【文章內(nèi)容簡介】 域，NENA北大西洋流域東北，CBLAST海氣交換耦合邊界層，DELAWARE特拉華河河口，SW06淺層海域2006，LATTE拉格朗日運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，ESPRESSO大陸架預(yù)測和坡光學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，HUDSONHudson河和紐約港口。因?yàn)镋XPRESSO系統(tǒng)覆蓋范圍廣，完全覆蓋了我們的感興趣區(qū)域，所以選擇這個(gè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)是一個(gè)36層的使用AVHRR（NOAA系列衛(wèi)星探測儀）數(shù)據(jù)應(yīng)用4DVAR數(shù)據(jù)同化方法來同化的每天更新的系統(tǒng)。邊界條件直接使用HYCOM NVODA預(yù)測系統(tǒng)[37]。ESPRESSO是一個(gè)復(fù)雜河口的細(xì)化復(fù)合網(wǎng)格嵌套子類。它的網(wǎng)格分為130*82，。圖中顏色部分表示海洋深度，從0到3000米，顏色越紅表示水的深度值越小，顏色越藍(lán)表示水的深度值越大。 FVCOM海洋模型簡介 模型簡介FVCOM(FiniteVolumeCoastalOceanModel)是美國馬薩諸塞州立大學(xué)陳長勝教授所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組于2000年成功建立的海洋環(huán)流與生態(tài)模型。FVCOM是無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格架構(gòu)、有限體積、自由表面、三維原始方程海洋數(shù)值模型 [38]。FVCOM模型在不規(guī)則三角網(wǎng)中對數(shù)值應(yīng)用平衡方程進(jìn)行二次離散，通過這種方法可以結(jié)合有限元模型和有限差分模型的優(yōu)點(diǎn)以得到更為精確的結(jié)果[39]。FVCOM模型至今仍在不斷升級中，本文應(yīng)用的是GOM3版本。 FVCOMGOM3模型在美國東海岸分布圖Fig FVCOMGOM3 Model in the East Coast of the United StatesFVCOM 組成部分包括：；；（General Ocean Turbulent Model）；；，包括4D nudging，卡爾曼濾波；；；8. 生態(tài)計(jì)算模型[38]。 控制方程 笛卡爾坐標(biāo)系下的控制方程笛卡爾坐標(biāo)系下的原始控制方程組如下[39]：?u?t+u?u?x+v?u?y+w?u?zfv=1ρo?P?x+??zKm?u?z+Fu （）?v?t+u?v?x+v?v?y+w?v?z+fv=1ρo?P?y+??zKm?v?z+Fv （）?P?z=ρg （）?u?x+?v?y+?w?z=0 （）?T?t+u?T?x+v?T?y+w?T?z=??zKh?T?z+FT （）?S?t+u?S?x+v?S?y+w?S?z=??zKh?S?z+FS （）ρ=ρT,S （）其中，x、y 、z為笛卡爾坐標(biāo)系中的東向，北向和垂直方向；u、v、w為x、y 、z方向的速度分量；T為溫度；S為鹽度；ρ為密度；P為壓力；f為科里奧利參數(shù)；g為重力加速度；Km為垂向湍粘性系數(shù)；Kh為熱力學(xué)垂向湍擴(kuò)散系數(shù)；Fu、Fv、FT、FS分別為水平動(dòng)量以及溫度鹽度的擴(kuò)散項(xiàng)。海平面和海底溫度邊界條件方程如下[40]：?T?z=1ρcpKhQnx,y,tSWx,y,ζ,t, at z=ζx,y,t （）?T?z=AHtanαKh?T?n , at z=H(x,y) （）其中水深為D=H+ζ，H是海底深度，ζ是海平面高度，Qnx,y,t代表海洋表面熱通量，其包含四個(gè)部分，分別是向下短波，輻射長波，明顯的和潛在的通量，SWx,y,ζ,t中當(dāng)ζ=0時(shí)表示海洋表層的短波通量，cp是海水的比熱容，AH是水平方向的熱量擴(kuò)散系數(shù)，α是海底斜坡，： 海底斜坡原理圖Fig Submarine Slope Schematic向下的短波通量SWx,y,z,t=SWx,y,0,t[Reza+(1R)ezb]，其中a和b分別是短波輻射下較長波和較短波的衰減長度，R為長波輻照相關(guān)聯(lián)的總統(tǒng)量半分比。 