破的技術(shù)難點(diǎn)和長(zhǎng)期任務(wù)，需要共同努力完成。
從需求層面看，全球變化動(dòng)態(tài)過(guò)程模型和參量估計(jì)在支持區(qū)域可持續(xù)發(fā)展方面具有需求的普遍性。我國(guó)對(duì)全球變暖資料產(chǎn)品和核心關(guān)鍵技術(shù)突破的需求主要來(lái)自三個(gè)方面：為國(guó)家應(yīng)對(duì)全球變暖決策提供科技支撐；為不同部門運(yùn)行系統(tǒng)提供與全球變暖背景相關(guān)的信息產(chǎn)品，改善運(yùn)行系統(tǒng)質(zhì)量；國(guó)家制定與全球環(huán)境變化相關(guān)的重大科技計(jì)劃時(shí)，需要對(duì)全球變暖信息產(chǎn)品和信息平臺(tái)提出需求。從應(yīng)用層面看，數(shù)據(jù)同化適合于大氣、海洋和陸面
系統(tǒng)或耦合模型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)估算與分析，也是我國(guó)制定的國(guó)家全球變化相關(guān)重大科技計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)內(nèi)容。為此，"十二五"期間需要加強(qiáng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)的聯(lián)合攻關(guān)，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，加快將我國(guó)低端數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)提升到高端信息產(chǎn)品和服務(wù)能力，邁向從數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)提升到模型預(yù)測(cè)決策信息服務(wù)的新臺(tái)階，主要包括以下兩點(diǎn)。
(1) 在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字地球科學(xué)平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程模型、同化算法、驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)化共享。數(shù)據(jù)同化是在陸面、海面和大氣過(guò)程模型或耦合模型框架基礎(chǔ)上完成的，通過(guò)數(shù)據(jù)同化可以修正過(guò)程模型的模擬預(yù)測(cè)軌跡，也可以獲得其他不能直接觀測(cè)或當(dāng)前不具備觀測(cè)條件的參量。
(2) 按國(guó)際全球變化建議的54 種基礎(chǔ)參量產(chǎn)品，開發(fā)和引進(jìn)評(píng)價(jià)信息產(chǎn)品，生成物理模型和統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)信息產(chǎn)品加工流程的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢驗(yàn)。空間對(duì)地觀測(cè)和反演的五十多個(gè)基礎(chǔ)參量涉及地球系統(tǒng)的大氣、海洋和陸地等系統(tǒng)，包括大氣溫度、風(fēng)速風(fēng)向、水汽、壓力、降雨、表層輻射通量、溫度、云性質(zhì)、太陽(yáng)輻射通量、二氧化碳、甲烷、臭氧和氣溶膠、其他長(zhǎng)壽命溫室氣體等大氣參數(shù)，海洋表層溫度、鹽度、水位、海浪、浮冰、表流、水色、二氧化碳顆粒壓強(qiáng)、酸度等海洋參數(shù)，徑流、反照度、土壤水分、雪水當(dāng)量等地表參數(shù)。
陸地是地球系統(tǒng)的重要組成部分，陸面過(guò)程模型模擬地表的生物/物理變化過(guò)程，加深人們對(duì)地表變化的理解，是全球環(huán)境變化的重要模型之一。數(shù)據(jù)同化作為檢驗(yàn)、改善陸面過(guò)程模型的重要方法，在全球變化研究中具有極大的重要性，主要表現(xiàn)在以下兩方面：
(1) 數(shù)據(jù)同化利用觀測(cè)數(shù)據(jù)不斷降低過(guò)程模型模擬過(guò)程中的不確定性，使得模型模擬預(yù)測(cè)結(jié)果更接近真實(shí)情況。
(2) 觀測(cè)的物理參量與其他地表狀態(tài)參量之間通常有復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)同化可以獲得許多沒有技術(shù)條件觀測(cè)到的狀態(tài)參量。例如，土壤水分對(duì)于全球的能量和水分平衡起到重要作用，但是通常我們只能獲得表層的土壤水分，對(duì)于根區(qū)和底層的土壤水分必須通過(guò)不同深度之間的土壤水分函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到。又如海水鹽度也是海洋過(guò)程模型中不可或缺的物理參量，但是大尺度區(qū)域的海水鹽度需要從海流、海冰和溫度等狀態(tài)中估算。
