JP4998039B2 - Observation data assimilation method - Google Patents
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Description
本発明はXBT(Expendable Bathythermograph:投下式水温水深計)等を用いて得られた海洋温度等の観測データを数値モデル等に基づいて算出された予測データに同化する観測データ同化方法に関する。 The present invention relates to an observation data assimilation method for assimilating observation data such as ocean temperature obtained using an XBT (Expendable Bathythermograph) or the like into prediction data calculated based on a numerical model or the like.
気象分野や海洋分野における予測システムでは、観測によって得られた観測データが最も重要である。しかしながら、観測データは、特に海洋の分野においては、空間的にも時間的にも離散的なデータであり、不均一なデータであるため、観測データのみでは大気や海洋の状況を理解することは困難である。 In the prediction system in the meteorological and marine fields, the observation data obtained by observation is the most important. However, observation data is discrete data both spatially and temporally, especially in the marine field, and it is non-uniform data. Have difficulty.
そこで、この観測データを最大限に活用して実際の海洋状況を正確に把握しようとする各種の試みがなされ、現在では観測データを内挿して数値モデル等に基づいて算出された予測データに同化することにより、精度の良い空間的に連続な修正予測データが生成されている。 Therefore, various attempts have been made to make the best use of this observation data to accurately grasp the actual ocean condition, and now it is assimilated into prediction data calculated based on a numerical model etc. by interpolating the observation data. As a result, highly accurate spatially continuous corrected prediction data is generated.
この観測データの内挿方法については様々な方法が考えられてきているが、現在に至るまで気象予測や海洋予測の分野で最も広く利用され、精度の面でも計算コストの面でも有効な方法の1つとして、最適内挿法が知られている。 Various methods have been considered for the interpolation of this observation data. To date, it has been most widely used in the field of weather forecasting and ocean forecasting, and is an effective method in terms of accuracy and calculation cost. As one, the optimal interpolation method is known.
最適内挿法は、観測データに含まれる測定誤差を考慮して、観測データ近傍に設定した各格子点における値(温度、塩分濃度、海流速度等)を推定する方法である。この最適内挿法では、各格子点における真値(但し、実際は観測できないために不明)と各格子点における推定値との誤差が最小となるように各格子点の値が推定される。 The optimal interpolation method is a method for estimating values (temperature, salinity concentration, ocean current velocity, etc.) at each lattice point set in the vicinity of the observation data in consideration of measurement errors included in the observation data. In this optimal interpolation method, the value of each grid point is estimated so that the error between the true value at each grid point (which is unknown because it cannot be actually observed) and the estimated value at each grid point is minimized.
従来の最適内挿法では、四次元の観測データ(空間三次、時間一次)に対し、離散値である鉛直方向の観測データを個別に補間して観測データ間の鉛直格子を揃え、その後、ある深度の水平面に着目して、時間的及び水平方向で観測データを最適内挿している。以下、このような手法を三次元最適内挿法と称す。 In the conventional optimal interpolation method, vertical observation data, which is discrete values, is interpolated individually for four-dimensional observation data (space cubic, temporal primary) to align the vertical grid between the observation data, and then there is Focusing on the horizontal plane of the depth, the observation data is optimally interpolated in the temporal and horizontal directions. Hereinafter, such a method is referred to as a three-dimensional optimal interpolation method.
従来、観測データの鉛直方向を先に補間し、その後、水平方向で最適内挿する手順が採用されている背景として、海洋の広い特性を見る場合、上記現状の手順で作成されるデータ精度で十分であると考えられていること、計算リソースを抑制できること、海洋の鉛直方向の変動特性がよく分かっていないために鉛直方向の空間スケールを考慮していないこと等が大きな理由となっている。 Conventionally, the vertical direction of observation data is interpolated first, and then the procedure for optimal interpolation in the horizontal direction is adopted. The main reasons are that it is considered sufficient, that computational resources can be constrained, and that the vertical spatial scale is not taken into account because the vertical fluctuation characteristics of the ocean are not well understood.
海洋において、水平方向の海水の流れは、鉛直方向の海水の流れよりも遥かに大きいことが観測により分かっており、黒潮を始めとする大きな海流や渦あるいは海洋循環モデルへの同化等、比較的広い海域を対象とする数値モデルから得られる予測データに観測データを同化させる場合は、上記三次元最適内挿法で十分な精度が得られる。 In the ocean, observations have shown that the horizontal seawater flow is much larger than the vertical seawater flow. When assimilating observation data with prediction data obtained from a numerical model covering a wide sea area, sufficient accuracy can be obtained by the above three-dimensional optimal interpolation method.
しかしながら、実際にXBT(Expendable Bathythermograph:投下式水温水深計)等により水温プロファイルを確認すると、局所的な変動として、鉛直方向において混合層の変化や薄い冷水塊等が現れることが確認されている。例えば、水中音響工学では、この鉛直方向の局所的な水温変動が海水内の音の伝搬に非常に大きな影響を与えることが数値計算により分かっている。そのため、水温の観測データのうち、鉛直方向の微小変動を考慮していない従来の三次元最適内挿法で生成した水温推定格子データ(予測データ)は、局所的な鉛直方向の海洋変動を重視する音波伝搬等の分野で使われる場合に、その精度が問題となる。 However, when the water temperature profile is actually confirmed by XBT (Expendable Bathythermograph) or the like, it has been confirmed that changes in the mixed layer, thin cold water masses, etc. appear in the vertical direction as local fluctuations. For example, in underwater acoustic engineering, it is known by numerical calculation that this local fluctuation in water temperature in the vertical direction has a very large influence on the propagation of sound in seawater. Therefore, the water temperature estimation grid data (predicted data) generated by the conventional three-dimensional optimal interpolation method that does not take into account minute vertical fluctuations in the water temperature observation data emphasizes local vertical ocean fluctuations. When used in fields such as sound wave propagation, the accuracy becomes a problem.
なお、観測データを内挿して数値計算で得られた予測データに同化する手法は、例えば特許文献1にも記載されている。特許文献1では、オペレータの手動による予報データの修正結果を、数値海洋モデルの予報結果に海洋の物理特性を破壊しない形で統合するための手法が開示されている。
上述したように、従来の最適内挿法を用いた観測データ同化方法では、先に個々の観測データに対して鉛直成分を補間して深度を揃え、その後、水平方向及び時間方向に最適内挿する手順を採用している。 As described above, in the conventional observation data assimilation method using the optimal interpolation method, the vertical component is first interpolated for each observation data to adjust the depth, and then the optimal interpolation is performed in the horizontal and temporal directions. The procedure to be adopted is adopted.
