国家重点研发计划
海洋数值预报云计算技术研究及应用示范：面向云架构的海洋数据同化关键技术研究
起止时间：2018.08 - 2021.12
负责人：张卫民
简介：针对我国海洋数值预报在海洋数据、应用软件和高性能计算资源互联互通共享方面的迫切需求，围绕如何在云架构下高效实现海洋数值预报这一关键科学问题，探索运用云计算实现海洋数值预报新途径，突破5项关键技术，即云架构下高效的海气耦合数值预报模式、云架构下高效的海洋数据同化、云架构下海洋预报系统运行特性评估、基于“互联网+”的海洋数值预报计算云和基于“互联网+”的海洋环境大数据存储云；构建4个系统，即云架构下海洋数值预报服务系统、数值模式自动优化分析系统、海洋数值预报计算云和海洋环境大数据存储云；在此基础上，提供2项应用服务，即服务于海洋环境安全保障业务用户的南海区域海洋数值预报云技术应用示范和服务于研究用户的云架构下海洋数值预报e-OceanScience研究环境。
区域高分辨率多圈层耦合资料同化系统
起止时间：2022.01 - 2024.12
负责人：张卫民
简介：针对军民海洋环境安全保障对区域多圈层耦合资料同化迫切需求，开展自主新型混合资料同化方法研究和新型海洋观测资料同化应用支撑技术攻关，实现支持多用户协同研发的自主大气-海洋-陆面耦合资料同化集成框架，构建区域高分辨率和岛礁周边超高分辨率嵌套海洋多源观测资料同化系统，以及区域高分辨率多圈层耦合资料同化系统，实现海洋卫星遥感、新型海洋水文观测、声信息观测资料的有效联合同化应用，实现大规模高效并行计算并满足业务系统时效要求，使自主预报系统预报水平有显著提升，实现重点海区自主同化技术和业务预报能力的超越。
面向中小尺度大气海洋过程新型同化支持、多源新型海洋资料有效利用、模式误差跨圈层传递，以及自主高分辨率海洋模式同化系统设计等问题，突破非线性混合海洋资料同化方法和新型海洋观测资料同化应用支撑技术，构建大气-海洋-陆面耦合资料同化集成框架，研制区域高分辨率和岛礁周边超高分辨率嵌套海洋多源观测资料同化系统和区域高分辨率多圈层耦合资料同化系统。
国家自然科学基金
隐式等权重粒子滤波及其在海洋资料同化中的应用研究
起止时间：2017.01 - 2020.12
负责人：张卫民
简介：数值天气预报模式的时间和空间分辨率越来越高，其非线性程度也随之不断增强。现在的资料同化方法，比如变分同化方法和集合卡尔曼滤波方法，通过搜索模式状态的后验概率分布的特定统计量进行资料同化，并不能准确描述模式状态的后验概率密度分布。粒子滤波通过蒙特卡洛方法可以准确描述模式状态的后验概率密度分布，申请人团队成员与英国雷丁大学Peter Jan van Leeuwen教授最近合作提出的隐式等权重粒子滤波方法解决了粒子滤波中难以解决的“维数灾难”问题。通过对隐式等权重粒子滤波中若干未解决的科学问题的研究，解决隐式等权重粒子滤波中参数选择、模式误差协方差建模以及该方法在低维系统中的偏差问题。利用在高维非线性地球物理系统中实现隐式等权重粒子滤波资料同化，研究隐式等权重粒子滤波的表现和特性。同时，在海洋数值模式ROMS中率先实现隐式等权重粒子滤波资料同化方法，解决粒子滤波方法在实际业务应用中需要解决的科学和技术问题，实现粒子滤波的业务应用。
基于集合分析的流依赖背景场误差协方差模型研究
起止时间：2014.01 - 2017.12
负责人：张卫民
简介：针对现有全球四维变分资料同化的背景误差协方差模型的不足，结合集合分析和球面小波的优势研究流依赖背景误差协方差模拟方法。首先利用观测和物理过程趋向扰动研究能够合理模拟背景预报误差来源的集合分析方法，评估将集合分析的短期预报场作为背景误差统计样本的合理性；其次根据有限集合采样误差的统计特征，研究和实现背景误差样本的偏差订正和噪声滤波等预处理技术；然后研究流依赖的球面小波背景误差协方差矩阵模型，包括平衡系数、背景误差方差、以及依赖于小波尺度和水平位置的局地垂直相关协方差的均方根矩阵及其伴随矩阵等模型参数的估计。在此基础上，实现采用流依赖小波背景误差协方差的全球四维变分同化试验系统，评估模型的流依赖、各向异性和位置相关等特性，研究对于改善中小尺度高危天气预报的有效性和优越性。
基于小波的背景误差协方差模型研究
起止时间：2008.01 - 2010.12
负责人：张卫民
简介：背景场误差协方差在气象资料变分同化中起十分关键的作用，决定观测信息从观测位置向周围格点和垂直层的扩散。当前许多变分同化系统的背景协方差模型普遍假设误差满足均匀性和各向同性的条件。本项目利用正交小波和球面小波同时具有物理格点空间和谱空间的局部特性和多尺度分析的特性，研究非均匀、各向异性和不可分离的背景场误差协方差模型。具体内容包括：研究大气要素场在小波空间中的统计方法和统计特征，实现小波方差对背景协方差中固有的不可分性、非均匀性和各向异性等特征的正确刻画；研究正交小波和球面小波分别对区域和全球模式中大气物理场的表示技术，设计基于小波变换的背景场误差协方差模型，建立基于小波的三维变分资料同化原型系统。分析小波变换方法在刻画统计特征、提高分析场质量和延长可预报时效等方面的作用。基于小波的协方差模型能更好反映真实背景误差的特征，对提高变分同化的分析效果具有重要意义。