本文關(guān)鍵詞：海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)反演研究及其應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：海洋生態(tài)系統(tǒng)有兩個(gè)重要的基本特征,即非線性和層次性。非線性導(dǎo)致海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中的生態(tài)參數(shù)之間存在較高的相關(guān)性,從而導(dǎo)致模型的模擬結(jié)果存在較大誤差。海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中的生態(tài)參數(shù)的取值問題是一個(gè)非常重要并且始終沒有得到根本解決的問題,基于此,尋求一種解決生態(tài)參數(shù)取值問題的方法就顯得尤為重要。本文首先在一個(gè)基于氮限制的NPZD海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,利用伴隨同化方法,通過同化海洋表層的葉綠素a數(shù)據(jù)來反演該模型中的生態(tài)參數(shù)。在全球海洋中選出五個(gè)重要的區(qū)域作為我們重點(diǎn)研究區(qū)域,這五個(gè)重點(diǎn)區(qū)域的位置大體上是在遠(yuǎn)離陸地的溫帶區(qū)域,這種區(qū)域的選擇既避開了近岸海域的觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大和海洋生態(tài)系統(tǒng)的模擬結(jié)果不準(zhǔn)確的局限,又避免了在赤道地區(qū)和南極繞極流等地的鐵限制條件等不符合該模型的建模初衷和生態(tài)參數(shù)的季節(jié)變化不明顯等因素。同化后的每個(gè)過程(一共72個(gè)過程),無論是代價(jià)函數(shù)還是觀測(cè)模擬的絕均差都有很大程度的下降,由此說明該模型對(duì)生態(tài)參數(shù)反演的有效性和在五個(gè)重點(diǎn)研究海域進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)模擬的適用性。而本文采用的生態(tài)參數(shù)的時(shí)空分布較以往單純采用時(shí)間分布或者空間分布對(duì)模型的模擬結(jié)果而言又得到了極大提高,可以預(yù)見生態(tài)參數(shù)的時(shí)空分布是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。從單個(gè)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域來看,生態(tài)參數(shù)的時(shí)空分布可以分為兩組：Gm和Dp的變化趨勢(shì)比較一致可以分為一組,另外的三個(gè)生態(tài)參數(shù)Vm、Dp和e變化趨勢(shì)一致性較好分成另外一組,并且這兩組生態(tài)參數(shù)的時(shí)空變化趨勢(shì)截然相反,這種趨勢(shì)符合海洋生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)制,也間接的說明了該模型建模的準(zhǔn)確性。而從生態(tài)參數(shù)在五個(gè)不同關(guān)鍵區(qū)域的分布來看,生態(tài)參數(shù)在同一緯度的海區(qū)變化比較一致,而關(guān)于赤道對(duì)稱的海區(qū)變化則截然相反,這種按照緯度分布的情形也符合客觀實(shí)際,因?yàn)闇囟�、光照以及葉綠素的分布基本是按照緯度來分布的。論文的后半部分對(duì)NPZD模型方程進(jìn)行了改進(jìn),使其只含有物理變化,這種簡(jiǎn)化可以使得我們?cè)谘芯课廴疚镙斶\(yùn)過程中對(duì)模型的初始場(chǎng)和源匯項(xiàng)反演時(shí)盡量不會(huì)受到模型中其他參數(shù)的影響。針對(duì)渤海蓬萊19-3溢油事故,我們假定渤海中部某個(gè)區(qū)域突發(fā)污染,這一突發(fā)污染狀況可以認(rèn)為在很短時(shí)間內(nèi)完成的,也可以認(rèn)為是污染會(huì)持續(xù)很長一段時(shí)間。為了研究以上兩種污染情形對(duì)渤海造成的環(huán)境影響,分別在污染物的模擬過程中設(shè)計(jì)了反演模型的初始場(chǎng)和點(diǎn)源的理想實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該污染物伴隨同化模型能夠成功的對(duì)給定模型的初始場(chǎng)和點(diǎn)源濃度及其源項(xiàng)的時(shí)間分布進(jìn)行反演,觀測(cè)模擬誤差以及給定分布和反演結(jié)果的誤差等都有明顯的下降,說明了該方法的有效性。在優(yōu)化初始場(chǎng)的過程中同時(shí)探討了三種優(yōu)化算法對(duì)污染物初始場(chǎng)反演結(jié)果的影響,從中得出結(jié)論是雖然一些經(jīng)典的優(yōu)化算法在理論上具有很好的收斂性質(zhì),且在其他目標(biāo)函數(shù)的最小化運(yùn)算中得到了很好的利用,但在該伴隨同化模型的實(shí)際應(yīng)用中卻未必實(shí)用,而一些簡(jiǎn)單的優(yōu)化算法比如本文使用的最速下降法,易于實(shí)現(xiàn)、控制和操作,應(yīng)當(dāng)予以引起足夠的重視。反演點(diǎn)源的孿生實(shí)驗(yàn)中比較了使用獨(dú)立點(diǎn)和不使用獨(dú)立點(diǎn)時(shí)的模型結(jié)果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用獨(dú)立點(diǎn)能夠明顯提高點(diǎn)源的反演效果和模型的模擬精度。