海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中控制參數(shù)時(shí)空分布的反演研究.pdf

1、研究海洋生態(tài)學(xué)的目的是，通過加強(qiáng)對全球海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識，來提高預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)全球變化的能力。發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型成為對復(fù)雜的海洋環(huán)境進(jìn)行研究的一種重要手段。模型中參數(shù)的取值很大程度上影響著模擬效果。在以往海洋生態(tài)模擬工作中，部分研究者在一定程度上優(yōu)化出隨空間變化的生態(tài)參數(shù)，也有研究表明關(guān)鍵生態(tài)參數(shù)在時(shí)間上存在變化，但是至今沒有研究考慮同時(shí)隨時(shí)間和空間變化的參數(shù)。本文在改進(jìn)參數(shù)優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，利用伴隨同化方法優(yōu)化出隨時(shí)空

2、變化的參數(shù)，提高了模擬精度。
　　在SODA數(shù)據(jù)提供的背景場下，本文將伴隨同化方法應(yīng)用于一個(gè)全球尺度的三維海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，該模型含有NPZD（營養(yǎng)鹽、浮游植物、浮游動(dòng)物、碎屑）四個(gè)狀態(tài)變量。
　　基于參數(shù)空間分布，在理想實(shí)驗(yàn)中同化由模型產(chǎn)生的表層浮游植物“觀測”數(shù)據(jù)，單獨(dú)反演空間變化的浮游植物最大生長率Vm，其它參數(shù)取常數(shù)并保持不變。通過改進(jìn)步長因子，得到最優(yōu)的參數(shù)調(diào)整方案，同化效率明顯提高：與前人的方案相比，在同化

3、相同步數(shù)的情況下，約化后的代價(jià)函數(shù)值（RCF）、模擬與“觀測”的平均誤差（MAE）以及反演參數(shù)與給定參數(shù)的之間的相對誤差（RE）均明顯減小，反演的空間變化曲面與給定的空間變化曲面基本一致。通過探討不同獨(dú)立點(diǎn)方案和影響半徑的選擇對模擬結(jié)果的影響，找出獨(dú)立點(diǎn)間的距離與最優(yōu)影響半徑之間的比例關(guān)系，為接下來的實(shí)驗(yàn)提供有利參考。通過比較不同時(shí)間步長對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)減小時(shí)間步長，計(jì)算量大大增加，但是對模擬結(jié)果影響不大。同時(shí)反演五個(gè)給定空間變化

4、的參數(shù)，即影響生態(tài)機(jī)制的關(guān)鍵參數(shù)Vm、Gm、Dp、Dz、e（統(tǒng)稱為 KP），模擬精度和同化效率得到提高，各參數(shù)的RE都在6％以內(nèi)，表明在海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)伴隨同化模型中通過優(yōu)化步長因子，選擇適當(dāng)?shù)莫?dú)立點(diǎn)方案和時(shí)間步長，能夠提高同化效率和模擬精度。通過對所有理想實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)反演前后參數(shù)的RE與表層浮游植物的MAE正相關(guān)，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.8，說明表層浮游植物的MAE不僅能反應(yīng)模擬結(jié)果誤差的大小，在一定程度上還能反映參

5、數(shù)反演結(jié)果的優(yōu)劣，因此浮游植物的MAE可以在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中作為檢驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化正確與否的指標(biāo)。
　　在上述工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)。將一年分為72個(gè)過程（每個(gè)過程5天），劃定16°N-44°N，173°E-142°W（位于北太平洋）以及16°N-44°N，167°W-122°W（位于南太平洋）作為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。針對每一個(gè)區(qū)域，通過同化每一個(gè)過程的SeaWiFS表層葉綠素?cái)?shù)據(jù)，優(yōu)化5個(gè)KP，得到了它們在該區(qū)域的時(shí)空分布。對于每一個(gè)KP，首

6、先，分別將其在時(shí)間和空間上求平均，得到參數(shù)的空間分布場（KPS）和時(shí)間分布序列（KPT）；其次，將KPS在空間上求平均（或者將 KPT在時(shí)間上求平均），得到一個(gè)常數(shù)（KPC）；最后，利用 KPS、KPT和KPC表示出KP的另一種時(shí)空變化形式KPST，它減少了模擬過程中變量個(gè)數(shù)。分析結(jié)果表明，無論是空間分布還是時(shí)間分布，Vm、Dz和e均具有相同的變化趨勢，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.99，Dp和Gm亦然；而Vm、Dz和e的變化趨勢與Dp和Gm的變化趨

7、勢呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)可達(dá)-0.99。將區(qū)域A與區(qū)域A’內(nèi)統(tǒng)計(jì)得到的KPT的距平進(jìn)行對比，結(jié)果表明，對于每一個(gè)參數(shù)而言，其距平隨時(shí)間和空間變化，Vm、Dz和 e的距平在冬半年為正值，在夏半年為負(fù)值，而Dp和Gm的距平在冬半年為負(fù)值，在夏半年為正值。5個(gè)參數(shù)的變化趨勢符合物理意義和生態(tài)機(jī)制。
　　將模型中的參數(shù)分別按上述4種形式賦值，運(yùn)行正向模式，模擬時(shí)間為1年。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明考慮參數(shù)時(shí)空分布的實(shí)驗(yàn)誤差最小。說明在海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值