海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬與同化研究.pdf

1、隨著人類對(duì)氣候變化的日益重視，如何更加精確地、合理地模擬氣候的演變規(guī)律及評(píng)估其對(duì)人類生存環(huán)境帶來(lái)的影響成為一個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題。作為這一問(wèn)題中的重要一環(huán)，海洋生態(tài)系統(tǒng)數(shù)值模擬成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，這也對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型提出了更高的要求。 在這種背景下，海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型在模型維數(shù)、應(yīng)用范圍與模型復(fù)雜性程度等方面得到快速發(fā)展。但是，在以往大部分海洋生態(tài)模擬工作中，研究者們忽略了或者沒(méi)有考慮關(guān)鍵生態(tài)參數(shù)在空間上存在變化這一特征，

2、并認(rèn)為在模擬區(qū)域中存在普適的一組參數(shù)，導(dǎo)致模擬結(jié)果與觀測(cè)資料之間存在較大的區(qū)域性誤差，并且這種誤差不能通過(guò)改進(jìn)背景物理環(huán)境或增加新的生態(tài)機(jī)制而得到有效控制。 這個(gè)問(wèn)題在大洋尺度甚至全球尺度的海洋生態(tài)系統(tǒng)模擬中表現(xiàn)地尤為突出，為了彌補(bǔ)這一缺陷，一些研究者根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)局地參數(shù)或者是分區(qū)優(yōu)化參數(shù)，并采用一些方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行平滑，雖然這些做法在一定程度上實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的空間變化，卻沒(méi)有將模型與有限的觀測(cè)作為一個(gè)整體來(lái)考慮，不能優(yōu)化參數(shù)至全

3、局最優(yōu)，因此不能準(zhǔn)確地描述模型參數(shù)在空間上的變化。本文使用一種全新的方法即參數(shù)的空間分布來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的空間變化，并深入研究了是否能通過(guò)此方法改進(jìn)模擬與同化結(jié)果。 在氣候耦合模式FOAM的氣候態(tài)背景場(chǎng)下，本文建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的全球尺度上的三維海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型及其伴隨模型，在500米深度內(nèi)進(jìn)行數(shù)值模擬與同化研究。通過(guò)在底層添加營(yíng)養(yǎng)鹽修正項(xiàng)的方式解決了模擬過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)鹽不斷耗散的問(wèn)題，保障了模型的平穩(wěn)運(yùn)行。 結(jié)合考察敏感性函數(shù)

4、與代價(jià)函數(shù)關(guān)于模型參數(shù)的梯度量級(jí)兩種方法，對(duì)各模型參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，挑選出對(duì)模擬結(jié)果敏感且不相關(guān)的五個(gè)參數(shù)作為控制變量。在孿生數(shù)值實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)同化模型產(chǎn)生的‘觀測(cè)數(shù)據(jù)’來(lái)反演控制變量。首先通過(guò)反演無(wú)空間變化的控制變量驗(yàn)證了伴隨模型的正確性，繼而基于參數(shù)的空間分布，利用伴隨方法反演了給定的空間變化的控制變量，證明了參數(shù)空間分布的有效性以及在模型中利用伴隨同化方法反演空間變化的參數(shù)的可行性。 在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，本文在全球尺度上通過(guò)伴

5、隨方法同化SeaWiFS葉綠素資料。在使用參數(shù)空間分布后，表層浮游植物生物量(氮)的平均誤差下降至0.0584mmolN·m-3，與不考慮參數(shù)空間變化的同化實(shí)驗(yàn)相比下降了62.4％。反演出的參數(shù)在空間上呈現(xiàn)顯著的變化特征，證明了空間變化的參數(shù)比參數(shù)取常數(shù)更合理。 通過(guò)使用參數(shù)的空間分布，SeaWiFS圖像上大部分的區(qū)域特征都能被很好地模擬出來(lái)，證明模擬與觀測(cè)之間的區(qū)域性誤差得到了有效控制。 本文發(fā)現(xiàn)同化結(jié)果與獨(dú)立點(diǎn)的數(shù)量