Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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제19권E2호
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pp.75-81
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2003
Variational data assimilation, which is recently introduced to the air quality modeling, is a promising tool for obtaining optimal estimates of initial conditions and other important parameters such as emission and deposition rates. In this paper. two advanced techniques for variational data assimilation, based on the adjoint and quasi-inverse methods, are tested for a simple air quality problem. The four-dimensional variational assimilation (4D-Var) requires to run an adjoint model to provide the gradient information in an iterative minimization process, whereas the inverse 3D-Var (I3D-Var) seeks for optimal initial conditions directly by running a quasi -inverse model. For a process with small dissipation, I3D-Vu outperforms 4D-Var in both computing time and accuracy. Hybrid application which combines I3D-Var and standard 4D-Var is also suggested for efficient data assimilation in air quality problems.
In this paper, a brief overview on data assimilation is provided in the context of oceanographic application. The ocean data assimilation needs to ingest various types of data such as satellites and floats, thus essentially requires dynamically-consistent assimilation methods. For such purpose, sequential and variational approaches are discussed and compared. The major advantage of the Kalman filter (KF) is that it can forecast error covariances at each time step. However, for models with very large dimension of state vector, the KF Is exceedingly expensive and computationally less efficient than four-dimensional variational assimilation (4D-Var). For operational application, simplified 4D-Var schemes as well as ensemble KF may be considered.
In this study, a three-dimensional variational(3DVAR) data assimilation system was developed for the operational numerical weather prediction(NWP) system at the Republic of Korea Air Force Weather Group. The Air Force NWP system utilizes the Weather Research and Forecasting(WRF) meso-scale regional model to provide weather information for the military service. Thus, the data assimilation system was developed based on the WRF model. Experiments were conducted to identify the nested model domain to assimilate observations and the period appropriate in estimating the background error covariance(BEC) in 3DVAR. The assimilation of observations in domain 2 is beneficial to improve 24-h forecasts in domain 3. The 24-h forecast performance does not change much depending on the estimation period of the BEC in 3DVAR. The results of this study provide a basis to establish the operational data assimilation system for the Republic of Korea Air Force Weather Group.
Wind power energy is one of the favorable and fast growing renewable energies. It is most important for exact analysis of wind to evaluate and forecast the wind power energy. The purpose of this study is to improve the performance of numerical atmospheric model by data assimilation over a complex coastal area. The benefit of the profiler is its high temporal resolution and dense observation data at the lower troposphere. Three wind profiler sites used in this study are inhomogeneously situated near south-western coastal area of Korean Peninsula. The method of the data assimilation for using the profiler to the model simulation is the three-dimensional variational data assimilation (3DVAR). The experiment of two cases, with/without assimilation, were conducted for how to effect on model results with wind profiler data. It was found that the assimilated case shows the more reasonable results than the other case compared with vertical observation and surface Automatic Weather Station(AWS) data. Although the effect of sonde data was better than profiler at a higher altitude, the profiler data improves the model performance at lower atmosphere. Comparison with the results of 4 June and 5 June suggests that the efficiency with hourly assimilated profiler data is strongly influenced by synoptic conditions. The reduction rate of Normalized Mean Error(NME), mean bias normalized by averaged wind speed of observation, on 4 June was 28% which was larger than 13% of 5 June. In order to examine the difference in wind power energy, the wind power density(WPD) was calculated and compared.
A constraint based on climatology is introduced to the cost function of the three-dimensional variational assimilation (3dVar) to correct the error of the zonal mean wind structure in the global data assimilation system at Korea Meteorological Administration (KMA). The revised cost function compels the analysis fit to the chosen climatology while keeping the balance between the variables in the course of analysis. The constraint varies selectively with the vertical level and the horizontal scale of the motion. The zonally averaged wind field from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Re-Analysis 40 (ERA-40) is used as a climatology field in the constraint. The constraint controls only the zonally averaged stratospheric long waves with total wave number less than 20 to fix the error of the large scale wind field in the stratosphere. The constrained 3dVar successfully suppresses the erroneous westerly in the stratospheric analysis promptly, and has been applied on the operational global 3dVar system at KMA.
Park, Soon-Young;Lee, Hwa-Woon;Lee, Soon-Hwan;Kim, Dong-Hyeok
Asian Journal of Atmospheric Environment
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제4권3호
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pp.198-210
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2010
Precise analysis of local winds for the prediction of atmospheric phenomena in the planetary boundary layer is extremely important. In this study, wind profiler data with fine time resolution and density in the lower troposphere were used to improve the performance of a numerical atmospheric model of a complex coastal area. Three-dimensional variational data assimilation (3DVAR) was used to assimilate profiler data. Two experiments were conducted to determine the effects of the profiler data on model results. First, we performed an observing system experiment. Second, we implemented a sensitivity test of data assimilation intervals to extend the advantages of the profiler to data assimilation. The lowest errors were observed when using both radio sonde and profiler data to interpret vertical and surface observation data. The sensitivity to the assimilation interval differed according to the synoptic conditions when the focus was on the surface results. The sensitivity to the weak synoptic effect was much larger than to the strong synoptic effect. The hourly-assimilated case showed the lowest root mean square error (RMSE, 1.62 m/s) and highest index of agreement (IOA, 0.82) under weak synoptic conditions, whereas the statistics in the 1, 3, and 6 hourly-assimilated cases were similar under strong synoptic conditions. This indicates that the profiler data better represent complex local circulation in the model with high time and vertical resolution, particularly when the synoptic effect is weak.