為了推動(dòng)全球變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享，國(guó)際上相繼開展了一系列同化運(yùn)行系統(tǒng)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)模型、算法和數(shù)據(jù)共享的研究。其中，以美國(guó)國(guó)家航空與航天局哥達(dá)德空間飛行中心、美國(guó)國(guó)家海洋大氣局的國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和水文科學(xué)部、普林斯頓大學(xué)、華盛頓大學(xué)開發(fā)的北美陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(North-America Land Data Assimilation System，NLDAS；Luo et al.，2003)和全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(Global Land Data Assimilation System，GLDAS；Rodell et al.，2004)為典型代表。NLDAS 和GLDAS 數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)集成了MOSAIC 模型、NOAH 模型、SAC 模型和VIC 模型等四種陸面過(guò)程模型，主要利用三維變分算法和集合卡爾曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，旨在提供北美和全球范圍多種參量、高時(shí)空分辨率的陸面過(guò)程參量產(chǎn)品。
1.2 數(shù)據(jù)同化基本構(gòu)成
由于數(shù)據(jù)同化可以應(yīng)用于地球系統(tǒng)科學(xué)研究的多個(gè)領(lǐng)域，因此不同領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)數(shù)據(jù)同化的內(nèi)涵與外延有各自的表述(Robinson and Lermusiaux，2000；黃春林和李新，2004；李新和黃春林，2004；宮鵬，2009；李新和擺玉龍，2010)。Robinson 和Lermusiaux 認(rèn)為數(shù)據(jù)同化是一種對(duì)海洋變量進(jìn)行估計(jì)的通用方法，它聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)和海洋學(xué)動(dòng)態(tài)模型提供的海洋變量估計(jì)值，而這是其他方法所不具備的(Robinson and Lermusiaux，2000)。李新認(rèn)為陸面數(shù)據(jù)同化是集成多源地理空間數(shù)據(jù)的新思路，其核心思想是把不同來(lái)源、不同分辨率、直接和間接的觀測(cè)數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果集成，生成具有時(shí)間一致性、空間一致性和物理一致性的各種地表狀態(tài)的數(shù)據(jù)集，并且認(rèn)為在陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)上發(fā)展起來(lái)的陸地信息系統(tǒng)將會(huì)發(fā)展為未來(lái)GIS 中的重要工具(李新和黃春林，2004；黃春林和李新，2004；李新和擺玉龍，2010)。宮鵬定義數(shù)據(jù)同化是在考慮數(shù)據(jù)時(shí)空分布和對(duì)模型、觀測(cè)做出誤差估計(jì)的基礎(chǔ)上，在數(shù)值模型的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中融合新的觀測(cè)數(shù)據(jù)的方法，其目的是生成具有時(shí)間、空間和物理一致性的數(shù)據(jù)集，他認(rèn)為遙感數(shù)據(jù)的引入可以輔助改善環(huán)境模型的模擬精度，尤其是在提高模型對(duì)參數(shù)的空間不均一分布(異質(zhì)性)的模擬方面，同時(shí)數(shù)據(jù)同化也可以改善遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度(宮鵬，2009)。上述定義方法表述有差異，但所描述的數(shù)據(jù)同化本質(zhì)是一樣的，總結(jié)上述定義數(shù)據(jù)同化包括4 個(gè)基本要素：模擬自然界真實(shí)過(guò)程的動(dòng)力模型；狀態(tài)量的直接或間接觀測(cè)數(shù)據(jù)；不斷將新觀測(cè)的數(shù)據(jù)融入過(guò)程模型計(jì)算中、校正模型參數(shù)、提高模型模擬精度的數(shù)據(jù)同化算法；驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)行的基礎(chǔ)參量數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)同化技術(shù)不同于一般的遙感數(shù)據(jù)反演或特征提取技術(shù)，是幫助研究地球系統(tǒng)復(fù)雜問(wèn)題的工具(Daley，1991)。經(jīng)過(guò)資料調(diào)研和對(duì)主要國(guó)家的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)剖析后，將數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)概括為一個(gè)框架和四個(gè)基本要素構(gòu)成(Reichle，2008；Gao et al.，2009；馬建文和秦思嫻，2012)。一個(gè)框架是陸面過(guò)程動(dòng)力模型，數(shù)據(jù)同化就是在模型的動(dòng)力框架內(nèi)完成的；四個(gè)基本要素包括過(guò)程驅(qū)動(dòng)模型、觀測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)同化算法和驅(qū)動(dòng)過(guò)程模型運(yùn)行所必須的基礎(chǔ)參量。本書所用到的數(shù)據(jù)同化基本構(gòu)成如圖1.1 所示。
