基于粒子濾波的太湖水質(zhì)同化模擬研究.pdf

1、水資源是人類(lèi)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來(lái)，水污染與富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，湖泊水體中水質(zhì)安全狀況顯得尤為重要，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)和保護(hù)工作刻不容緩。目前，數(shù)值模型模擬是研究水體水質(zhì)參數(shù)分布規(guī)律的重要方法之一，已經(jīng)成為研究湖泊水體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和定量評(píng)價(jià)水污染的有效手段。
　　由于湖泊水動(dòng)力和水質(zhì)機(jī)制演化過(guò)程非常復(fù)雜，且數(shù)值模型參數(shù)較多，數(shù)據(jù)獲取困難，致使數(shù)值模型模擬結(jié)果存在一定誤差，難以精確模擬水體水質(zhì)變化，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠得到所監(jiān)測(cè)的水質(zhì)在監(jiān)測(cè)

2、時(shí)刻和所代表的空間上的“真值”，可以較精確的高頻次監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化。數(shù)據(jù)同化方法能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)水動(dòng)力與水質(zhì)數(shù)值模型的模擬過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，使其更加精確體現(xiàn)水動(dòng)力與水質(zhì)參數(shù)分布規(guī)律。
　　基于此，本文利用數(shù)據(jù)同化方法，結(jié)合水體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型，開(kāi)展基于數(shù)據(jù)同化方法的數(shù)值模型模擬研究。以太湖為研究區(qū)，以葉綠素為例，將粒子濾波方法與FVCOM模型相耦合，實(shí)現(xiàn)太湖葉綠素的時(shí)空同化模擬分析。本文的主要研究?jī)?nèi)容與成果如下:
　　(1)

3、基于粒子濾波的方法研究。粒子濾波方法是通過(guò)非參數(shù)化的蒙特卡羅采樣方法從時(shí)域?qū)崿F(xiàn)遞推貝葉斯估計(jì)的一種濾波算法，它不用滿(mǎn)足系統(tǒng)為線性、噪聲高斯分布的限制條件，應(yīng)用范圍較廣。因此，本文將粒子濾波方法引入到三維水體水動(dòng)力與水質(zhì)模型中，構(gòu)建了基于控制模型模擬與粒子濾波處理于一體的太湖同化模擬模型，有效的結(jié)合了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型模擬的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了太湖水質(zhì)參數(shù)的同化模擬方法研究。
　　(2)太湖同化模擬實(shí)驗(yàn)研究。以太湖為研究區(qū)，葉綠素濃度變化為實(shí)驗(yàn)

4、對(duì)象，基于FVCOM水動(dòng)力模型，以粒子濾波方法，從三角網(wǎng)格構(gòu)建、FVCOM影響參數(shù)、初始濃度場(chǎng)生成、FVCOM模型參數(shù)率定、同化模擬影響因子、多線程計(jì)算模式六個(gè)方面構(gòu)建同化模擬模型，對(duì)太湖葉綠素濃度變化規(guī)律及其細(xì)節(jié)特征進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬。通過(guò)對(duì)同化模擬結(jié)果對(duì)比、誤差統(tǒng)計(jì)分析，可以得出同化模擬效果要優(yōu)于不進(jìn)行同化的控制模型模擬結(jié)果，同化模擬結(jié)果的精度較高。
　　(3)太湖水質(zhì)同化模擬系統(tǒng)。結(jié)合模擬預(yù)測(cè)的精度需求，基于GIS可視化技術(shù)，