海平面和海底鹽度邊界條件方程如下[41]：?S?z=S(PE)KhPcosγ , at z=ζx,y,t （）?S?z=AHtanαKh?S?n , at z=Hx,y （）其中P代表沉淀率，E代表蒸發(fā)率，γ=11+?ζ2。u、v、w三個(gè)方向上海平面和海底邊界條件方程如下[42]：Km?u?z,?v?z=1ρoτsx ,τsy,w=?ζ?t+u?ζ?x+v?ζ?y+EPρ , at z=ζx,y,t（）Km?u?z,?v?z=1ρoτbx ,τby,w=u?H?xv?H?y+QbΩ , at z=Hx,y（）其中τsx ,τsy和τbx ,τby是海洋表層風(fēng)和底層壓力在x和y方向上的分量。 σ坐標(biāo)系下的控制方程FVCOM模型采用的是σ坐標(biāo)變換，σ坐標(biāo)變換的定義是[43]：σ=zζH+ζ=zζD （）其中σ的值從海底變?yōu)楹Ｃ妫?到0m）。在σ坐標(biāo)系中，其控制方程組可以寫為[44]：?ζ?t+?Du?x+?Dv?y+?ω?σ=0 （）?uD?t+?u2D?x+?uvD?y+?uω?σfvD =gD?ζ?xgDρo??xDσ0ρdσ+σρ?D?x+1D??σKm?u?σ+DFx （）?vD?t+?uvD?x+?v2D?y+?vω?σ+fuD =gD?ζ?ygDρo??yDσ0ρdσ+σρ?D?y+1D??σKm?v?σ+DFy （）?TD?t+?TuD?x+?TvD?v+?Tω?σ=1D??σKh?T?σ+DH+DFT （）?SD?t+?SuD?x+?SvD?y+?Sω?σ=1D??σKh?S?σ+DFS （）ρ=ρ(T,S) （）在σ坐標(biāo)系下，水平方向上的擴(kuò)散條件定義為：DFx≈??x2AmH?u?x+??yAmH?u?y+?v?x （）DFy≈??xAmH?u?y+?v?x+??y2AmH?v?y （）D(FT,FS,Fq2,Fq2l)≈??xAhH??x+??yAhH??y(θ,s,q2,q2l) （）其中，Ah、Am分別為熱擴(kuò)散系數(shù)和水平湍粘性系數(shù)；D=H+ζ；f為科里奧利參數(shù)；ω為σ坐標(biāo)下的垂向速度。在海平面時(shí)，σ=0，條件如下[45]：?u?σ ,?v?σ=DρoKmτsx ,τsy , ω=EPρ （）?T?σ=DρcpKhQnx,y,tSWx,y,0,t,?S?σ=S(PE)DKhP （）在海底時(shí)，σ=1，條件如下：?u?σ ,?v?σ=DρoKmτbx ,τby,ω=QbΩ （）?T?σ=AHDtanαKhAH(tanα)2?T?n ,?S?σ=AHDtanαKhAH(tanα)2?S?n （） 球面坐標(biāo)系下的控制方程在笛卡爾坐標(biāo)系下，F(xiàn)VCOM只能用于一定區(qū)域內(nèi)，無法在全球內(nèi)應(yīng)用，所以建立起了球面坐標(biāo)系的FVCOM模型。在球面坐標(biāo)系下，x，y表示為[46]：x=rcosφ(λλ0) , y=r(φφ0) （）其中r是地球半徑，λ、φ分別代表經(jīng)緯度，λ0和φ0是參考經(jīng)緯度，垂直坐標(biāo)z垂直于地球表面指向地球外， 海洋模型球面坐標(biāo)系統(tǒng)Fig Ocean Model Spherical Coordinate System球面坐標(biāo)系下的三維控制方程如下[47]：?u?t+1rcosφ?u2D?λ+?uvcosφ?φ+?uω?σ+uvDrtanφwvDrfvD =gDrcosφ?ζ?λgDρorcosφ??λDσ0ρdσ+σρ?D?λ+1D??σKm?u?σ+DFu （）?v?t+1rcosφ?uvD?λ+?v2cosφ?φ+?vω?σ+u2DrtanφwvDrfuD =gDr?ζ?φgDρor??φDσ0ρdσ+σρ?D?φ+1D??σKm?v?σ+DFv （）?ζ?t+1rcosφ?uD?λ+?vcosφD?φ+?ω?σ=0 （）?TD?t+1rcosφ?TuD?λ+?TvcosφD?+?Tω?σ=1D??σKh?T?σ+DH+DFT （）?SD?t+1rcosφ?SuD?λ+?SvcosφD?+?Sω?σ=1D??σKh?S?σ+DFS （）ρ=ρ(T,S,P) （）其中，u，v是帶狀方向和子午線方向，ω是σ坐標(biāo)垂直方向上的速度，T和S分別代表溫度和鹽度，ρ是總體密度，其值等于擾動(dòng)密度值和參考密度值的總和。P為壓強(qiáng)，f為科里奧利參數(shù)，g是重力加速度，Km和Kh分別是是垂直渦流粘度系數(shù)和溫度垂直渦流擴(kuò)散系數(shù)，F(xiàn)u、Fv、FT、FS分別代表水平面上的勢能，溫度，鹽度擴(kuò)散數(shù)，H是短波輻射的垂直梯度。σ坐標(biāo)垂直方向上的速度ω和實(shí)際垂直方向上的速度w之間的關(guān)系如下[49]：ω=wurcosφσ?D?