本書所選擇的四個(gè)基本要素及其作用如下：
(1) 陸面過(guò)程驅(qū)動(dòng)模型，陸面過(guò)程驅(qū)動(dòng)模型是數(shù)據(jù)同化核心。書中選擇的是VIC 水文過(guò)程模型，VIC 水文過(guò)程模型被認(rèn)為是當(dāng)前比較成熟的模型之一。
(2) 基礎(chǔ)參量，驅(qū)動(dòng)陸面過(guò)程模型需要的基礎(chǔ)參量，描述研究區(qū)域內(nèi)氣候、土壤和植被特性的參數(shù)，主要包括反照率、土壤類型、高程等參數(shù)。
(3) 數(shù)據(jù)同化算法，包括以三維變分算法、四維變分算法和集合卡爾曼濾波算法為代表的經(jīng)典數(shù)據(jù)同化算法，以及以粒子濾波和層狀貝葉斯方法為代表的前沿探索方法。
(4) 觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)與待同化狀態(tài)參量之間的一致性，數(shù)據(jù)同化通常可以分為直接同化和間接同化兩類：一類是利用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)或者遙感反演產(chǎn)品直接進(jìn)行同化，即直接同化；另一類是直接利用遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同化，即間接同化，此時(shí)往往需要輻射傳輸模型或者其他模型表示觀測(cè)數(shù)據(jù)與狀態(tài)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。
將數(shù)據(jù)同化劃分為一個(gè)框架和四個(gè)獨(dú)立要素的好處是多方面的。一是將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化條理化，便于通過(guò)簡(jiǎn)明途徑認(rèn)識(shí)問(wèn)題本質(zhì)；二是便于利用"黑箱"原理開展大量的實(shí)驗(yàn)，包括驅(qū)動(dòng)模型與同化算法實(shí)驗(yàn)，診斷克服交聯(lián)問(wèn)題，逐步達(dá)到協(xié)同計(jì)算的狀態(tài)；三是在開展的大量驅(qū)動(dòng)模型與基礎(chǔ)參量，同化算法與觀測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，幫助診斷克服優(yōu)化組合和參數(shù)調(diào)整中的問(wèn)題，思考解決問(wèn)題的正確方向，逐步獲得更好的數(shù)據(jù)同化效果。
1.3 數(shù)據(jù)同化算法分類
數(shù)據(jù)同化算法作為數(shù)據(jù)同化的重要組成部分，是連接觀測(cè)數(shù)據(jù)與模型模擬預(yù)測(cè)的關(guān)鍵核心部分。通過(guò)數(shù)據(jù)同化算法將新觀測(cè)參量不斷加入到驅(qū)動(dòng)模型計(jì)算中，有效地校正了模型模擬軌跡，使之更貼近實(shí)際(Reichle，2008)，如圖1.2 所示。圖中橫軸表示時(shí)間，縱軸表示狀態(tài)值，淺灰色實(shí)心點(diǎn)表示觀測(cè)數(shù)據(jù)，淺灰色實(shí)線表示觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差，虛線表示模型的狀態(tài)預(yù)測(cè)軌跡，黑色實(shí)線和淺色實(shí)線分別表示利用兩種同化算法得到的校正后的狀態(tài)量軌跡。
按數(shù)據(jù)同化算法與模型之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制，數(shù)據(jù)同化算法大致可分為順序數(shù)據(jù)同化算法和連續(xù)數(shù)據(jù)同化算法兩大類。連續(xù)數(shù)據(jù)同化算法定義一個(gè)同化的時(shí)間窗口T，利用該同化窗口內(nèi)的所有觀測(cè)數(shù)據(jù)和模型狀態(tài)值進(jìn)行估計(jì)，通過(guò)迭代而不斷調(diào)整模型初始場(chǎng)，最終將模型軌跡擬合到在同化窗口周期內(nèi)獲取的所有觀測(cè)上，如三維變分和四維變分算法等。圖1.2 中淺色實(shí)線表示利用連續(xù)數(shù)據(jù)同化算法校正后的模型預(yù)測(cè)軌跡，任意t 時(shí)刻的狀態(tài)量是根據(jù)[t?T， t+T ]時(shí)間內(nèi)所有觀測(cè)值對(duì)模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行校正得到的。當(dāng)觀測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值相差較小時(shí)，校正后的軌跡與初始模型預(yù)測(cè)軌跡相差不大，若觀測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值相差較大，則校正后的軌跡與初始模型預(yù)測(cè)軌跡也相差較大。
