【摘要】：海冰作為極地下墊面最重要的特征,對(duì)全球大氣、海洋環(huán)流和氣候變化均有極其重要的影響。另外,冰脊作為海冰表面的主要形態(tài)特征,對(duì)大氣、海冰、海水間的動(dòng)量、熱量交換及冰量、冰厚估算起關(guān)鍵作用,對(duì)海冰熱動(dòng)力學(xué)模式的改進(jìn)和完善有也起推動(dòng)作用。本論文以極地海冰熱力過程、冰脊形態(tài)及動(dòng)力學(xué)特征為研究背景,依據(jù)中國第二次北極科學(xué)考察期間得到的海冰溫度實(shí)測數(shù)據(jù),研究了一類分片光滑非線性分布參數(shù)系統(tǒng)的主要性質(zhì)及參數(shù)辨識(shí)問題；又依據(jù)德國阿爾弗雷德-魏格納極地和海洋研究所在南極威德爾海冬季科學(xué)考察期間測得的海冰表面起伏數(shù)據(jù),研究了一類具有非線性約束的統(tǒng)計(jì)優(yōu)化問題以及聚類算法在數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用問題,并對(duì)冰-氣拖曳系數(shù)和脊帆形拖曳力的參數(shù)化方案進(jìn)行了初步改進(jìn)。以最優(yōu)化算法、偏微分方程數(shù)值方法及概率統(tǒng)計(jì)為研究和分析工具,將實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)合起來,分別對(duì)海冰熱力學(xué)參數(shù)、脊帆形態(tài)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了認(rèn)真探討和研究。本文的研究內(nèi)容和取得的主要結(jié)果概括如下： 1.針對(duì)北極海冰的熱力學(xué)過程,構(gòu)造了描述時(shí)變區(qū)域上海冰熱力學(xué)過程的拋物型分布參數(shù)系統(tǒng)；利用偏微分方程的L2理論證明了該系統(tǒng)弱解的存在唯一性和解對(duì)辨識(shí)參數(shù)的連續(xù)依賴性；采用非重疊區(qū)域分解法將考慮的區(qū)域分為雪層、冰層和海水層三個(gè)時(shí)變子域,并在內(nèi)邊界上引入連續(xù)性條件,使每個(gè)子域充分光滑；基于不可微函數(shù)的優(yōu)化理論及方法,分析并得到了系統(tǒng)及其弱解的一些基本性質(zhì)；基于中國第二次北極科學(xué)考察期間現(xiàn)場測得的雪、冰、海水溫度數(shù)據(jù),提出了以雪、冰厚度為辨識(shí)參數(shù),以數(shù)值計(jì)算值和實(shí)測冰溫偏差為性能指標(biāo)的參數(shù)辨識(shí)模型；證明了最優(yōu)參數(shù)的存在性,并導(dǎo)出了最優(yōu)性條件；計(jì)算結(jié)果不但較好地反映了冰溫隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律,并且與實(shí)測冰溫吻合良好。 2.依據(jù)機(jī)載激光高度計(jì)測得的海冰上表面高度數(shù)據(jù),確定出實(shí)測脊帆高度和間距分布的概率密度；以切斷高度為優(yōu)化變量,以脊帆高度和間距分布的概率密度數(shù)學(xué)模型與實(shí)測分布的概率密度之間的誤差為目標(biāo)函數(shù),以對(duì)應(yīng)于優(yōu)化參數(shù)的脊帆高度和間距分布的概率密度為約束條件,建立了具有非線性約束的統(tǒng)計(jì)優(yōu)化模型,得到了最優(yōu)切斷高度,進(jìn)而從海冰上表面起伏中確定出脊帆；針對(duì)傳統(tǒng)k均值聚類算法需要事先制定類別數(shù)k和容易陷入局部最優(yōu)的缺陷,將粒子群優(yōu)化與傳統(tǒng)k均值聚類算法相結(jié)合搜尋最優(yōu)聚類中心,在迭代過程中不斷更新誤差準(zhǔn)則以確定出最佳類別數(shù),提出了一種改進(jìn)的k均值聚類算法；依據(jù)脊帆強(qiáng)度(平均脊帆高度和間距的比值),利用所改進(jìn)的算法將所測剖面分為三類；并通過與衛(wèi)星圖像的比較驗(yàn)證了算法的有效性；在聚類分析基礎(chǔ)上通過統(tǒng)計(jì)分析和顯著性檢驗(yàn)討論了脊帆強(qiáng)度對(duì)脊帆高度和間距分布的影響,并分析了脊帆各形態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)性。 3.利用拖曳分割理論將冰-氣拖曳力分為兩部分：由冰面局部粗糙單元產(chǎn)生的摩拖曳力和由脊帆引起的形拖曳力；依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù),利用脊帆形態(tài)參數(shù)和空間分布對(duì)中性條件下對(duì)應(yīng)10m高度處風(fēng)速的冰-氣拖曳系數(shù)Cdn(10)和脊帆形拖曳力及其對(duì)冰-氣總拖曳力的貢獻(xiàn)的參數(shù)化方案進(jìn)行了初步改進(jìn)；討論了冰-氣拖曳系數(shù)Cdn(10)和脊帆形拖曳力及其對(duì)冰-氣總拖曳力的貢獻(xiàn)隨脊帆強(qiáng)度和冰面粗糙長度的變化趨勢：脊帆形拖曳力及其對(duì)冰。氣總拖曳力的貢獻(xiàn)均隨脊帆強(qiáng)度減小而減小,隨著粗糙長度增大而減小,但變化率和變化幅度不同,冰-氣拖曳系數(shù)Cdn(10)隨脊帆強(qiáng)度增大呈遞增趨勢,對(duì)較小的脊帆強(qiáng)度,Cdn(10)隨粗糙長度的增大而增大,但脊帆強(qiáng)度較大時(shí),Cdn(10)隨粗糙長度減小而增大。造成不同變化趨勢的主要原因是：對(duì)應(yīng)不同脊帆強(qiáng)度與粗糙長度,摩拖曳力和形拖曳力在冰-氣總拖曳力中相對(duì)優(yōu)勢地位發(fā)生變化,即對(duì)應(yīng)較小的脊帆強(qiáng)度,摩拖曳力占優(yōu)勢地位,而對(duì)應(yīng)較大的脊帆強(qiáng)度,形拖曳力占優(yōu)勢地位。本項(xiàng)工作有助于推動(dòng)海冰動(dòng)力學(xué)模式、熱力-動(dòng)力模式的改進(jìn)和完善。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：P731.15;O232

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2627490