これは、現在、観測データの代表である、観測水温プロファイルデータの特徴として、鉛直方向に水温が大きく変化したところを特異点とし、該特異点の深度とその水温を観測データとしているものが多いため、各観測水温プロファイルで、この特異点の深度がバラバラなためである。 This is a characteristic of observation water temperature profile data that is representative of observation data at present. Many of the observation data use the singular point depth and the water temperature as the singular point where the water temperature changes greatly in the vertical direction. This is because the depth of this singular point varies in each observed water temperature profile.
すなわち、従来の観測データ内挿方法では、最初に鉛直方向に補間して代表深度を決定し、その後、代表深度における水平断面を最適内挿しているが、一般に代表深度と内挿に用いる各観測データの特異点深度は異なり、さらに各代表深度どうしには関連がないため、代表深度を特異点と同じ間隔程度に細かく設定しなければ観測水温プロファイルデータを再現できない。そのため、特に夏のように鉛直方向の変動が大きい海洋条件では、鉛直方向の局所的な水温変動を重視する場合に問題があった。 That is, in the conventional observation data interpolation method, the representative depth is first determined by interpolation in the vertical direction, and then the horizontal section at the representative depth is optimally interpolated. Since the singularity depth of the data is different and there is no relation between the representative depths, the observation water temperature profile data cannot be reproduced unless the representative depth is set to the same interval as the singularity. For this reason, there is a problem when emphasizing local water temperature fluctuations in the vertical direction, particularly in the ocean conditions where the vertical fluctuation is large, such as in summer.
本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、鉛直方向により高精度な予測データが得られる観測データ同化方法及び装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to provide an observation data assimilation method and apparatus capable of obtaining highly accurate prediction data in the vertical direction. .
上記目的を達成するため本発明の観測データ同化方法は、観測データを数値モデルから得られたデータに同化する観測データ同化方法であって、
前記観測データの平均的な変動の大きさを表す平均標準偏差及び前記観測データの取得海域の統計データを用いて鉛直方向のデータ変動の大きさの判断に用いる基準標準偏差を求め、
前記平均標準偏差が前記基準標準偏差以下の場合は、前記観測データの鉛直方向を先に補間し、その後、水平方向及び時間方向で最適内挿する三次元最適内挿法を用いて内挿処理を実行し、
前記平均標準偏差が前記基準標準偏差よりも大きい場合は、前記観測データの水平方向及び鉛直方向及び時間方向で最適内挿する四次元最適内挿法を用いて内挿処理を実行し、
前記三次元最適内挿法または前記四次元最適内挿法後のデータを前記数値モデルから得られたデータに同化する方法である。
In order to achieve the above object, the observation data assimilation method of the present invention is an observation data assimilation method for associating observation data with data obtained from a numerical model,
Using the average standard deviation representing the magnitude of the average fluctuation of the observation data and the statistical data of the acquisition sea area of the observation data to determine the standard standard deviation used to determine the magnitude of the vertical data fluctuation,
When the average standard deviation is less than or equal to the reference standard deviation, the vertical direction of the observation data is first interpolated, and then interpolated using a three-dimensional optimal interpolation method that optimally interpolates in the horizontal and temporal directions. Run
When the average standard deviation is larger than the standard standard deviation, an interpolation process is performed using a four-dimensional optimal interpolation method that optimally interpolates in the horizontal direction, vertical direction, and time direction of the observation data,
It is a method of assimilating the data after the three-dimensional optimal interpolation method or the four-dimensional optimal interpolation method into data obtained from the numerical model.
一方、本発明の観測データ同化装置は、観測データを数値モデルから得られたデータに同化する観測データ同化装置であって、
前記観測データの平均的な変動の大きさを表す平均標準偏差及び前記観測データの取得海域の統計データを用いて鉛直方向のデータ変動の大きさの判断に用いる基準標準偏差を求め、前記平均標準偏差が前記基準標準偏差以下の場合は、前記観測データの鉛直方向を先に補間し、その後、水平方向及び時間方向で最適内挿する三次元最適内挿法を用いて内挿処理を実行し、前記平均標準偏差が前記基準標準偏差よりも大きい場合は、前記観測データの水平方向及び鉛直方向及び時間方向で最適内挿する四次元最適内挿法を用いて内挿処理を実行し、前記三次元最適内挿法または前記四次元最適内挿法後のデータを前記数値モデルから得られたデータに同化する処理装置と、
前記観測データ、前記統計データ及び前記数値モデルから得られたデータが蓄積されるデータ蓄積装置と、
を有する。
On the other hand, the observation data assimilation device of the present invention is an observation data assimilation device that assimilate observation data into data obtained from a numerical model,
Using the average standard deviation representing the average fluctuation magnitude of the observation data and the statistical data of the sea area where the observation data was acquired, a standard standard deviation used to determine the magnitude of vertical data fluctuation is obtained, and the average standard If the deviation is less than or equal to the standard standard deviation, the vertical direction of the observation data is interpolated first, and then an interpolation process is performed using a three-dimensional optimal interpolation method that optimally interpolates in the horizontal and temporal directions. When the average standard deviation is larger than the reference standard deviation, an interpolation process is performed using a four-dimensional optimal interpolation method that optimally interpolates in the horizontal direction, vertical direction, and time direction of the observation data, A processing apparatus for assimilating the data after the three-dimensional optimal interpolation method or the four-dimensional optimal interpolation method into the data obtained from the numerical model;
A data storage device for storing the observation data, the statistical data, and data obtained from the numerical model;
Have
上記のような方法及び構成では、観測データの平均標準偏差が基準標準偏差よりも大きく鉛直方向のデータ変動が大きいと判断できる場合は四次元最適内挿法を用いて観測データの内挿処理を実行するため、観測水温プロファイルの特異点のデータをそのまま内挿に使用することが可能であり、夏場のような変動の大きい海洋環境においても、海洋の鉛直方向における水温の変動を格子データ上に表すことができ、より精度の高い予測データが得られる。 In the method and configuration as described above, when it can be determined that the average standard deviation of the observation data is larger than the reference standard deviation and the vertical data fluctuation is large, the observation data is interpolated using the four-dimensional optimal interpolation method. Therefore, the singularity data of the observed water temperature profile can be used for interpolation as it is, and even in a marine environment with large fluctuations such as in summer, the fluctuation of the water temperature in the vertical direction of the ocean is displayed on the grid data. And more accurate prediction data can be obtained.
