海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型伴隨同化研究及應(yīng)用.pdf

1、海洋生態(tài)系統(tǒng)具有典型的非線性特征，微小的擾動(dòng)通過非線性作用得以放大，因此在海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬中，參數(shù)的取值可以顯著影響模型的模擬結(jié)果。然而模型中的參數(shù)很難精確確定，不僅因?yàn)樯鷳B(tài)模型中某些參數(shù)之間具有很高的相關(guān)性，還因?yàn)槟Ｐ椭泻芏鄥?shù)不是常數(shù)，在空間大尺度上，由于溫度、光照等環(huán)境因素的不同，生態(tài)模型中的參數(shù)在不同海區(qū)的取值也不盡相同；即使是同一海區(qū)，溫度、光照等環(huán)境因素也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，從而導(dǎo)致參數(shù)的取值發(fā)生變化。在以往的研究中

2、，參數(shù)通常取常數(shù)，不隨空間、時(shí)間發(fā)生變化，導(dǎo)致模型的模擬結(jié)果與觀測結(jié)果存在較大差異，且該問題不能通過增加模型復(fù)雜性得到解決。
　　在本文中，首先在渤黃海建立了一個(gè)典型的三維營養(yǎng)鹽-浮游植物-浮游動(dòng)物-碎屑（NPZD）生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型及伴隨模型，模型的背景流場由POM(Princeton Ocean Model)模式提供，只考慮背景流場對生態(tài)變量的作用，而未考慮生態(tài)變量對背景流場的反作用，根據(jù)已有的SeaWiFS葉綠素資料，利用伴

3、隨同化方法對模型中的全部12個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)模型中的某些參數(shù)之間具有很高的相關(guān)性，且優(yōu)化后的參數(shù)都具有明顯的季節(jié)變化，大部分參數(shù)的季節(jié)變化可以在生物學(xué)上得到很好的解釋。與參數(shù)取常數(shù)相比，隨時(shí)間變化的參數(shù)可以顯著提高模型的模擬能力。
　　對生態(tài)模型中隨空間變化的參數(shù)進(jìn)行反演時(shí)，首先通過敏感性分析，找出模型中對模擬結(jié)果影響最大的5個(gè)參數(shù)作為研究對象。為了保證參數(shù)空間分布的連續(xù)性，使得模擬結(jié)果更加合理，選取一些網(wǎng)格點(diǎn)作為獨(dú)立網(wǎng)格

4、點(diǎn)，只需對獨(dú)立網(wǎng)格點(diǎn)的參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，其它網(wǎng)格點(diǎn)的參數(shù)值通過Cressman插值得到，利用此方法通過孿生數(shù)值實(shí)驗(yàn)得到了最優(yōu)的影響半徑。給定兩種形式的空間分布，孿生數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明只對模型中的一個(gè)參數(shù)進(jìn)行反演時(shí)，對于給定的兩種空間分布，每個(gè)參數(shù)都可以得到很好的反演，且參數(shù)的空間分布越符合實(shí)際情況越容易反演；同時(shí)對5個(gè)參數(shù)進(jìn)行反演時(shí)，只有當(dāng)參數(shù)空間分布的搭配與它們在生態(tài)系統(tǒng)中引起浮游植物生物量變化的作用相一致時(shí)，5個(gè)參數(shù)才能得到較準(zhǔn)確的反演。實(shí)

5、驗(yàn)表明海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中參數(shù)空間變化是合理可行的，可將此方法應(yīng)用到實(shí)際問題，從而更好地模擬葉綠素等生態(tài)變量的空間分布特征。
　　渤海是我國唯一的內(nèi)海，陸源排污量很大，但水交換能力低下，一旦遭到污染將很難得到改善，因此準(zhǔn)確模擬渤海污染物（總氮、總磷、COD等）的時(shí)空變化特征，對實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。對污染物的時(shí)空分布進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，初始場對模擬結(jié)果的影響很大，本文中將污染物當(dāng)作保守物質(zhì)，只考慮污染物一種狀態(tài)變量的輸

6、運(yùn)擴(kuò)散過程，同時(shí)借鑒參數(shù)空間分布中“獨(dú)立網(wǎng)格點(diǎn)”的思想，利用伴隨同化方法對渤海區(qū)污染物的初始場進(jìn)行反演。孿生數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明：給定旋轉(zhuǎn)拋物面和圓錐面兩種形式的污染物初始分布，不論污染物濃度中間高、四周低還是四周高、中間低，均可得到較好的反演結(jié)果。與傳統(tǒng)的插值方法相比，伴隨同化方法可有效減少模擬結(jié)果與觀測值的誤差，模擬結(jié)果能更好的反映污染物的全場分布特征，驗(yàn)證了模型的穩(wěn)定性與可靠性。最后把該模型應(yīng)用到實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，利用已有常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對渤海污