海洋生态系统模型中参数空间变化的伴随法反演研究

以气候耦合模式FOAM(Fast Ocean-Atmosphere Model)的气候态为背景场,基于参数的空间分布,定量地研究通过伴随同化方法反演空间变化的参数的能力,探讨影响反演结果的主要因素。通过孪生数值实验同化浮游植物资料,发现在单独反演1个空间变化的参数时,两种给定的参数空间变化都可以被很好地反演出来,参数的平均相对误差在4%以内,说明通过伴随同化方法可以有效地反演出空间变化的参数;而当同时反演作为控制变量的五个参数时,各参数变化趋势的搭配对反演结果影响很大,只有当这种搭配与模型中影响浮游植物生物量变化的生态机制一致时,5个参数才能较准确地得到反演。同化含有10%随机误差的观测数据对反演结果的影响不大,进一步说明了利用伴随同化方法反演参数空间变化的有效性。     

基于参数空间分布的海洋生态系统模拟

在模拟大尺度海洋生态系统时,由于子区域的生态系统有着各自的特征,导致参数值在空间上存在差异,因此参数在整个研究区域取常数的做法必须改进.基于此,使用气候模式FOAM的气侯态背景场驱动一个简单的三维海洋生态系统模型,并引入参数的空间分布,在全球尺度上通过伴随方法同化SeaWiFS叶绿素资料.引入参数空间分布后,同化结果得到很大改进:浮游植物表层生物量(氮)的平均差从0.155 3减小至0.060 6 mmol·m-3,下降了60.9%,有效地降低了模拟值与观测值在空间上的差异;浮游植物表层生物量平均值也从0.103 1上升至0.125 2 mmol·m-3,更接近SeaWiFS观测.实验结果表明通过引入参数的空间分布来改进海洋生态系统的模拟是可行的.     

伴随同化方法在渤、黄海生态模式中的应用——生态参数的空间分布

将伴随同化方法用于渤、黄海NPZD三维浮游生态动力学模型的研究中,利用1998年～2006年的SeaWiFS叶绿素资料作为观测数据进行同化实验,优化难以确定的生态参数.文中对参数在整个计算区域取常数时进行了优化,同时尝试了一种新的参数化方案,即在海区中选取一些点作为独立参数点,其它点的参数由独立参数点的值经过线性插值得到,优化独立点的参数后得到所有计算格点的参数.针对这两种不同的参数化方案做了一系列对比实验,结果表明利用伴随同化方法反演空间分布的参数能有效地提高数值模拟的精度.     

海洋生态模型中的伴随同化方法

伴随同化方法（简称“伴随法”）在1995年被首次应用于海洋生态模型,此后,它在海洋生态模型的研究中得到了广泛的应用.在本文中,作者详细阐述了海洋生态模型中伴随法的结构和特点,具体介绍了伴随法在海洋生态模型应用中的研究进展;并且以渤、黄海NPZD生态数值模式为例,展示了伴随法的优越性.     

海洋水温垂直分布数据同化方法研究

以一维海洋水温模型为例,利用伴随法进行海洋观测数据同化试验,以便为水温的数值预报提供较准确的初始场.文中利用泛函的Gâteaux微分和Hilbert空间上伴随算子的概念讨论了连续的伴随模型的建立,并通过选择适当的差分格式离散伴随模型,使其保持连续时的伴随关系,同时给出了水温初始场最优化过程及相应的同化试验数值结果.     

海洋赤潮生态模型参数优化研究

根据中日合作海洋生态围隔试验观测资料,对乔方利等１９９８年提出的赤潮过程生态模型（乔方利等,２０００）进行参数优化研究,得到赤潮过程营养２盐半饱和常数：硅藻,ＫＮ＝１．４ｕｍｏｌ／Ｌ、ＫＰ＝０．１２９ｕｍｏｌ／Ｌ、ＫＳｉ＝１．１６ｕｍｏｌ／Ｌ;鞭毛藻,ＫＮ＝０．３４５ｕｍｏｌ／Ｌ、ＫＰ＝０．１１３ｕｍｏｌ／Ｌ以及其它等共１８个参数的最优取值,并详细讨论了目标泛函的构造和多目标函数参数优化的方法。     