また、平均標準偏差が基準標準偏差以下であり鉛直方向のデータ変動が小さいと判断できる場合は三次元最適内挿法を用いて観測データの内挿処理を実行するため、計算コストの上昇が抑制される。 In addition, if the average standard deviation is less than the standard standard deviation and it can be determined that the vertical data fluctuation is small, the observation data is interpolated using the three-dimensional optimal interpolation method, which suppresses the increase in calculation cost. Is done.
本発明によれば、鉛直方向のデータ変動が大きいと判断できる場合は四次元最適内挿法を用いて観測データの内挿処理を実行するため、より精度の高い予測データが得られる。また、鉛直方向のデータ変動が小さいと判断できる場合は三次元最適内挿法を用いて観測データの内挿処理を実行するため、計算コストの上昇が抑制される。 According to the present invention, when it can be determined that the data fluctuation in the vertical direction is large, the observation data is interpolated using the four-dimensional optimal interpolation method, so that more accurate prediction data can be obtained. Further, when it can be determined that the data fluctuation in the vertical direction is small, the observation data is interpolated using the three-dimensional optimal interpolation method, so that an increase in calculation cost is suppressed.
次に本発明について図面を参照して説明する。 Next, the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の観測データ同化装置の一構成例を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an observation data assimilation apparatus according to the present invention.
本発明の観測データ同化装置は、例えばコンピュータによって実現可能である。コンピュータは、例えば図1に示すように、プログラムにしたがって所定の処理を実行する処理装置10と、処理装置10に対してコマンドや情報等を入力するための入力装置20と、処理装置10の処理結果をモニタするための出力装置30とを有する構成である。
The observation data assimilation apparatus of the present invention can be realized by a computer, for example. For example, as shown in FIG. 1, the computer includes a
処理装置10は、CPU11と、CPU11の処理に必要な情報を一時的に記憶する主記憶装置12と、CPU11に後述する本発明の観測データ同化方法の処理を実行させるためのプログラムが記録された記録媒体13と、水温観測データや後述する品質管理済みデータ、あるいは水温気候データや水温予測データ等、本発明の観測データ同化装置を利用した海洋予測の処理に必要な各種データが格納されるデータ蓄積装置14と、主記憶装置12、記録媒体13及びデータ蓄積装置14とのデータ転送を制御するメモリ制御インタフェース部15と、入力装置2及び出力装置3とのインタフェース装置であるI/Oインタフェース部16とを有する構成である。CPU11と、メモリ制御インタフェース部15及びI/Oインタフェース部16とはバス18を介して接続されている。なお、処理装置1には、ネットワークを介してサーバやデータベースと情報を送受信するためのインタフェースである通信制御装置17を備えていてもよい。
The
処理装置1は、記録媒体13に記録されたプログラムにしたがって以下に記載する観測データ同化方法の処理を実行する。記録媒体13は、磁気ディスク、半導体メモリ、光ディスクあるいはその他の記録媒体であってもよい。
The processing device 1 executes processing of an observation data assimilation method described below according to a program recorded on the
なお、本発明の観測データ同化装置は、図1に示したコンピュータで実現する構成に限定されるものではなく、例えば論理回路等から構成されるLSI(Large Scale Integration)やDSP(Digital Signal Processor)等の半導体集積回路装置及びメモリ等によって実現してもよい。なお、図1ではデータ蓄積装置14を処理装置10内に備える構成を示しているが、データ蓄積装置14は処理装置10から独立して備えていてもよい。
Note that the observation data assimilation apparatus of the present invention is not limited to the configuration realized by the computer shown in FIG. 1, and is, for example, an LSI (Large Scale Integration) or DSP (Digital Signal Processor) composed of a logic circuit or the like. It may be realized by a semiconductor integrated circuit device such as a memory and a memory. Although FIG. 1 shows a configuration in which the
このような構成において、本発明の観測データ同化装置は、XBT等により計測された水温観測データから人為的な誤差等を取り除いて品質管理済みデータを生成し、該品質管理済みデータから特に変動の大きい混合層における平均標準偏差を算出する。さらに、統計データを利用して鉛直方向の水温変動の大きさの判断に用いる基準標準偏差を決定する。そして、観測データの平均標準偏差が基準標準偏差よりも大きい場合は鉛直方向の水温変動が大きいと判断し、後述する四次元最適内挿法を利用して内挿処理を実行する。また、鉛直方向の水温変動が小さいと判断した場合は上述した三次元最適内挿法を利用して内挿処理を実行する。各内挿法で処理した観測データは数値計算で得られた予測データにナッジング処理を施すことで同化し、修正予測データとして出力する。 In such a configuration, the observation data assimilation apparatus of the present invention generates quality-controlled data by removing artificial errors from the water temperature observation data measured by XBT, etc. Calculate the average standard deviation in the large mixed layer. Furthermore, the standard standard deviation used for judging the magnitude of the water temperature fluctuation in the vertical direction is determined using statistical data. And when the average standard deviation of observation data is larger than a standard standard deviation, it judges that the water temperature fluctuation | variation of a perpendicular direction is large, and performs the interpolation process using the 4-dimensional optimal interpolation method mentioned later. In addition, when it is determined that the fluctuation in the water temperature in the vertical direction is small, the interpolation process is executed using the above-described three-dimensional optimum interpolation method. The observation data processed by each interpolation method is assimilated by performing a nudging process on the prediction data obtained by numerical calculation, and is output as corrected prediction data.
以下、本発明の観測データ同化方法の処理手順について図面を用いて説明する。 The processing procedure of the observation data assimilation method of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図2は本発明の観測データ同化装置の処理手順を示すフローチャートである。 FIG. 2 is a flowchart showing the processing procedure of the observation data assimilation apparatus of the present invention.