順序數(shù)據(jù)同化算法又稱濾波算法(Mathieu and Alano'Neill，2008)，包括預(yù)測(cè)和更新兩個(gè)過(guò)程，預(yù)測(cè)過(guò)程根據(jù)t 時(shí)刻狀態(tài)值初始化模型，不斷向前積分直到有新的觀測(cè)值輸入，預(yù)測(cè)t+1 時(shí)刻模型的狀態(tài)值；更新過(guò)程則是對(duì)當(dāng)前t+1 時(shí)刻的觀測(cè)值和模型狀態(tài)預(yù)測(cè)值進(jìn)行加權(quán)，得到當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)值，其中權(quán)重根據(jù)二者的誤差確定。根據(jù)當(dāng)前t+1 時(shí)刻的狀態(tài)值對(duì)模型重新初始化，重復(fù)上述預(yù)測(cè)和更新兩個(gè)步驟，直到完成所有有觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)刻的狀態(tài)預(yù)測(cè)和更新，常見的算法有集合卡爾曼濾波和粒子濾波算法等。圖1.2 中淺色實(shí)線表示利用順序數(shù)據(jù)同化算法校正后的模型預(yù)測(cè)軌跡，若t 時(shí)刻有觀測(cè)值，利用觀測(cè)值校正模型預(yù)測(cè)值，模型預(yù)測(cè)軌跡在t 時(shí)刻發(fā)生跳躍。
1.4 陸面數(shù)據(jù)同化研究進(jìn)展
數(shù)據(jù)同化最早應(yīng)用于大氣和海洋領(lǐng)域，陸面數(shù)據(jù)同化是同化方法應(yīng)用到地球表層科學(xué)和水文學(xué)中而迅速發(fā)展起來(lái)的新方法，它作為獨(dú)立的領(lǐng)域出現(xiàn)是在1995 年之后(Reichle，2008)。雖然陸面數(shù)據(jù)同化起步相對(duì)較晚，但是它在大氣和海洋數(shù)據(jù)同化基礎(chǔ)、陸面過(guò)程模型的發(fā)展以及遙感觀測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，在過(guò)去的20 年間取得了極大的研究進(jìn)展。當(dāng)前，陸面數(shù)據(jù)同化當(dāng)前陸面數(shù)據(jù)同化的研究主要集中在陸面模型和水文模型基礎(chǔ)上，采用不同的數(shù)據(jù)同化算法同化地表觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星和雷達(dá)數(shù)據(jù)，優(yōu)化地表和根區(qū)土壤水分、溫度、地表能量通量等的估算。
目前國(guó)內(nèi)外較為成功的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)有以下三種。
1.北美陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)和全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)
北美陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)和全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)項(xiàng)目于1998 年啟動(dòng)，主要以北美洲大陸(包括美國(guó)全部、墨西哥和加拿大部分地區(qū))和全球兩個(gè)不同尺度的陸面狀態(tài)和通量的建模為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)利用陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)提供全球和區(qū)域性的陸面同化數(shù)據(jù)集。NLDAS 和GLDAS 系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)家航空與航天局哥達(dá)德空間飛行中心(NASA，GSFC)、美國(guó)國(guó)家海洋大氣局的國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NOAA，NCEP)和水文科學(xué)部、普林斯頓大學(xué)、華盛頓大學(xué)聯(lián)合開發(fā)。GLDAS 和NLDAS 集成了4 種陸面過(guò)程模型(CLM、MOSIC、NOAH、VIC)；參與同化的基礎(chǔ)參量包括土壤、植被、生物方面的多種參量；集成多種同化算法；觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源包括地面測(cè)試數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)。其中，NLDAS 空間分辨率為1/8°1/8°，時(shí)間分辨率為1h；GLDAS 的空間分辨率為1/4°1/4°，時(shí)間分辨率為3h。
2.歐洲陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)
歐洲陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(European Land Data Assimilation System to Predict Floods and Droughts，ELDAS)是歐盟資助項(xiàng)目，由ECMWF、DWD 和CNRM/Meteo France 共同組建，于2001 年12 月1 日正式啟動(dòng)。該項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)環(huán)境下的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)同化系統(tǒng)，評(píng)價(jià)歐洲陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(ELDAS)對(duì)于水文預(yù)報(bào)(洪水、季節(jié)性干旱)的改進(jìn)效果。歐洲陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(ELDAS)最終
