【摘要】：近年來,湖泊水污染及其富營養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重,湖泊水污染嚴(yán)重影響著地球生態(tài)和人們的生活環(huán)境。加強(qiáng)對湖泊水污染的監(jiān)測與治理工作刻不容緩。數(shù)值模型模擬作為湖泊水質(zhì)模擬與預(yù)測的有效手段,它能夠模擬復(fù)雜的湖泊水流運(yùn)動狀態(tài)和湖泊水質(zhì)的運(yùn)移變化情況。但由于湖泊水動力/水質(zhì)的演化機(jī)制十分復(fù)雜,模擬參數(shù)較多且數(shù)據(jù)獲取困難,使數(shù)值模型模擬在長時(shí)間序列模擬中的誤差較大,模擬結(jié)果不準(zhǔn)確。而高頻次的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可以較精確的監(jiān)測水質(zhì)的變化情況。因此,可以考慮使用數(shù)據(jù)同化方法結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對模型模擬結(jié)果的實(shí)時(shí)修正。集合卡爾曼濾波作為一種順序數(shù)據(jù)同化方法,初值擾動場的生成是其關(guān)鍵步驟,對集合卡爾曼濾波的同化結(jié)果有著重要的影響。標(biāo)準(zhǔn)集合卡爾曼濾波使用蒙特卡羅方法生成初值擾動場,其得到的擾動場的誤差增長率不高;而增長模繁殖法(BGM)生成的擾動場的誤差增長率比蒙特卡羅方法要好,但它會出現(xiàn)誤差中短期不增長及增長率達(dá)到飽和時(shí)間長等問題。因此,考慮設(shè)計(jì)一種動態(tài)BGM方法生成初值擾動場,減小初值擾動對集合卡爾曼濾波同化方法的影響。基于此,本文使用集合卡爾曼濾波同化方法,耦合FVCOM三維水動力模型,設(shè)計(jì)動態(tài)BGM初值擾動場生成方法。以太湖為研究區(qū),依據(jù)太湖葉綠素實(shí)測數(shù)據(jù)和氣象水文數(shù)據(jù)構(gòu)建基于集合卡爾曼濾波的太湖葉綠素同化模擬模型,利用高頻次的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)修正模型模擬結(jié)果,并開展基于不同擾動場生成方法的集合卡爾曼濾波太湖葉綠素同化案例對比研究。本文的主要研究內(nèi)容與成果如下:(1)動態(tài)BGM初值擾動場生成方法研究本研究針對蒙特卡羅方法生成初值擾動場得到的擾動增長率不高和BGM方法生成初值擾動場時(shí)會出現(xiàn)誤差中短期不增長且擾動增長率到達(dá)飽和時(shí)間長等問題,研究了動態(tài)BGM生成初值擾動場的方法,并設(shè)計(jì)了動態(tài)BGM生成初值擾動場的具體實(shí)現(xiàn)方案,實(shí)現(xiàn)了動態(tài)BGM生成初值擾動場在集合卡爾曼濾波中的應(yīng)用,減小了初值擾動對集合卡爾曼濾波同化模擬的影響,改善了集合卡爾曼濾波同化模擬的效果。(2)基于集合卡爾曼濾波的太湖葉綠素同化模擬方法研究本文以太湖葉綠素實(shí)測數(shù)據(jù)和氣象水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),研究了集合卡爾曼濾波數(shù)據(jù)同化方法,并集成FVCOM三維水動力模型,構(gòu)建了基于集合卡爾曼濾波的同化模擬模型,開展了基于集合卡爾曼濾波的太湖葉綠素同化模擬方法研究,實(shí)現(xiàn)了利用高頻次的葉綠素實(shí)測數(shù)據(jù)修正模型運(yùn)行結(jié)果,提高了模型模擬的結(jié)果精度。并利用可視化手段再現(xiàn)了太湖全湖葉綠素濃度的時(shí)空分布情況,為太湖水污染的治理提供輔助決策支持。(3)基于動態(tài)BGM的集合卡爾曼濾波同化模擬對比實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的動態(tài)BGM方法的有效性,依據(jù)構(gòu)建的同化模型,開展基于動態(tài)BGM的集合卡爾曼濾波同化模擬對比案例研究,設(shè)計(jì)了模型模擬實(shí)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)集合卡爾曼濾波同化模擬實(shí)驗(yàn)、基于BGM的集合卡爾曼濾波同化模擬實(shí)驗(yàn)和基于動態(tài)BGM的集合卡爾曼濾波同化模擬實(shí)驗(yàn)。通過對4個實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和精度的對比分析表明,基于動態(tài)BGM的集合卡爾曼濾波同化模擬模型是有效的,且標(biāo)準(zhǔn)集合卡爾曼濾波同化模擬、基于BGM的集合卡爾曼濾波同化模擬和基于動態(tài)BGM的集合卡爾曼濾波同化模擬都在不同程度上改善了模型模擬效果,提高了模型模擬的結(jié)果精度。
【圖文】：

的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源（由太湖環(huán)境監(jiān)測中心提供）。具體為２０１５年１２月１逡逑日００點(diǎn)至２０１５年１２月４日２３點(diǎn)每隔１小時(shí)的太湖水體表層葉綠素監(jiān)測數(shù)據(jù)逡逑及風(fēng)場實(shí)測數(shù)據(jù)。�。箓�浮標(biāo)站點(diǎn)空間分布如圖３－１所示，浮標(biāo)站點(diǎn)編號對應(yīng)的浮逡逑標(biāo)名稱見表３－１。逡逑本次研究中，１９個浮標(biāo)站上均提供了葉綠素實(shí)測數(shù)據(jù)，其中編號為ｎｏ．ｌ、逡逑ｎｏ．３、ｎｏ．５、ｎｏ．６、ｎ0．８、ｎｏ．１０、ｎｏ．ｌｌ、ｎｏ．１２、ｎｏ．１４、ｎｏ．１５、ｎｏ．１６、ｎｏ．１７、ｎｏ．１８逡逑共１３個浮標(biāo)站提供了風(fēng)場實(shí)測數(shù)據(jù)。逡逑太湖研究區(qū)及浮標(biāo)站點(diǎn)逡逑＾邋＂°－７逡逑▲邐▲邐ｒ逡逑廣４邐ＨＯ．Ｕ１邐圖例逡逑３邐▲邐▲：彟yU逡逑；Ａ逡逑ｎｏ．邋８邐＾邐ｎｏ．６逡逑ｎｏ．邋５邐▲邐Ａ逡逑＾邐ｒ＾ｂ．１６逡逑｜邐ｒ？．邋２邐ｎｏ．邐S緬義希у濉危簦荊哄澹椋危�，辶x�，，１５邋▲逦一—＇逦＇辶x�、广▲广：１７辶x希五邋澹板危渝危族危玻板澹耍椋錚恚澹簦澹潁簀義襄五五邋澹殄義賢跡常碧芯殼案”甑沐義希玻卞義

本文編號：2589089