図2において、処理装置10は、まず品質管理処理(ステップA1)にて、XBTやCTD(Conductivity Temperature Depth profiler)等を用いて取得した水温観測データ1の品質を向上させる。品質管理処理の結果は、品質管理済みデータとしてデータ蓄積装置14に格納される。ここで、水温観測データの品質を向上させるとは、水温観測データから、計測時に生じる系統誤差(人為的な誤差等の偶然によらない一定の傾向を持つ誤差)を除く処理を指す。例えば、XBTを用いた海水温の計測では、水温の測定深度をプローブ投下後の経過時間から所定の換算式を用いて求めるが、この換算式による誤差も系統誤差に含まれる。最適内挿法は、統計的手法であるため、誤差が偶然により発生する偶然誤差である必要がある。そのため、水温観測データから系統誤差を取り除くことが重要になる。
In FIG. 2, the
次に、処理装置10は、品質管理処理後の水温観測データ(品質管理済みデータ)を基に、標準偏差算出処理(ステップA2)にて処理対象となる海洋の深度を決定する。海洋の深度は、鉛直方向の水温分布に応じて、表層付近から200m程度の深さまでの温度変化に特色のある混合層、季節に依らずに水温が大きく下降している季節躍層、水温がほとんど変化しない数1000m以下の深層の3種類の層に大きく分類できる。ここでは、特に季節の変化に応じて比較的小さな空間単位で水温が変動する混合層を処理対象の層とし、この混合層に対して以下の処理を実行する。
Next, the
処理装置10は、まず始めに混合層の海面からの深度D0を以下の手順にしたがって決定する。
The
処理装置10は、全球統計格子データであるWOA01(World Ocean Database 2001)やGDEM(Generalized Digital Environmental Model)のうち、水温観測データの取得領域に対して最小の長方形状で囲むように設定した海域内の水温統計データを抜き出す。ここで、水温統計データの季節は最も混合層が深くなる冬のデータとする。処理装置10は、この海域に存在する全水温統計データの平均値(統計平均データ)を深度格子毎に算出する。各深度格子の値は、周知のAkima法を用いて1m間隔で鉛直補間することで取得する。そして、海面から海水温が1度下がる深度をD0と定義し、該D0を統計平均データに基づいて算出する。
The
次に、各観測プロファイルの表層に最も近い特異点と深度D0に最も近い特異点の2点を基に、直線補間により深度と水温の線形方程式を導出する。この線型方程式で示される直線を各観測プロファイルの基準直線と呼ぶ。ここで、観測プロファイルの個数をNとし、ある観測プロファイルiの特異点数をMとしたとき、観測プロファイルiの表層からj番目の特異点における水温・深度座標は(dj i,tj i)で表される。なお、i番目の観測プロファイルに対応して導出した基準直線上の深度dj iにおける水温tj i'を、その深度の基準水温と呼ぶ。 Next, based on two points, a singular point closest to the surface layer of each observation profile and a singular point closest to the depth D 0 , a linear equation of depth and water temperature is derived by linear interpolation. The straight line indicated by this linear equation is called the reference straight line of each observation profile. Here, when the number of observation profiles is N and the number of singular points of an observation profile i is M, the water temperature / depth coordinates at the j-th singular point from the surface layer of the observation profile i are (d j i , t j i ). It is represented by The water temperature t j i ′ at the depth d j i on the reference straight line derived corresponding to the i-th observation profile is referred to as the reference water temperature at that depth.
観測プロファイルiのj番目の深度における基準直線からの特異点偏差Δtj iは、基準水温を基に以下の式(1)で表すことができる。 The singular point deviation Δt j i from the reference straight line at the j-th depth of the observation profile i can be expressed by the following equation (1) based on the reference water temperature.
ここで、観測プロファイルiにおける基準直線からの全ての深度における特異点偏差の平均値は、基準直線に用いた上下の2点を除いて以下の式(2)で記述できる。 Here, the average value of the singular point deviations at all depths from the reference line in the observation profile i can be described by the following equation (2) except for the upper and lower two points used for the reference line.
これにより、各プロファイルにおける基準直線からの平均的な水温偏差が分かる。さらに、この式(2)を用いると、基準直線からの特異点の水温偏差に対する標準偏差を以下の式(3)で求めることができる。 Thereby, the average water temperature deviation from the reference straight line in each profile is known. Furthermore, when this equation (2) is used, the standard deviation with respect to the water temperature deviation of the singular point from the reference straight line can be obtained by the following equation (3).
これにより得られる標準偏差を全観測プロファイルについて更に平均化すれば、観測プロファイルの全空間における、特異点での平均標準偏差σは式(4)のようになる。 If the standard deviation obtained in this way is further averaged over the entire observation profile, the average standard deviation σ at the singular point in the entire space of the observation profile becomes as shown in Equation (4).
この式(4)により観測データを含む領域における基準直線に対する標準偏差が求まる。この平均標準偏差σは、観測データの平均的な変動の大きさを表し、σが大きいほど鉛直方向の水温場が複雑に変化していることを示している。 By this equation (4), the standard deviation with respect to the reference straight line in the region including the observation data is obtained. This average standard deviation σ represents the magnitude of the average fluctuation of the observation data, and the larger σ indicates that the vertical water temperature field changes more complicatedly.
処理装置10は、標準偏差算出処理にて平均標準偏差σを求めると、内挿処理法判定(ステップA3)にて、基準標準偏差σ閾値と平均標準偏差σとを比較し、基準標準偏差σ閾値よりも平均標準偏差σが小さい場合はフラグを「0」とし、基準標準偏差σ閾値よりも平均標準偏差σが大きい場合はフラグを「1」とし、フラグが「0」の場合は三次元内挿処理(ステップA4)へ移行し、フラグが「1」の場合は四次元内挿処理(ステップA5)へ移行する。三次元内挿処理は、上述した各観測データに対して鉛直成分を補間して深度を揃え、その後、水平方向(+時間方向)に最適内挿する二次元内挿処理である。また、四次元内挿処理は、観測データの鉛直成分を補間して深度を揃えることなく、水平方向及び鉛直方向(+時間方向)に最適内挿する三次元内挿処理である。
When obtaining the average standard deviation σ in the standard deviation calculation process, the
基準標準偏差σ閾値は、上記平均標準偏差σの算出時と同様に水温観測データの取得領域に対して最小の長方形状で囲むように設定した海域の統計データ及びその海域の季節毎の統計データを利用し、混合層の深度D0までの海域内の全ての統計データを基に、その平均値及び標準偏差を深度毎に算出し、全層の標準偏差を平均した値である。 The reference standard deviation σ threshold is the statistical data of the sea area set so as to be surrounded by the smallest rectangular shape with respect to the area where the water temperature observation data is acquired, and the statistical data for each season of the sea area in the same manner as the calculation of the average standard deviation σ. The average value and standard deviation are calculated for each depth based on all statistical data in the sea area up to the depth D 0 of the mixed layer, and the standard deviation of all layers is averaged.