在對(duì)渤海污染物的非點(diǎn)源反演研究中,理想實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型在渤海源匯反演的有效性和可行性,而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中為了探討在渤海污染物模擬中模型對(duì)初始狀態(tài)和源匯這兩個(gè)變量的敏感度程度高低情況,設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)：只優(yōu)化模型的初始場(chǎng),只優(yōu)化模型的源匯項(xiàng),同時(shí)優(yōu)化模型的初始場(chǎng)和源匯項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在同時(shí)優(yōu)化模型的初始場(chǎng)和源匯時(shí)模型的模擬精度最高,而只優(yōu)化模型的源匯項(xiàng)比單純優(yōu)化模型的初始條件得到的觀測(cè)與模擬結(jié)果的誤差要小很多且與同時(shí)優(yōu)化這兩者時(shí)的誤差差距非常小。這也說明了通過插值得到的污染物空間分布在模型的模擬精度要求不是很高的情況下是可以作為本模型的初始場(chǎng)來研究的,只需要對(duì)模型中的源匯項(xiàng)進(jìn)行反演就可以滿足我們的精度要求。最終通過同時(shí)優(yōu)化模型的初始場(chǎng)和源匯項(xiàng)我們得到了渤海總氮分布規(guī)律。
【關(guān)鍵詞】：伴隨同化 參數(shù)反演 時(shí)空分布 渤海污染物
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X171;X145
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-23
• 1.1 海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的研究意義12-14
• 1.2 海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的發(fā)展歷程14-17
• 1.3 現(xiàn)階段海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型存在的問題17-19
• 1.4 伴隨同化方法在海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中的應(yīng)用19-22
• 1.5 本文內(nèi)容安排22-23
• 2 模型與數(shù)據(jù)23-38
• 2.1 模型的控制方程23-27
• 2.2 模型設(shè)置及差分格式27-30
• 2.3 伴隨模型的建立30-36
• 2.4 模型數(shù)據(jù)36-38
• 3 生態(tài)參數(shù)時(shí)空分布反演研究38-58
• 3.1 需要優(yōu)化的生態(tài)參數(shù)的選取38-39
• 3.2 生態(tài)參數(shù)反演過程中的獨(dú)立網(wǎng)格思想39-40
• 3.3 重點(diǎn)研究區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)40-56
• 3.3.1 區(qū)域A內(nèi)的生態(tài)參數(shù)時(shí)空分布42-48
• 3.3.2 其他區(qū)域內(nèi)的生態(tài)參數(shù)時(shí)空分布48-54
• 3.3.3 不同區(qū)域之間生態(tài)參數(shù)的相互關(guān)系54-56
• 3.4 本章總結(jié)56-58
• 4 渤海污染物初始場(chǎng)反演研究58-79
• 4.1 污染物輸運(yùn)的伴隨同化模型及其設(shè)置60-68
• 4.1.1 污染物輸運(yùn)的控制方程及差分格式60-62
• 4.1.2 控制方程的伴隨方程及其差分格式62-64
• 4.1.3 伴隨模型的準(zhǔn)確性驗(yàn)證64-66
• 4.1.4 背景流場(chǎng)66-67
• 4.1.5 模型設(shè)置67-68
• 4.2 孿生實(shí)驗(yàn)68-72
• 4.2.1 給定圓錐曲面分布及其反演結(jié)果69-71
• 4.2.2 給定旋轉(zhuǎn)拋物面的分布及其反演結(jié)果71-72
• 4.3 優(yōu)化算法研究72-77
• 4.3.1 L-BFGS算法72-74
• 4.3.2 正則化方法74
• 4.3.3 最速下降法74-76
• 4.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析76-77
• 4.4 本章總結(jié)77-79
• 5 渤海污染物點(diǎn)源排放的反演研究79-94
• 5.1 點(diǎn)源的濃度時(shí)間分布反演研究80-88
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)80-82
• 5.1.2 獨(dú)立時(shí)刻污染物濃度的校正82-88
• 5.2 點(diǎn)源的源項(xiàng)時(shí)間分布反演研究88-92
• 5.3 本章總結(jié)92-94
• 6 渤海污染物輸運(yùn)的非點(diǎn)源反演研究94-107
• 6.1 孿生實(shí)驗(yàn)95-99
• 6.1.1 模型設(shè)置96-97
• 6.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析97-99
• 6.2 實(shí)際實(shí)驗(yàn)99-106
• 6.2.1 污染物源匯隨空間變化的實(shí)際實(shí)驗(yàn)100-103
• 6.2.2 污染物源匯隨時(shí)空變化的實(shí)際實(shí)驗(yàn)103-106
• 6.3 本章總結(jié)106-107
• 7 論文總結(jié)與展望107-111
• 7.1 論文工作總結(jié)107-109
• 7.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)109-110
• 7.3 研究展望110-111
• 參考文獻(xiàn)111-129
• 致謝129-130
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果130

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本文編號(hào)：462865