山东近岸黄海海域初级生产力的时空分布变化研究

于2006年8月(夏季)、2006年12月(冬季)、2007年4月(春季)、2007年10月(秋季)对山东黄海近岸初级生产力的分布进行了4个航次的调查,并对其时空分布特征进行了分析.结果显示:(1) 调查海域春、夏、秋、冬4个航次的初级生产力平均值分别为808.798,372.23,324.717和246.146 mg·m-2·d-1,春季的初级生产力最高,冬季的最低.(2) 春、夏、秋季初级生产力的变化在水平方向上总体呈现出近岸高于远岸的分布特征,而冬季的变化趋势正好相反;在垂直分布上,4个航次初级生产力均以相对海平面光强30%～10%的水层为最高,其中夏季初级生产力分层现象明显,春、秋、冬季各水层间的差异不显著.(3) 环境因子的变化对初级生产力的作用不同,利用同化指数法求得的初级生产力比14C同位素示踪法测得的数值高出1～70倍.     

杭州湾三维悬浮泥沙输运模型初始场的伴随法反演研究

在悬沙输运的数值模拟中,初始场的准确给定至关重要。目前诸多确定初始场的方案均存在一定的缺陷,初始场的准确性有待进一步提高。本文基于一个三维悬沙输运伴随同化模型,通过孪生实验和实际实验,对模型初始场进行了伴随法反演研究。在孪生实验中,首先验证了初始场的相对重要性;其次,探讨了初始场的反演结果对优化算法、初始猜测值、卫星遥感数据数量、同化时间窗口宽度和背景流场误差的敏感性;最后,比较了伴随法和插值法重构初始场的能力。孪生实验结果表明:最速下降法对初始场的优化反演效果要优于三种共轭梯度法和有限记忆BFGS法;初始场的反演效果对初始猜测值、卫星遥感数据数量和背景流场误差不敏感,而对同化窗口宽度较为敏感;与插值法相比,伴随法是重构模型初始场更有效的手段。实际实验中,在杭州湾海域同化典型的小潮时期和大潮时期的GOCI卫星遥感资料所得表层悬沙浓度数据,优化反演了初始场。实际实验结果表明:数据同化后,得到了更符合实际的最优初始场,表明伴随法是实现初始场优化反演的有效手段。该研究对进一步改进悬沙输运模型的初始化方案具有一定的参考价值,也对其他数值模型的初始化方案具有一定的借鉴价值。     

南麂列岛海洋自然保护区潮间带贝类资源时空分布

为了解南麂列岛海洋自然保护区潮间带贝类十多年来的动态变化,在1992年研究基础上,于2003年度再赴南麂列岛对岩、沙相贝类进行了研究.本次调查鉴定出贝类105种,其中岩相93种、沙相12种,6种为南麂列岛新记录种,对岩相、沙相贝类组合的生态特征进行了分析,岩相多样性和均匀度指数(1.25~2.20和0.54~0.70)高于沙相的(0.23~0.95和0.17~0.94).岩相贝类数量为3025.70g/m2和2660个/m2,生物量垂直分布为低潮区最高(6471.99g/m2),中潮区居中(3772.09g/m2),高潮区最小(78.35g/m2),栖息密度为中潮区最大(4245个/m2),低潮区居中(2973个/m2),高潮区最小(439个/m2).沙相贝类数量为16.81g/m2和11个/m2,低潮区(29.43g/m2和11个/m2)大于中潮区(14.01g/m2和10个/m2).通过与以往资料比对发现,岩礁贝类数量有所增加,沙滩贝类数量则明显下降,监控区贝类数量明显多于其他区域,对贝类资源变化产生影响的相关因子作了分析探讨.     

数据同化反演风应力拖曳系数以及垂向涡动黏性系数的分布

所作的孪生实验表明:通过利用变分优化控制技术将气象学和海洋学(表层和次表层)的观测资料同化到海洋的埃克曼层模型中,可将未知的边界条件(风应力拖曳系数)和垂向涡动黏性系数的分布同时反演出来.     