上述したように、平均標準偏差σが小さいときは観測データの時空間変動が小さいことを示し、平均標準偏差σが大きいときは観測データの時空間変動が大きいことを示している。これは観測データの鉛直方向の変動も大きいことを意味している。三次元最適内挿法により得られる推定値は、時空間変動が大きいところで誤差が大きくなると考えられる。そこで、上記三次元内挿処理(三次元最適内挿法)では推定深度と同じ鉛直方向に補間された観測データのみを用いて各深度における値を推定する。一方、上記四次元内挿処理(四次元最適内挿法)では相関関係のある推定深度の鉛直方向に隣接する(上下の)観測データ(特異点)も用いて各深度における値を推定する。この四次元内挿処理を実行することで、標準偏差が大きい、すなわち鉛直方向の変動も大きい場合は観測データの深度方向の特異点のデータを用いて水温の深度に応じた変化を考慮することができるため、深度方向(鉛直方向)の推定値を精度よく計算できる。さらに、三次元最適内挿法だけを用いる従来の手法では、推定する深度に応じて、予め各観測データの深度を補間し、同じ代表深度のデータを用意しておかなければならなかったが、上記四次元内挿処理では、得られた観測データが備える特異点深度に関係なく、そのまま決定した深度の値で推定できる。但し、四次元内挿処理は、三次元内挿処理に比べて次元数が1つ増えるために計算コストが上昇する。したがって、鉛直方向の変動が小さい観測データに対しては三次元内挿処理を実行することで計算コストの上昇を抑制できる。 As described above, when the average standard deviation σ is small, it indicates that the spatiotemporal fluctuation of the observation data is small, and when the average standard deviation σ is large, the spatiotemporal fluctuation of the observation data is large. This means that the vertical fluctuation of the observation data is also large. The estimated value obtained by the three-dimensional optimal interpolation method is considered to have a large error when the spatiotemporal variation is large. Therefore, in the three-dimensional interpolation process (three-dimensional optimal interpolation method), values at each depth are estimated using only observation data interpolated in the same vertical direction as the estimated depth. On the other hand, in the above-described four-dimensional interpolation process (four-dimensional optimal interpolation method), values at each depth are estimated using also observation data (singular points) adjacent to each other in the vertical direction of the correlated estimated depth. By executing this four-dimensional interpolation process, if the standard deviation is large, that is, if the fluctuation in the vertical direction is also large, use the data of the singular point in the depth direction of the observation data to consider the change according to the depth of the water temperature. Therefore, the estimated value in the depth direction (vertical direction) can be calculated with high accuracy. Furthermore, in the conventional method using only the three-dimensional optimal interpolation method, it was necessary to interpolate the depth of each observation data in advance according to the estimated depth and prepare the data of the same representative depth. In the above four-dimensional interpolation processing, it is possible to estimate the depth value determined as it is, regardless of the singular point depth of the obtained observation data. However, the four-dimensional interpolation process increases the calculation cost because the number of dimensions is increased by one compared to the three-dimensional interpolation process. Therefore, an increase in calculation cost can be suppressed by executing three-dimensional interpolation processing for observation data with small vertical fluctuations.
このように、本実施形態では、平均標準偏差σの値に応じて三次元最適内挿法または四次元最適内挿法を利用して内挿処理を行い、修正水温データ8aまたは8bのいずれか一方を出力する。
As described above, in this embodiment, the interpolation process is performed using the three-dimensional optimum interpolation method or the four-dimensional optimum interpolation method according to the value of the average standard deviation σ, and either the corrected
ここで注意すべきことは、最適内挿法で用いるパラメータ(後述する相関係数と誤差分散)は、海域によって異なることが知られており、これらのパラメータは海域を大まかに区切って決められているのが現状である。そのため、標準偏差の値に応じて内挿処理の種類を判定する場合も、処理対象となる海域内の水温観測データのみを使用するものとする。この海域に応じたパラメータを無視してより広い領域の標準偏差を求めると、常に非常に大きな変動が現れてしまうからである。 It should be noted that the parameters used in the optimal interpolation method (correlation coefficient and error variance, which will be described later) are known to vary depending on the sea area, and these parameters are determined by roughly dividing the sea area. The current situation is. Therefore, even when determining the type of interpolation processing according to the value of the standard deviation, only water temperature observation data in the sea area to be processed is used. This is because if a parameter corresponding to the sea area is ignored and a standard deviation of a wider area is obtained, very large fluctuations always appear.
次に図2に示した四次元内挿処理の処理手順について図3を用いて説明する。 Next, the procedure of the four-dimensional interpolation process shown in FIG. 2 will be described with reference to FIG.
図3は図2に示した四次元内挿処理の処理手順を示すフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart showing a processing procedure of the four-dimensional interpolation processing shown in FIG.
図3において、処理装置10は、まず品質管理済みデータと水温気候データの差からアノマリーデータ12を出力する(アノマリー変換処理:ステップB1)。
In FIG. 3, the
最適内挿法を用いて海水温を推定する場合、まず推定する量の基準となる初期値(第一推定値)を決定する必要がある。処理装置10は、このためのデータである水温気候データとして、上記WOA01やGDEMのような全球の統計データを使用する。
When the seawater temperature is estimated using the optimal interpolation method, it is necessary to first determine an initial value (first estimated value) that serves as a reference for the amount to be estimated. The
次に、処理装置10は、内挿パラメータ選定処理として、四次元最適内挿法で用いる時間、空間スケール及び誤差分散を選定する(ステップB2)。
Next, the
最適内挿法では、時空間スケールを変数として含む自己相関係数と誤差分散値とをパラメータとして用いる。四次元最適内挿法における自己相関係数μij,mnは以下の式(5)で定義される。 In the optimal interpolation method, an autocorrelation coefficient including a spatiotemporal scale as a variable and an error variance value are used as parameters. The autocorrelation coefficient μ ij, mn in the four-dimensional optimal interpolation method is defined by the following equation (5).
