海洋生態(tài)系統動力學數值模擬與同化研究.pdf

1、隨著人類對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)律及評估其對人類生存環(huán)境帶來的影響成為一個關鍵的科學問題。作為這一問題中的重要一環(huán)，海洋生態(tài)系統數值模擬成為一個研究熱點，這也對海洋生態(tài)系統動力學模型提出了更高的要求。 在這種背景下，海洋生態(tài)系統動力學模型在模型維數、應用范圍與模型復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有考慮關鍵生態(tài)參數在空間上存在變化這一特征，

2、并認為在模擬區(qū)域中存在普適的一組參數，導致模擬結果與觀測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改進背景物理環(huán)境或增加新的生態(tài)機制而得到有效控制。 這個問題在大洋尺度甚至全球尺度的海洋生態(tài)系統模擬中表現地尤為突出，為了彌補這一缺陷，一些研究者根據實測數據估計局地參數或者是分區(qū)優(yōu)化參數，并采用一些方法對參數進行平滑，雖然這些做法在一定程度上實現了參數的空間變化，卻沒有將模型與有限的觀測作為一個整體來考慮，不能優(yōu)化參數至全

3、局最優(yōu)，因此不能準確地描述模型參數在空間上的變化。本文使用一種全新的方法即參數的空間分布來實現參數的空間變化，并深入研究了是否能通過此方法改進模擬與同化結果。 在氣候耦合模式FOAM的氣候態(tài)背景場下，本文建立了一個簡單的全球尺度上的三維海洋生態(tài)系統動力學模型及其伴隨模型，在500米深度內進行數值模擬與同化研究。通過在底層添加營養(yǎng)鹽修正項的方式解決了模擬過程中營養(yǎng)鹽不斷耗散的問題，保障了模型的平穩(wěn)運行。 結合考察敏感性函數

4、與代價函數關于模型參數的梯度量級兩種方法，對各模型參數進行了敏感性分析，挑選出對模擬結果敏感且不相關的五個參數作為控制變量。在孿生數值實驗中，通過同化模型產生的‘觀測數據’來反演控制變量。首先通過反演無空間變化的控制變量驗證了伴隨模型的正確性，繼而基于參數的空間分布，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的可行性。 在實際實驗中，本文在全球尺度上通過伴

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