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行分析，忽略模式预报误差，虽然存在对常规观测
1 引言
的分析误差计算不够准确的问题，但在外场试验
海洋初始场是影响海洋环境预报质量的重要 中依然被证明是有效的 [12] 。BGM 方法通过重复
因素，而观测误差、观测时空覆盖范围不足、观测 培养限制尺度下的随机扰动来获取增长最快的模
态，使用该方法可减小分析时刻的预报误差。欧洲
的时空尺度与预报模式不一致以及资料同化过程
中期天气预报中心和美国国家环境预报中心分别
中的近似等因素都会引起海洋初始场存在不确定
采用这种方法实现了业务化 [13−14] ，国内的于永锋
性。这些不确定性使得海洋预报面临失败的威胁，
等 [15] 、关吉平等 [16] 、高峰等 [17] 学者也利用该方法
严重影响海洋资源开发、海洋航路安全、军事行动
进行了集合预报初始扰动、集合预报试验方面的研
保障等国家重大利益。观测是减小海洋初始场不确
究，但该方法无法消除初始场的误差。Mu 等 [18] 学
定性的主要手段，但常规观测存在盲目性、成本高、
者提出了 CNOP方法，并将其运用到适应性观测领
资料利用率低及特殊时期特定区域无法观测等问
域 [19−22] 。条件非线性最优扰动是指在预报时刻具
题。针对观测配置最优化问题，专家学者于 20 世纪
有最大非线性发展的一类初始扰动，是 SV 方法在
90年代提出适应性观测的概念 [1−4] 。适应性观测是
非线性领域的推广，通过消除这种扰动从而提高预
指，为了提升某一时刻 (验证时刻) 某一区域 (验证
报技巧。该方法已前后应用于厄尔尼诺 -南方涛动
区域) 的预报质量，在验证时刻之前的某一时刻 (目
(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)的可预报性
标时刻) 对验证区域影响较大的区域 (敏感区) 进行
问题 [18] 、海洋热流敏感性 [21] 、强降水与台风等高
加强观测，将额外的观测信息通过数据同化改善模
影响天气的目标观测 [19,22] 等问题。谭晓伟等 [23] 、
式初值质量，进而提高模式预报准确度 [5−6] ，具体
周菲凡等 [24] 也对基于 CNOP的敏感区识别方法进
流程如图 1 所示。这是一个将观测系统与模式预报
行了改进研究。不过该方法需要复杂的伴随模式
有机结合，建立观测与预报之间的互动机制，根据预
计算，计算复杂度过高。ETKF 方法最早由 Bishop
报需求组织实施加强观测，从而提高数值预报准确
等 [25−26] 和Majumdar等 [27] 提出，该方法利用了观
度的新观念。近年来随着水下无人机，尤其是水下
测信息的分析误差协方差和转换公式将预报误差
滑翔机等探测平台的应用 [7−9] 使得海洋适应性观
协方差变换为分析误差协方差，定量地计算不同观
测可行性大大提升，因此，针对适应性观测在海洋声
测配置引起的预报误差协方差减小量，可直接定量
学环境方面的应用研究具有十分重要的意义。
地识别出最佳目标观测区域，另外引入集合思想，利
ஐਖӝ Տӑ 用线性组合的扰动表征误差方差，大幅减小计算量，
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ᫎˁӝ۫ ᤠऄভ ᠏᧚ଢӤ 避免了伴随方式的计算，同时还便于实现并行化。
Szunyogh 等 [28−29] 将该方法应用于美国冬季风暴
Ѻݽ҉ ᄬಖ҉ ᰎ҉ 监测试验，并在美国国家环境预报中心进行适应性
观测研究，均取得了成功；田伟红 [30] 探索了 ETKF
图 1 适应性观测流程图
方法在适应性观测中的实际应用；马旭林等 [6,31−32]
Fig. 1 The processing of adaptive observation
结合 GRAPES (Global regional analysis and pre-
适应性观测核心是观测敏感区的判定，目前敏 diction system) 同化系统，建立了基于 ETKF 初始
感区判定的主要方法有奇异矢量 (Singular vector, 扰动方案的全球集合预报系统，在基于 ETKF 的适
SV)、增长模繁殖法 (Breeding of growing modes, 应性观测系统基础上，发展了我国中高尺度高影响
BGM)、条件非线性最优扰动 (Conditional nonlin- 天气系统敏感区识别的优化方案；张宇等 [33] 在马
ear optimal perturbation, CNOP)与集合卡尔曼变 旭林的敏感区估计方案基础上，考虑湿度因子的影
换 (Ensemble transform Kalman filter, ETKF) 等。 响，对方案进行了优化。目前该方法已广泛应用于
SV 方法 [10−11] 假设一段时间内物理空间中初始时 适应性观测的外场试验并取得了成功 [11,28−29] 。
刻微小误差线性发展，认为增长最快的扰动是预 目前适应性观测的研究主要集中于大气领域，
报误差的主要来源，判定该扰动所在区域为敏感 针对海洋环境的研究较少，而且目前尚未有适应性
区。该方法只能对充分小的初始误差短期发展进 观测在水声领域的研究与应用。为了结合原本孤