ここで、関数Hは、水平方向の緯度、経度差を変数とし、水平方向の空間スケールCxyを含む水平方向の相関を規定する水平関数である。また、関数Vは、深度差を変数とし、鉛直方向の空間スケールCzを含む鉛直方向の相関を規定する鉛直関数である。また、関数Tは、時間tを変数とし、時間スケールCtを含む時間方向の相関を規定する時間関数である。 Here, the function H is a horizontal function that defines the horizontal correlation including the horizontal spatial scale C xy using the horizontal latitude and longitude differences as variables. The function V is a vertical function that defines a vertical correlation including a vertical space scale C z with a depth difference as a variable. The function T is a time function that defines the correlation in the time direction including the time scale C t with the time t as a variable.
四次元最適内挿法における自己相関係数μij,mnは、三次元最適内挿法における自己相関係数に鉛直関数Vを乗算した値であるため、上記式(5)に含まれる水平関数H及び時間関数Tは、三次元最適内挿法と同じものを使用し、その代表的な関数としてガウス型を用いる。 Since the autocorrelation coefficient μ ij, mn in the four-dimensional optimal interpolation method is a value obtained by multiplying the autocorrelation coefficient in the three-dimensional optimal interpolation method by the vertical function V, the horizontal function included in the above equation (5) H and the time function T are the same as the three-dimensional optimal interpolation method, and a Gaussian type is used as a representative function thereof.
上記各関数に含まれる時間と水平方向の空間スケールは既に多くの検討がなされ、水平方向の空間スケールCxyは海域毎に異なることが知られている。そのため、海域毎に区切った水平方向の空間スケールCxyのマップを観測データの海域に合わせて使用する。例えば、日本の周辺ならば特徴的な変動を現すと考えられているCxy=150kmを選択する。また、時間スケールCtも同様に観測データの海域に合わせて予め用意したマップを使用する。例えば日本の周辺ならばCt=720(時間)とする。しかしながら、鉛直方向の空間スケールには注意が必要である。 Many studies have already been made on the time and the horizontal spatial scale included in each of the above functions, and it is known that the horizontal spatial scale C xy differs for each sea area. For this reason, a map of the horizontal spatial scale C xy divided for each sea area is used according to the sea area of the observation data. For example, C xy = 150 km, which is considered to exhibit characteristic fluctuations around Japan, is selected. Similarly, the time scale Ct uses a map prepared in advance according to the sea area of the observation data. For example, C t = 720 (hours) around Japan. However, care must be taken with the vertical spatial scale.
鉛直方向の空間スケールは、水平方向の空間スケール(数km〜数100km)と異なり非常に小さい(数10m〜数100m程度)。また、鉛直方向の特徴として、上述したように、海洋は、表層付近から200m程度までの深さの混合層、季節に依らずに水温が大きく下降している季節躍層、温度変化がなくほとんど0℃に近い数1000m以下の深層の3種類の層に分類される。 The spatial scale in the vertical direction is very small (several tens of meters to several hundreds of meters), unlike the spatial scale in the horizontal direction (several km to several hundred km). In addition, as described above, as described above, the ocean has a mixed layer with a depth of about 200 m from the surface layer, a seasonal climatic layer in which the water temperature drops greatly regardless of the season, and almost no change in temperature. It is classified into three types of layers of several 1000 m or less close to 0 ° C.
そのため、これらの層どうしの水温変化の相関は少ないと考えられ、特に混合層と1000m以下の深層との間には相関が無いと考えられる。そのため、鉛直方向の空間スケール及び鉛直方向の相関係数においては、この特性を考慮して観測データの平均的な混合層の厚さから値や関数形を決める必要がある。そのため、鉛直方向の相関係数には、水平方向よりもピークが鋭い関数として、V〜exp[−(Δdep)2/CZ]を用いる。この相関係数は、上記3種類の層の全てに同様に適用するものとする。ここで、Δdepは各特異点深度間の深度差、CZは鉛直方向の空間スケールを表す。これにより、各層の相関がより小さい値となるようにする。また、鉛直方向の空間スケールCZは、水平方向とは異なり季節変動があるため、季節に応じた値を選択する。 For this reason, it is considered that there is little correlation between the water temperature changes between these layers, and in particular, there is no correlation between the mixed layer and the deep layer of 1000 m or less. Therefore, in the vertical spatial scale and the vertical correlation coefficient, it is necessary to determine the value and function form from the average mixed layer thickness of the observation data in consideration of this characteristic. Therefore, V˜exp [− (Δdep) 2 / C Z ] is used as the correlation coefficient in the vertical direction as a function having a sharper peak than in the horizontal direction. This correlation coefficient is similarly applied to all the three types of layers. Here, Δdep represents a depth difference between each singular point depth, and C Z represents a vertical spatial scale. Thereby, the correlation of each layer is set to a smaller value. Further, the spatial scale C Z in the vertical direction has a seasonal variation unlike the horizontal direction, and therefore a value corresponding to the season is selected.
空間スケールCZの値は、予め統計データに基づき3つの層の厚さの平均値を求めておき、観測データの季節に合わせて使用するものとする。例えば冬季の混合層においては、CZ=Z0(Elevation of Mean Level above Chart Datum)となる。 As the value of the spatial scale C Z , an average value of the thicknesses of the three layers is obtained in advance based on statistical data, and is used according to the season of the observation data. For example, in the winter mixed layer, C Z = Z 0 (Elevation of Mean Level above Chart Datum).
また、誤差分散値λをパラメータとして選ぶが、これも水平自己相関係数と同様に海域に対応して予め作成されたマップを基に三次元最適内挿法と共通の値を選択する。以上が内挿パラメータ選定処理である。 Further, the error variance value λ is selected as a parameter, and this also selects a value common to the three-dimensional optimal interpolation method based on a map created in advance corresponding to the sea area, similarly to the horizontal autocorrelation coefficient. The above is the interpolation parameter selection process.
