海洋生态动力学模型的伴随同化研究及其在典型河口海域的应用

With the progresses of research of marine ecosystems, marine ecosystem models are not only getting more capable but also more complicated, which leads to the increase of the amount of state variables and parameters. This means an increasing demand of observations to validate models and a large amount of unrestricted parameters in the model, which may also bring negative influences on model developments. To solve the problem, spatially varying parameters are needed. A traditional way is estimating parameters in each sub-area independently and smoothing the parameter values in the boundary, and then spatially varying parameters are obtained. However, since the model and observations are not taken as a whole, the parameters are not optimized globally. This study is aimed to estimate spatially varying parameters in a complicated marine ecosystem model used in a typical estuary by assimilating multiple source observations, which is based on the adjoint assimilation method. Then, numerical simulations utilizing the optimized spatially varying parameters will be carried out, and the model results will be validated using independent observations to evaluate the effectiveness and generalizability of this method. In such a way, it may improve the model results without increasing the complexity of current models, which may increase the rationality of the marine ecosystem modeling.

随着对海洋生态系统认识的不断深入，海洋生态模型虽日趋完善，但结构也愈发复杂，状态变量和模型参数急剧增加，不仅增大了对用于验证模型的观测数据的需求，也导致模型中出现越来越多未经验证的参数，成为制约海洋生态模型健康发展的因素之一。采用空间变化的参数是有效的解决方法之一，一些研究根据实测数据分区优化参数，并对参数进行平滑，实现了参数的空间变化。但由于没有将模型和有限的观测作为一个整体来考虑，不能优化参数至全局最优。本研究拟基于伴随同化方法，对一个已实际应用于典型河口海域并具有一定复杂性的海洋生态系统动力学模型，通过同化多源海洋生态观测数据反演全局最优的空间变化的关键生态参数。利用空间变化的参数进行数值模拟并以独立的观测进行检验，评估这一方法的有效性和可推广性。通过该方法，可在不增加模型复杂性的前提下，改进现有海洋生态模型的模拟结果，提高海洋生态系统数值模拟的合理性。

对一个用于典型河口海域且具有一定复杂性的海洋生态系统动力学模型，通过略去氮的能流合理简化了模型结构并对模型参数进行了系统地敏感性分析，优选出对模拟结果影响较大的敏感参数。基于该简化模型建立了可使用不同同化策略的伴随模型，并通过理想同化实验进行了检验。收集各类观测数据，根据数据质量和特点通过数据处理形成用于实际同化实验的逐年观测数据集。在实际同化实验中，通过同化有限的观测数据反演了参数的空间分布，但发现在目标海域通过同化不同年份观测数据所反演出的参数值具有较大的差异。这一结果表明将参数的空间分布应用于目标海域的实际模拟存在一定的局限性，一种可能是所同化的数据量太少或质量不佳，这些观测可能与所用模型也存在一定的匹配性问题；另一种原因是由于目标海域水动力环境及生态系统较为复杂，基于当前模型结构的参数值存在一定的时空变化。在生态模型的应用方面，基于物理-生态耦合模式研究了东海营养盐环境对藻华演替的影响以及东海原甲藻春季水华的垂向发展；研究了典型海湾的营养盐通量，分析了营养盐平衡关系及其影响因素；在伴随方法的应用方面，将其应用于一些关键物理过程或参数化的研究，如底边界层湍粘性系数与底摩擦系数的反演等。