海冰物理參數(shù)的辨識(shí)及熱力學(xué)過程的數(shù)值模擬.pdf

1、海冰對(duì)于全球的海洋環(huán)流、大氣環(huán)流和氣候演變具有特別重要的作用，而熱力學(xué)過程直接反映了海冰的生長和消融，因此本論文以海冰的物理參數(shù)及其熱力學(xué)過程為研究背景，以中國第二十二次南極科學(xué)考察所獲取的海冰現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以分布參數(shù)系統(tǒng)的控制理論和偏微分方程的數(shù)值計(jì)算方法為工具，對(duì)海冰物理參數(shù)的辨識(shí)及其熱力學(xué)過程的數(shù)值模擬進(jìn)行了深入的探討和研究.所取得的主要結(jié)果概括如下： 1.針對(duì)雪層、海冰層和海水層實(shí)際的熱力學(xué)過程，分別建立了一維和三

2、維耦合熱力學(xué)系統(tǒng)，得到了這兩個(gè)非光滑系統(tǒng)的性質(zhì)，運(yùn)用拋物型方程的L2理論證明了系統(tǒng)弱解的存在唯一性；并以雪、海冰、海水的密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、熱交換系數(shù)為辨識(shí)參數(shù)，以溫度偏差為性能指標(biāo)，構(gòu)造了一個(gè)使得性能指標(biāo)最小的參數(shù)辨識(shí)模型，證明了辨識(shí)參數(shù)的存在性，并導(dǎo)出了一階必要性條件.從而將非光滑分布參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)的數(shù)學(xué)理論應(yīng)用到了有關(guān)海冰的實(shí)際問題中，為海冰熱力學(xué)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)問題的數(shù)值計(jì)算提供了數(shù)學(xué)理論依據(jù). 2.目前確定海冰鹽度的方

3、法主要是根據(jù)鹽度數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，由于鹽度數(shù)據(jù)的測量是采用人工測量的方法，獲得的數(shù)據(jù)非常有限，所以很難得到其細(xì)微的變化過程.本論文針對(duì)該方法的局限性，提出了一種采用自動(dòng)測量的海冰溫度數(shù)據(jù)和僅有的鹽度數(shù)據(jù)去估計(jì)海冰鹽度的參數(shù)辨識(shí)方法.這里采用了極夜時(shí)期的熱力學(xué)模型和Eicken鹽度的模式.證明了這個(gè)非線性模型解的存在唯一性，并以描述海冰鹽度的參數(shù)為辨識(shí)參數(shù)，以海冰的溫度偏差、鹽度偏差之和為性能指標(biāo)，構(gòu)造了一個(gè)新的使得性能指標(biāo)最小的參數(shù)辨識(shí)模型

4、，證明了辨識(shí)參數(shù)的存在性，提出了一種基于遺傳算法和Hooke-Jeeves算法的混合加速遺傳算法，利用中國第二十二次南極科學(xué)考察隊(duì)所測量的2006年6月21日至7月5日南極中山站內(nèi)拉峽灣的海冰數(shù)據(jù)計(jì)算得到了海冰的鹽度參數(shù)，并運(yùn)用已得到的鹽度參數(shù)對(duì)2006年5月27日至6月20日的海冰溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)果同Eicken的鹽度函數(shù)所計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了比較.從計(jì)算結(jié)果看出，辨識(shí)參數(shù)計(jì)算的結(jié)果優(yōu)于Eicken參數(shù)的結(jié)果，表明本論文所提出的方

5、法是有效可行的，由該方法所獲得的南極中山站內(nèi)拉峽灣海冰鹽度函數(shù)是具有應(yīng)用價(jià)值的，并且這種方法在某種條件下可作為海冰現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的一種豐富和補(bǔ)充. 3.海冰熱力學(xué)數(shù)值模式要向精細(xì)方向發(fā)展，而提高海冰數(shù)值預(yù)報(bào)精度的關(guān)鍵不僅在于模式結(jié)構(gòu)本身，而且在于模式所涉及參數(shù)的選定，所以建立和完善具有觀測依據(jù)的熱力學(xué)模式參數(shù)化方案至關(guān)重要.本論文采用了非極夜時(shí)期的熱力學(xué)模型和本論文已經(jīng)獲得的海冰鹽度函數(shù)，對(duì)該模型中描述熱源項(xiàng)的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了參

6、數(shù)辨識(shí).首先利用區(qū)域分解法和Galerkin方法證明了該系統(tǒng)弱解的存在唯一性，并以這些關(guān)鍵參數(shù)為辨識(shí)參數(shù)，以溫度偏差為性能指標(biāo)，構(gòu)造了使性能指標(biāo)最小的參數(shù)辨識(shí)模型，證明了該辨識(shí)參數(shù)的存在性，并采用本論文先前提出的混合加速遺傳算法，利用中國第二十二次南極科學(xué)考察隊(duì)所測量的2006年8月1日至8月31日南極中山站內(nèi)拉峽灣的海冰溫度數(shù)據(jù)求出了辨識(shí)參數(shù)，并運(yùn)用已得到的辨識(shí)參數(shù)對(duì)2006年9月1日至9月30日的海冰溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬，其計(jì)算結(jié)果同