次に、これら内挿パラメータを用いて四次元最適内挿計算処理(ステップB3)にて、アノマリーデータを、所望の格子間隔及び深度において格子データとして推定する。これにより出力されたアノマリーの格子データを、上記水温気候データを用いて水温地変換処理(ステップB4)にて水温格子推定データとして出力する。 Next, using these interpolation parameters, the anomaly data is estimated as grid data at a desired grid interval and depth in the four-dimensional optimal interpolation calculation process (step B3). The grid data of the anomaly thus output is output as water temperature grid estimation data in the water temperature conversion process (step B4) using the water temperature climate data.
処理装置10は、四次元最適内挿法によって得られた水温格子推定データを、数値シミュレーションによって計算された水温予測データに周知のナッジング処理を施すことで同化し(ステップB5)、修正水温格子データとして出力する。なお、図3は最適内挿法によって生成された推定値を数値海洋モデルに同化させる場合の処理手順を示している。
The
図4は鉛直方向に実施する最適内挿法の概念を示す模式図である。 FIG. 4 is a schematic diagram showing the concept of the optimum interpolation method performed in the vertical direction.
図4の縦方向は鉛直方向であり、横方向は水平方向(緯度、経度方向)であり、図4に示す縦方向の3本の線は観測データの鉛直方向の分布を示している。観測データA及び観測データBは、特異点S1における各データの補間後のデータであり、水温が変動する様子を示している。また、中央の太線は最適内挿法により推定される推定データの鉛直格子位置を示している。 The vertical direction in FIG. 4 is the vertical direction, the horizontal direction is the horizontal direction (latitude and longitude directions), and the three vertical lines shown in FIG. 4 indicate the vertical distribution of the observation data. Observation data A and observation data B are data after interpolation of each data at the singular point S1, and show how the water temperature fluctuates. The thick center line indicates the vertical grid position of the estimated data estimated by the optimal interpolation method.
また、水平方向の点線は、最適内挿法における推定深度を示し、この点線と観測データA、Bの交差する位置が三次元内挿法で用いる補間された観測点S2である。一方、同じ点線と太線の交わる位置は特異点の鉛直補完点により最適内挿された推定点S3とする。 A horizontal dotted line indicates an estimated depth in the optimal interpolation method, and a position where the dotted line and the observation data A and B intersect is an interpolated observation point S2 used in the three-dimensional interpolation method. On the other hand, the position where the same dotted line and the thick line intersect is assumed to be the estimated point S3 optimally interpolated by the vertical interpolation point of the singular point.
観測データA、Bで示すような水温分布において、その間の水温を推定する場合、三次元内挿法では、補間された観測点S2のみで水平方向に内挿し(ここでは1つの推定データを2点の観測点S2により推定する)、それぞれの代表深度の間に関連がないため、最適内挿された推定点S3からは代表深度を細かく設定しない限り完全な水温プロファイルは再現できない。 When estimating the water temperature between the water temperature distributions as indicated by the observation data A and B, in the three-dimensional interpolation method, only the interpolated observation point S2 is interpolated in the horizontal direction (here, one estimated data is 2). Since there is no relation between the representative depths, the complete water temperature profile cannot be reproduced from the optimally interpolated estimated point S3 unless the representative depth is set finely.
一方で、四次元内挿法では代表深度で補間された観測点S2を使用せず、代表深度に近い複数の特異点S1を使用して推定点S3を生成するため、この代表深度の上下間の水温変化を取り入れて内挿できる。 On the other hand, the four-dimensional interpolation method does not use the observation point S2 interpolated at the representative depth, but generates the estimated point S3 using a plurality of singular points S1 close to the representative depth. Can be interpolated by taking into account the water temperature changes.
また、図5は三次元最適内挿法及び四次元最適内挿法の概念を示す図である。図5は図4と同様に図3に示した2つの最適内挿法の違いを補足する図である。 FIG. 5 is a diagram showing the concept of the three-dimensional optimum interpolation method and the four-dimensional optimum interpolation method. FIG. 5 is a diagram supplementing the difference between the two optimal interpolation methods shown in FIG. 3 as in FIG.
図5の上図は三次元内挿法の概念を示す図であり、下図は四次元内挿法の概念を示す図である。また、図5の左側は観測データ、右側は推定データの概念を示す図である。 The upper diagram of FIG. 5 is a diagram showing the concept of the three-dimensional interpolation method, and the lower diagram is a diagram showing the concept of the four-dimensional interpolation method. Further, the left side of FIG. 5 shows the concept of observation data, and the right side shows the concept of estimation data.
図5に示す観測データは図2に示した水温観測データに相当し、推定データは図3に示した水温格子推定データに相当する。 The observation data shown in FIG. 5 corresponds to the water temperature observation data shown in FIG. 2, and the estimation data corresponds to the water temperature grid estimation data shown in FIG.
三次元内挿法は、予め鉛直補間により鉛直方向の深度を揃えた観測データを基に水平方向に補間するのに対し、四次元内挿法では観測データをそのまま空間的に補間することで、図の内挿修正データを作成する。 The three-dimensional interpolation method interpolates in the horizontal direction based on observation data that has been aligned in the vertical direction by vertical interpolation in advance, while the four-dimensional interpolation method spatially interpolates the observation data as it is, Create interpolation correction data for the figure.
なお、本実施形態では海洋の水温データに限定して本発明の観測データ同化方法を説明したが、本発明の観測データ同化方法は、塩分データや流速データ等の他の海洋データの同化処理にも適用することが可能である。その場合、適用するデータ毎にその時空間分布が異なるため、三次元最適内挿法と四次元最適内挿法の使い分け判定に用いる判定基準や、自己相関関数や誤差分布等のパラメータを適宜選定すればよい。 In this embodiment, the observation data assimilation method of the present invention has been described by limiting to ocean water temperature data. However, the observation data assimilation method of the present invention is applicable to assimilation processing of other ocean data such as salinity data and flow velocity data. Can also be applied. In that case, since the spatio-temporal distribution differs depending on the data to be applied, it is necessary to appropriately select parameters such as the autocorrelation function and error distribution, as well as the criteria used to determine the appropriate use of the 3D optimal interpolation method and 4D optimal interpolation method. That's fine.
