[論文レビュー] A comparison of two operational wave assimilation methods

A. C. Voorrips, Cees de Valk|ArXiv.org|Mar 21, 1997

Ocean Waves and Remote Sensing参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、1993年2月19日〜3月30日におけるノルウェー海（北シース）で、同一の風力場と観測データ（ブイおよびSAR）を用いて、最適補間（OIP）を用いたWAMと、アドジョイントベースの手法を用いたDASWAMという2つの波動同化手法を比較した。主な発見は、OIPは観測点の周辺に局所的な補正を生じるが、アドジョイントベースのDASWAMはより広範でグローバルな調整を引き起こすことであり、両手法とも12時間以内の予報精度向上が見られたが、初期予測モデルの挙動に顕著な差が生じており、性能差の特定は困難であった。

ABSTRACT

A comparison is carried out between two operational wave forecasting/assimilation models for the North Sea, with the emphasis on the assimilation schemes. One model is the WAM model, in combination with an optimal interpolation method (OIP). The other model, DASWAM, consists of the third generation wave model PHIDIAS in combination with an approximate implementation of the adjoint method. In an experiment over the period February 19 - March 30, 1993, the models are driven by the same wind field (HIRLAM analysis winds), and the same observation data set is assimilated. This set consists of a) spectra from three pitch-and-roll buoys and b) Synthetic Aperture Radar (SAR) spectra from the ERS-1 satellite. Three analysis/forecast runs are performed: one without assimilation, one with assimilation of buoy measurements only, and one with all data assimilated. For validation, observations from four buoys, altimeter data from ERS-1 and Topex-Poseidon, and scatterometer data from ERS-1 are used. A detailed analysis of the "Wadden Storm" (February 20-22) shows the very different nature of the two assimilation schemes: the wave and wind field corrections of the WAM/OIP scheme are all in the vicinity of the observations, whereas the DASWAM adjustments are more of a global nature. The impact of some individual buoy and SAR observations is visualized. A comparison of the performance of the two schemes is somewhat obscured by the very different behaviour of the two first-guess runs. A statistical analysis over the whole 39-day period gives the following results. In a comparison with buoy observations it is shown that a positive impact of wave data assimilation remains until about 12 hours in forecast in

研究の動機と目的

• 2つの運用波動同化システム、すなわち最適補間（OIP）を用いたWAMと、近似アドジョイント法を用いたDASWAMの性能を評価・比較すること。
• ブイおよびERS-1 SARからの実観測データを用いて、各同化スキームが波予報精度に与える影響を評価すること。
• 深刻な暴風害（ワッデン暴風）発生時における、各手法が適用する補正の空間的・時間的特性を分析すること。
• 39日間にわたる期間におけるブイおよびSAR波スペクトルの同化が、予報精度に与える影響を定量化すること。
• 運用波予報の文脈において、各同化アプローチの長所と短所を特定すること。

提案手法

• WAMモデルに最適補間（OIP）スキームを組み合わせ、3つのピッチアンドロールブイおよびERS-1 SARデータからの波スペクトルを同化する。
• DASWAMシステムは、PHIDIAS第三世代波モデルを用い、同一の観測データセットを変分同化により同化する近似アドジョイント法を採用する。
• 両モデルは同一のHIRLAM解析風場で駆動され、一貫した力場を確保し、同化スキームの影響を明確に分離する。
• 3つの予報ランを実施：同化なし、ブイデータのみ同化、すべてのデータ（ブイおよびSAR）を同化。
• 観測データの妥当性評価には、追加の4つのブイ、ERS-1およびTopex-Poseidonレーダーアルティメーター、ERS-1スキャッターメーターのデータを用いる。
• 波動同化補正の空間的構造を可視化・比較するために、ワッデン暴風（1993年2月20日〜22日）を詳細に事例分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深刻な暴風発生時における、OIPおよびアドジョイントベースの同化スキームが波場および風場に与える補正の空間的分布に、どのような違いが生じるか？
• RQ2 ブイおよびSAR波スペクトルを同化することで、39日間の期間にわたり予報精度にどのような影響が生じるか？
• RQ3 2つのシステムの最初の予測モデル（first-guess model）の挙動に顕著な差が生じる中で、同化スキームの相対的性能評価にどのような影響が及ぶか？
• RQ4 個々のブイおよびSAR観測が、各システムにおける最終的な波場補正に、どの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 波データ同化の肯定的影響が、予報サイクル内でどの程度の期間持続するか？

主な発見

• OIP同化スキームは、観測点の周辺に限定され、観測点から離れた領域への影響は最小限にとどまる。
• これに対して、DASWAMのアドジョイントベースのスキームは、観測点から遠く離れた領域でさえも、全体的なモデル領域にわたるより広範な補正を生じる。
• ワッデン暴風の間、OIPの補正はブイの位置に集中していたが、DASWAMの調整は北シース全域にわたり、より広範かつ一貫性のあるパターンを示した。
• 39日間の期間にわたる統計的分析から、波データ同化が予報精度を向上させることを示し、その肯定的影響は予報内で約12時間にわたって持続した。
• 2つの最初の予測モデルの挙動に顕著な差が生じており、同化スキームの優位性を直接評価することが困難である。
• 個々の観測の影響を可視化した結果、両スキームが同じ入力データに対して異なる反応を示すことが確認され、OIPは局所的感度を示す一方、DASWAMはより広範な影響を示した。