海洋生态系统动力学模型参数反演研究及其应用

发布时间：2017-06-19 15:06

  本文关键词：海洋生态系统动力学模型参数反演研究及其应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：海洋生态系统有两个重要的基本特征,即非线性和层次性。非线性导致海洋生态系统动力学模型中的生态参数之间存在较高的相关性,从而导致模型的模拟结果存在较大误差。海洋生态系统动力学模型中的生态参数的取值问题是一个非常重要并且始终没有得到根本解决的问题,基于此,寻求一种解决生态参数取值问题的方法就显得尤为重要。本文首先在一个基于氮限制的NPZD海洋生态系统动力学模型的基础上,利用伴随同化方法,通过同化海洋表层的叶绿素a数据来反演该模型中的生态参数。在全球海洋中选出五个重要的区域作为我们重点研究区域,这五个重点区域的位置大体上是在远离陆地的温带区域,这种区域的选择既避开了近岸海域的观测数据误差较大和海洋生态系统的模拟结果不准确的局限,又避免了在赤道地区和南极绕极流等地的铁限制条件等不符合该模型的建模初衷和生态参数的季节变化不明显等因素。同化后的每个过程(一共72个过程),无论是代价函数还是观测模拟的绝均差都有很大程度的下降,由此说明该模型对生态参数反演的有效性和在五个重点研究海域进行生态系统模拟的适用性。而本文采用的生态参数的时空分布较以往单纯采用时间分布或者空间分布对模型的模拟结果而言又得到了极大提高,可以预见生态参数的时空分布是一个重要的发展趋势。从单个重点关注区域来看,生态参数的时空分布可以分为两组：Gm和Dp的变化趋势比较一致可以分为一组,另外的三个生态参数Vm、Dp和e变化趋势一致性较好分成另外一组,并且这两组生态参数的时空变化趋势截然相反,这种趋势符合海洋生态系统的内部调节机制,也间接的说明了该模型建模的准确性。而从生态参数在五个不同关键区域的分布来看,生态参数在同一纬度的海区变化比较一致,而关于赤道对称的海区变化则截然相反,这种按照纬度分布的情形也符合客观实际,因为温度、光照以及叶绿素的分布基本是按照纬度来分布的。论文的后半部分对NPZD模型方程进行了改进,使其只含有物理变化,这种简化可以使得我们在研究污染物输运过程中对模型的初始场和源汇项反演时尽量不会受到模型中其他参数的影响。针对渤海蓬莱19-3溢油事故,我们假定渤海中部某个区域突发污染,这一突发污染状况可以认为在很短时间内完成的,也可以认为是污染会持续很长一段时间。为了研究以上两种污染情形对渤海造成的环境影响,分别在污染物的模拟过程中设计了反演模型的初始场和点源的理想实验。实验结果表明,该污染物伴随同化模型能够成功的对给定模型的初始场和点源浓度及其源项的时间分布进行反演,观测模拟误差以及给定分布和反演结果的误差等都有明显的下降,说明了该方法的有效性。在优化初始场的过程中同时探讨了三种优化算法对污染物初始场反演结果的影响,从中得出结论是虽然一些经典的优化算法在理论上具有很好的收敛性质,且在其他目标函数的最小化运算中得到了很好的利用,但在该伴随同化模型的实际应用中却未必实用,而一些简单的优化算法比如本文使用的最速下降法,易于实现、控制和操作,应当予以引起足够的重视。反演点源的孪生实验中比较了使用独立点和不使用独立点时的模型结果,实验结果表明使用独立点能够明显提高点源的反演效果和模型的模拟精度。在对渤海污染物的非点源反演研究中,理想实验验证了该模型在渤海源汇反演的有效性和可行性,而实际实验中为了探讨在渤海污染物模拟中模型对初始状态和源汇这两个变量的敏感度程度高低情况,设计了三组实验：只优化模型的初始场,只优化模型的源汇项,同时优化模型的初始场和源汇项。实验结果表明,在同时优化模型的初始场和源汇时模型的模拟精度最高,而只优化模型的源汇项比单纯优化模型的初始条件得到的观测与模拟结果的误差要小很多且与同时优化这两者时的误差差距非常小。这也说明了通过插值得到的污染物空间分布在模型的模拟精度要求不是很高的情况下是可以作为本模型的初始场来研究的,只需要对模型中的源汇项进行反演就可以满足我们的精度要求。最终通过同时优化模型的初始场和源汇项我们得到了渤海总氮分布规律。
【关键词】：伴随同化 参数反演 时空分布 渤海污染物
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X171;X145
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-23
• 1.1 海洋生态系统动力学模型的研究意义12-14
• 1.2 海洋生态系统动力学模型的发展历程14-17
• 1.3 现阶段海洋生态系统动力学模型存在的问题17-19
• 1.4 伴随同化方法在海洋生态系统动力学模型中的应用19-22
• 1.5 本文内容安排22-23
• 2 模型与数据23-38
• 2.1 模型的控制方程23-27
• 2.2 模型设置及差分格式27-30
• 2.3 伴随模型的建立30-36
• 2.4 模型数据36-38
• 3 生态参数时空分布反演研究38-58
• 3.1 需要优化的生态参数的选取38-39
• 3.2 生态参数反演过程中的独立网格思想39-40
• 3.3 重点研究区域内的实验40-56
• 3.3.1 区域A内的生态参数时空分布42-48
• 3.3.2 其他区域内的生态参数时空分布48-54
• 3.3.3 不同区域之间生态参数的相互关系54-56
• 3.4 本章总结56-58
• 4 渤海污染物初始场反演研究58-79
• 4.1 污染物输运的伴随同化模型及其设置60-68
• 4.1.1 污染物输运的控制方程及差分格式60-62
• 4.1.2 控制方程的伴随方程及其差分格式62-64
• 4.1.3 伴随模型的准确性验证64-66
• 4.1.4 背景流场66-67
• 4.1.5 模型设置67-68
• 4.2 孪生实验68-72
• 4.2.1 给定圆锥曲面分布及其反演结果69-71
• 4.2.2 给定旋转抛物面的分布及其反演结果71-72
• 4.3 优化算法研究72-77
• 4.3.1 L-BFGS算法72-74
• 4.3.2 正则化方法74
• 4.3.3 最速下降法74-76
• 4.3.4 实验结果及分析76-77
• 4.4 本章总结77-79
• 5 渤海污染物点源排放的反演研究79-94
• 5.1 点源的浓度时间分布反演研究80-88
• 5.1.1 实验设计80-82
• 5.1.2 独立时刻污染物浓度的校正82-88
• 5.2 点源的源项时间分布反演研究88-92
• 5.3 本章总结92-94
• 6 渤海污染物输运的非点源反演研究94-107
• 6.1 孪生实验95-99
• 6.1.1 模型设置96-97
• 6.1.2 实验结果及其分析97-99
• 6.2 实际实验99-106
• 6.2.1 污染物源汇随空间变化的实际实验100-103
• 6.2.2 污染物源汇随时空变化的实际实验103-106
• 6.3 本章总结106-107
• 7 论文总结与展望107-111
• 7.1 论文工作总结107-109
• 7.2 论文创新点109-110
• 7.3 研究展望110-111
• 参考文献111-129
• 致谢129-130
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果130

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