10 処理装置
11 CPU
12 主記憶装置
13 記録媒体
14 データ蓄積装置
15 メモリ制御インタフェース部
16 I/Oインタフェース部
17 通信制御装置
18 バス
20 入力装置
30 出力装置
10
12
Claims (10)
前記観測データの平均的な変動の大きさを表す平均標準偏差及び前記観測データの取得海域の統計データを用いて鉛直方向のデータ変動の大きさの判断に用いる基準標準偏差を求め、
前記平均標準偏差が前記基準標準偏差以下の場合は、前記観測データの鉛直方向を先に補間し、その後、水平方向及び時間方向で最適内挿する三次元最適内挿法を用いて内挿処理を実行し、
前記平均標準偏差が前記基準標準偏差よりも大きい場合は、前記観測データの水平方向及び鉛直方向及び時間方向で最適内挿する四次元最適内挿法を用いて内挿処理を実行し、
前記三次元最適内挿法または前記四次元最適内挿法後のデータを前記数値モデルから得られたデータに同化する観測データ同化方法。 An observation data assimilation method for associating observation data with data obtained from a numerical model,
Using the average standard deviation representing the magnitude of the average fluctuation of the observation data and the statistical data of the acquisition sea area of the observation data to determine the standard standard deviation used to determine the magnitude of the vertical data fluctuation,
When the average standard deviation is less than or equal to the reference standard deviation, the vertical direction of the observation data is first interpolated, and then interpolated using a three-dimensional optimal interpolation method that optimally interpolates in the horizontal and temporal directions. Run
When the average standard deviation is larger than the standard standard deviation, an interpolation process is performed using a four-dimensional optimal interpolation method that optimally interpolates in the horizontal direction, vertical direction, and time direction of the observation data,
An observation data assimilation method that assimilates the data after the three-dimensional optimal interpolation method or the four-dimensional optimal interpolation method into data obtained from the numerical model.
前記自己相関係数μij,mnを、
The autocorrelation coefficient μ ij, mn is
水温を鉛直方向の水温変動特性によって分けられた、表層に近く水温変動に特色のある混合層の平均標準偏差を用いる請求項1記載の観測データ同化方法。 In the mean standard deviation,
The observation data assimilation method according to claim 1, wherein the average standard deviation of the mixed layer characterized by the water temperature fluctuation near the surface layer and divided by the water temperature fluctuation characteristics in the vertical direction is used.
前記観測データの平均的な変動の大きさを表す平均標準偏差及び前記観測データの取得海域の統計データを用いて鉛直方向のデータ変動の大きさの判断に用いる基準標準偏差を求め、前記平均標準偏差が前記基準標準偏差以下の場合は、前記観測データの鉛直方向を先に補間し、その後、水平方向及び時間方向で最適内挿する三次元最適内挿法を用いて内挿処理を実行し、前記平均標準偏差が前記基準標準偏差よりも大きい場合は、前記観測データの水平方向及び鉛直方向及び時間方向で最適内挿する四次元最適内挿法を用いて内挿処理を実行し、前記三次元最適内挿法または前記四次元最適内挿法後のデータを前記数値モデルから得られたデータに同化する処理装置と、
前記観測データ、前記統計データ及び前記数値モデルから得られたデータが蓄積されるデータ蓄積装置と、
を有する観測データ同化装置。 An observation data assimilation device that assimilate observation data into data obtained from a numerical model,
Using the average standard deviation representing the average fluctuation magnitude of the observation data and the statistical data of the sea area where the observation data was acquired, a standard standard deviation used to determine the magnitude of vertical data fluctuation is obtained, and the average standard If the deviation is less than or equal to the standard standard deviation, the vertical direction of the observation data is interpolated first, and then an interpolation process is performed using a three-dimensional optimal interpolation method that optimally interpolates in the horizontal and temporal directions. When the average standard deviation is larger than the reference standard deviation, an interpolation process is performed using a four-dimensional optimal interpolation method that optimally interpolates in the horizontal direction, vertical direction, and time direction of the observation data, A processing apparatus for assimilating the data after the three-dimensional optimal interpolation method or the four-dimensional optimal interpolation method into the data obtained from the numerical model;
A data storage device for storing the observation data, the statistical data, and data obtained from the numerical model;
Observation data assimilation device.
前記四次元最適内挿法では、時空間スケールを変数として含む自己相関係数及び誤差分散値を海域及び時間に応じて予め決定しておき、前記数値モデルから得られたデータと相関関係のある推定深度の鉛直方向に隣接する観測データを用いて各深度における値を推定する請求項6記載の観測データ同化装置。 The processor is
In the four-dimensional optimal interpolation method, an autocorrelation coefficient and an error variance value including a spatio-temporal scale as a variable are determined in advance according to the sea area and time, and are correlated with data obtained from the numerical model. The observation data assimilation apparatus according to claim 6, wherein a value at each depth is estimated using observation data adjacent in the vertical direction of the estimated depth.
水平方向の関数をH(loni、lati、lonj、latj)、時間方向の関数をT(ti,tj)、鉛直方向の関数をV(depm,depn)としたとき、
前記自己相関係数μij,mnを、
When the horizontal function is H (lon i , lat i , lon j , lat j ), the time direction function is T (t i , t j ), and the vertical function is V (dep m , dep n ). ,
The autocorrelation coefficient μ ij, mn is
前記前記平均標準偏差に、
水温を鉛直方向の水温変動特性によって分けられた、表層に近く水温変動に特色のある混合層の平均標準偏差を用いる請求項6記載の観測データ同化装置。 The processor is
In the mean standard deviation,
7. The observation data assimilation apparatus according to claim 6, wherein the average standard deviation of the mixed layer characterized by the water temperature fluctuation near the surface layer, which is divided by the water temperature fluctuation characteristics in the vertical direction, is used.
水平方向の空間スケール、時間スケール及び誤差分散の海域毎の空間マップを予め作成し、該マップを用いて観測データ毎に最適内挿法で用いるパラメータを決定する請求項6から9のいずれか1項記載の観測データ同化装置。 The processor is
10. A spatial map for each sea area of a horizontal spatial scale, a time scale, and an error variance is created in advance, and parameters used in the optimum interpolation method are determined for each observation data using the map. Observation data assimilation device described in the section.
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