海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學模型中控制參數時空分布的反演研究.pdf

1、研究海洋生態(tài)學的目的是，通過加強對全球海洋生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的認識，來提高預測生態(tài)系統(tǒng)響應全球變化的能力。發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)動力學模型成為對復雜的海洋環(huán)境進行研究的一種重要手段。模型中參數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，也有研究表明關鍵生態(tài)參數在時間上存在變化，但是至今沒有研究考慮同時隨時間和空間變化的參數。本文在改進參數優(yōu)化方案的基礎上，利用伴隨同化方法優(yōu)化出隨時空

2、變化的參數，提高了模擬精度。
　　在SODA數據提供的背景場下，本文將伴隨同化方法應用于一個全球尺度的三維海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學模型，該模型含有NPZD（營養(yǎng)鹽、浮游植物、浮游動物、碎屑）四個狀態(tài)變量。
　　基于參數空間分布，在理想實驗中同化由模型產生的表層浮游植物“觀測”數據，單獨反演空間變化的浮游植物最大生長率Vm，其它參數取常數并保持不變。通過改進步長因子，得到最優(yōu)的參數調整方案，同化效率明顯提高：與前人的方案相比，在同化

3、相同步數的情況下，約化后的代價函數值（RCF）、模擬與“觀測”的平均誤差（MAE）以及反演參數與給定參數的之間的相對誤差（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。通過探討不同獨立點方案和影響半徑的選擇對模擬結果的影響，找出獨立點間的距離與最優(yōu)影響半徑之間的比例關系，為接下來的實驗提供有利參考。通過比較不同時間步長對實驗結果的影響，發(fā)現減小時間步長，計算量大大增加，但是對模擬結果影響不大。同時反演五個給定空間變化

4、的參數，即影響生態(tài)機制的關鍵參數Vm、Gm、Dp、Dz、e（統(tǒng)稱為 KP），模擬精度和同化效率得到提高，各參數的RE都在6％以內，表明在海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學伴隨同化模型中通過優(yōu)化步長因子，選擇適當的獨立點方案和時間步長，能夠提高同化效率和模擬精度。通過對所有理想實驗的結果進行線性回歸分析，發(fā)現反演前后參數的RE與表層浮游植物的MAE正相關，兩者的相關系數為0.8，說明表層浮游植物的MAE不僅能反應模擬結果誤差的大小，在一定程度上還能反映參

5、數反演結果的優(yōu)劣，因此浮游植物的MAE可以在實際實驗中作為檢驗參數優(yōu)化正確與否的指標。
　　在上述工作的基礎上，進行實際實驗。將一年分為72個過程（每個過程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）作為重點關注區(qū)域。針對每一個區(qū)域，通過同化每一個過程的SeaWiFS表層葉綠素數據，優(yōu)化5個KP，得到了它們在該區(qū)域的時空分布。對于每一個KP，首

6、先，分別將其在時間和空間上求平均，得到參數的空間分布場（KPS）和時間分布序列（KPT）；其次，將KPS在空間上求平均（或者將 KPT在時間上求平均），得到一個常數（KPC）；最后，利用 KPS、KPT和KPC表示出KP的另一種時空變化形式KPST，它減少了模擬過程中變量個數。分析結果表明，無論是空間分布還是時間分布，Vm、Dz和e均具有相同的變化趨勢，相關系數可達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、勢呈負相關，相關系數可達-0.99。將區(qū)域A與區(qū)域A’內統(tǒng)計得到的KPT的距平進行對比，結果表明，對于每一個參數而言，其距平隨時間和空間變化，Vm、Dz和 e的距平在冬半年為正值，在夏半年為負值，而Dp和Gm的距平在冬半年為負值，在夏半年為正值。5個參數的變化趨勢符合物理意義和生態(tài)機制。
　　將模型中的參數分別按上述4種形式賦值，運行正向模式，模擬時間為1年。實驗結果表明考慮參數時空分布的實驗誤差最小。說明在海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學數值