본 연구에서는 전구 해양에서 관측되는 ARGO및 TAO해양 자료를 이용하여 해양의 3차원적인 구조를 분석.동화하고 궁극적으로 해양대순환모형을 위한 초기장을 생산하였다. 초기장의 생산을 위하여 전구 해양대순환 모형인 MOM3.1을 이용하였으며 생산한 배경장에, 계산시간과 계산공간을 절약할 수 있는 공간필터를 사용한 변분법(VAF, variational analysis using filter)을 이용하여 ARGO와 TAO 수온 자료를 동화하였다. 또한 본 연구에서는 자료 동화가 미치는 지속적인 영향을 살펴보고자 실험적분을 수행하였는데, 모형의 초기입력 자료를 자료동화 기법을 적용한 경우와 적용하지 않은 두 가지로 나누어 비교 실험을 수행하였다. 본 연구에서 자료 동화된 분석장은 OISST와의 비교를 통해 적절히 생산되었음을 보여주었다. 관측자료를 동화한 분석장을 초기자료로 한 10개월간의 적분결과를 살펴보면, 자료 동화를 통해 제거된 모형의 계통적 bias가 적분이 진행되는 과정에서 관성 중력파 등의 형태로 소멸되지 않고 지속적으로 관측과 유사하게 유지되었다. 이는 본 연구에서 실행한 자료동화가 모형의 역학적인 균형을 유지하면서 적절히 이루어졌음을 의미하며, 전구 대순환 모형을 이용한 중.장기 대기.해양 예측에 이러한 해양 자료동화가 대단히 유용하다는 것을 의미한다.
The effect of 3DVAR (Three Dimension Variational data Assimilation) was examined by comparing observation and the simulations of CNTL (to which data assimilation was not applied) and ALL (to which data assimilation was applied using ground observation data and radar data) for the case of a heavy snowfall event (case A) of 11-12 February 2011 in the Yeongdong region. In case A, heavy snow intensively came in the Yeongdong coastal region rather than Daegwallyeong, in particular, around the Gangneung and Donghae regions with total precipitation in Bukgangneung at approximately 91 mm according to the AWS observation. It can be seen that compared to CNTL, ALL simulated larger precipitation along the Yeongdong coastline extending from Sokcho to Donghae while simulating smaller precipitation for inland areas including Daegwallyeong. On comparison of the total accumulated precipitations from simulations of CNTL and ALL, and the observed total accumulated precipitation, the positive effect of the assimilation of ground observation data and radar data could be identified in Bukgangneung and Donghae, on the other hand, the negative effect of the assimilation could be identified in the Daegwallyeong and Sokcho regions. In order to examine the average accuracy of precipitation prediction by CNTL and ALL for the entire Gangwon region including the major points mentioned earlier, the three hour accumulated precipitation from simulations of CNTL and ALL were divided into 5, 10, 15, 20, 25 and 30 mm/3hr and threat Scores were calculated by forecasting time. ALL showed relatively higher TSs than CNTL for all threshold values although there were some differences. That is, when considered generally based on the Gangwon region, the accuracy of precipitation prediction from ALL was improved somewhat compared to that from CNTL.
This study examined the impact of assimilating the bending angle (BA) obtained via the global navigation satellite system radio occultation (GNSS RO) of the three new satellites (KOMPSAT-5, FY-3C, and FY-3D) on analyses and forecasts of a numerical weather prediction model. Numerical data assimilation experiments were performed using a three-dimensional variational data assimilation system in the Korean Integrated Model (KIM) at a 25-km horizontal resolution for August 2019. Three experiments were designed to select the height and quality control thresholds using the data. A comparison of the data with an analysis of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) integrated forecast system showed a clear positive impact of BA assimilation in the Southern Hemisphere tropospheric temperature and stratospheric wind compared with that without the assimilation of the three new satellites. The impact of new data in the upper atmosphere was compared with observations using the infrared atmospheric sounding interferometer (IASI). Overall, high volume GNSS RO data helps reduce the RMSE quantitatively in analytical and predictive fields. The analysis and forecasting performance of the upper temperature and wind were improved in the Southern and Northern Hemispheres.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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