海洋生态系统模型中参数空间变化伴随法反演研究.pdf

第39卷 第 5期 中 国 海 洋 大 学 学 报 39(5)：846～854 2009年 9月 PERIODICAIJOF OCEAN UNIVERSITY OFCHINA Sep．，2009 海洋生态系统模型中参数空间变化的伴随法反演研究 吕成青，樊 伟 2 (1．中国海洋大学物理海洋实验室，山东青岛266100；2．中国科学院海洋研究所，山东青岛266071) 摘 要： 以气候耦合模式FOAM(FastOcean—AtmosphereMode1)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 1O％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。 关键词 ： 海洋生态系统模型；伴随同化方法 ；空间变化的参数 中图法分类号： Q178．53 文献标识码： A 文章编号： 1672—5174(2009)05—846—09 在海洋生态系统动力学数值模拟 中，生态参数通 优化参数，没有把观测与模型作为一个整体来考虑，因 常取常数，然而在真实的系统中，生态参数受物理环境 此不能优化参数至全局最优。为进一步研究使用空间 与生物组成变化的影响，在空间上存在差异，尤其是在 变化的参数对海洋生态系统模拟的改进，作者_6J曾以 空间大尺度上，参数的空间变化更加显著。以往研究 气候耦合模式 FOAM 的气候态为背景场，基于生态参 中忽略参数空间变化的做法导致模拟结果出现较大的 数的空间分布，使用伴随同化方法在全球尺度上 同化 区域性误差，并且这一缺陷无法通过修正物理机制得 SeaWiFS叶绿素资料。这种做法将有限的观测与模型 以解决 ·。 有机地结合起来，最大程度地利用了观测资料，使参数 针对此 问题，研究者们开始研究生态模型 中参数 在全局意义下得到优化，模拟与观测之间的误差与不 的空间变化。Losa等l4J将北大西洋化分为若干子 区 考虑参数空间变化的同化实验相 比降低 60％以上。本 域，基于弱约束方法，使用简单的NPZD(nutrient，phy— 文与上述工作使用的方法相 同，但侧重于定量地研究 toplankton，zooplankton，detritus)模型在每个子 区域 使用伴随同化方法反演参数空间变化的能力 以及探讨 中独立地同化月平均 叶绿素资料，从而估计出适合该 影响反演结果的主要因素。 区域的参数，发现使用空间变化的参数能获得更好的 模拟结果。Hemmings等[]在北大西洋不同站点同化 观测资料，在不同的区域估计出不同的参数值，代价函 数比参数取常数时减小 25％，改进了对北大西洋浮游 植物空间变化的模拟。Losa等_lJ将三维的NPZD模型 与POP(LosAlamosParallelOceanProgram)模式耦合， 模拟北大西洋海洋生态系统，实验表 明改进热通量和 淡水通量的参数化方案或者关闭方程中生态因子的平 图 1 生态模型示意图 流项，对浮游植物模拟 的影响都很小，而使用 Losa Fig．1 Diagramofthecompartmentsintheecosystemmodel 等_4J估计出的空间变化的参数就可以较好的模拟出符 合 SeaWiFS(Sea—viewingwideFi