浅水潮波模式变分同化共轭码技术研究

以浅水潮波模式为例，详细讨论了共轭码技术的使用方法以及代码检验，并建立了海洋浅水模式的共轭模式。利用浅水潮波模式及其共轭模式进行了流速和水位的初始场优化试验。试验结果表明，初始场优化对于潮波系统数值模拟具有重要的作用，同时也说明利用共轭码技术可以有效地设计共轭模式，进行各种同化试验研究，显示了共轭码技术的诸多优点。     

海浪同化预报模型理论基础

将共轭变分同化方法应用于 LAGFD- WAM海浪数值模式 ,导出了海浪谱能量平衡方程的共轭方程以及风输入、破碎、底摩擦、波波非线性相互作用和波流相互作用的相应共轭源函数 ,建立了海浪同化模型 ,数值计算仍采用特征线嵌入计算格式 ,为合成孔径雷达波谱反演资料和卫星高度计有效波高资料同化奠定理论基础     

水层生态系统动力学模式参数的敏感性分析

通过生态动力学模式参数的敏感性试验,比较详细地讨论了模拟结果对影响因子的敏感性。模式在温度、辐射和透明度等实际观测资料的强迫下,模拟了１９８２年５月至１９８３年５月渤海水层生态系统的年变化。分析表明,浮游植物的最大生长率、海水的消光系数、浮游动物对浮游植物的最大捕食率、捕食效率和碎屑的再矿化率是影响渤海水层生态系统年循环的主要因子。     

基于根轨迹法的海洋生态模型稳定性分析

本文对一类非线性海洋生态模型进行了稳定性分析,并通过广义根轨迹的分析得出,初始时刻营养盐的不同输入对系统稳定性的影响,并用相轨迹图加以验证。通过稳定性分析可知,当浮游植物的生长率和初始时刻营养盐的输入均大于浮游植物的死亡率和营养盐的流失时,系统存在稳定状态。若浮游植物的生长率和初始时刻营养盐的输入增大时,系统的动态性能减少,即系统会更快的趋于稳定状态。     

Numerical study on spatially varying control parameters of a marine ecosystem dynamical model with adjoint method

Based on the simulation of a marine ecosystem dynamical model in the Bohai Sea,the Yellow Sea and the East China Sea,chlorophyll data are assimilated to study the spatially varying control parameters (CPs) by using the adjoint method.In this study,the CPs at some grid points are selected as the independent CPs,while the CPs at other grid points can be obtained through linear interpolation with the independent CPs.The independent CPs are uniformly selected from each 30 × 30 area,and we confirm that the optimal influence radius is 1.2° by a twin experiment.In the following experiments,when only the maximum growth rate of phytoplankton (V m) is estimated by two given types of spatially varying CPs,the mean relative errors of V m are 1.22% and 0.94% while the decrease rates of the mean error of chlorophyll in the surface are 94.6% and 95.8%,respectively.When the other four CPs are estimated respectively,the results are also satisfactory,which indicates that the adjoint method has a strong ability of optimizing the prescribed CP with spatial variations.However,when all these five most important CPs are estimated simultaneously,the collocation of the changing trend of each parameter influences the estimation results remarkably.Only when the collocation of the changing trend of each parameter is consistent with the ecological mechanisms which influence the growth of the phytoplankton in marine ecosystem,could the five most important CPs be estimated more accurately.     

关于海洋生态系统服务的经济属性研究

当前,海洋生态系统的服务价值日益受到科学界的广泛重视。从环境经济学的相关理论出发,深入探讨了海洋生态系统服务的经济属性,以期为海洋生态服务资本的保值与增殖提供理论依据。     

海洋监测设备实验水槽的环境动力参数Ⅱ.模型参数

确定几何缩尺比和模拟的环境参数是开展物理模型实验的基础。为了提供海洋监测仪器设备模型测试时所需的选取环境参数及其模型值的依据,给出了"工作海况"和"极端海况"条件下各典型海域的风、浪、流等环境参数,确定了两个典型几何缩尺比对应的模型参数,并给出典型设备特别是海洋能利用装置在水槽进行模型实验时的模拟参数选取。