φ+?ζ?φvrσ?D?φ+?ζ?φσ?D?t+?ζ?t （）球面坐標(biāo)系下的擴(kuò)散條件定義為：DFu≈1r2(cosφ)2??λ2AH?u?λ+1r??φAmH?ur?φ+?vrcosφ?λ （）DFv≈?rcosφ?λAmH(?ur?φ+?vrcosφ?)+?r2?φ2AH?u?λ （）DFT≈2r2(cosφ)2??λAmH?u?λ+?r2?φAmH(?u?φ+?vrcosφ?λ) （）DFS≈1r2cosφ??λAmH(?u?φ+1cosφ?v?λ)+2r2??φAmH?v?φ （） HYCOM海洋模型簡介 HYCOM的垂向混合坐標(biāo)HYCOM（Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model，混合坐標(biāo)大洋環(huán)流模型）是由美國邁阿密大學(xué)等密度面坐標(biāo)海洋模型（MICOM）發(fā)展來的，此模式在保留了原始MICOM模型的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，還采用了靈活的垂向混合坐標(biāo)（等密度坐標(biāo)、z坐標(biāo)和sigma坐標(biāo)等3種坐標(biāo)的混合）[50]。許多海洋模式僅使用等密度坐標(biāo)、z坐標(biāo)和sigma坐標(biāo)中的一種坐標(biāo)，然而這3種坐標(biāo)都有非常明顯的優(yōu)缺點(diǎn)[51]。而HYCOM（混合坐標(biāo)大洋環(huán)流模式）采用混合使用這3種垂向坐標(biāo)的方法，在不同情況下只用不同的垂向坐標(biāo)，解決了這一問題。在層結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定而且開闊的區(qū)域使用等密度坐標(biāo)；在地形變化強(qiáng)烈的海域和水深較淺的海域，等密度坐標(biāo)與sigma坐標(biāo)平滑地連接；在層結(jié)比較弱的上混合層，將垂向等密度坐標(biāo)平滑方式過渡到z坐標(biāo)；而更淺的海域，將sigma坐標(biāo)過渡到z坐標(biāo)[52]。 控制方程在（x，y，s）（s表示尚未給定的垂向坐標(biāo)）坐標(biāo)系下，模型方程為：?V?ts+?sV22+ζ+fKV+s?p?s?V?p+?sMp?sα =g?τ?p+?p?s1?sv?p?s?sV （）??ts?p?s+?sV?p?s+??Ss?p?s=0 （）??ts?p?sθ+?sV?p?sθ+??Ss?p?sθ=?sv?p?s?sθ+Hθ （）其中，v=(u,v)是水平流速矢量，p為壓強(qiáng)，θ是熱動(dòng)力學(xué)變量，α=ρpot1是位勢比容，ζ是相對渦度，M是蒙哥馬利位勢，g是重力位勢，f為科氏參數(shù)，K是垂向單位矢量，τ是風(fēng)或底摩擦引起的剪切應(yīng)力矢量，Hθ為源項(xiàng)。山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 海洋模型溫度與觀測溫度對比3海洋模型溫度與觀測溫度對比目前，人類了解海洋和研究海洋的愿望越來越大，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用到獲取海洋數(shù)據(jù)中。其中將海洋生物作為監(jiān)測海洋的載體也得到了很大的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)雖然在控制測量范圍和傳感器校準(zhǔn)方面存在一定的問題，但是在測量大量數(shù)據(jù)的花費(fèi)問題上確實(shí)有著很大的優(yōu)勢。由于傳感器測量的實(shí)測數(shù)據(jù)要優(yōu)于模型的模擬數(shù)據(jù)，所以傳感器測量的實(shí)測數(shù)據(jù)可以用于優(yōu)化海洋模型。比如“MEOP”就是用動(dòng)物承載監(jiān)測傳感器來監(jiān)測海洋采集數(shù)據(jù)，目前已經(jīng)應(yīng)用到全球遙感系統(tǒng)，并提供可應(yīng)用的海洋模型。一些調(diào)查研究已經(jīng)表明，在特殊地區(qū)，由海洋動(dòng)物承載的傳感器測量所采集的海洋數(shù)據(jù)和船測數(shù)據(jù)質(zhì)量非常接近。海洋動(dòng)物往往是在它們關(guān)注的區(qū)域進(jìn)行“自適應(yīng)采樣”，這些區(qū)域正是海洋學(xué)家感興趣的區(qū)域。Nordstrom比較了海豹和船從白令海峽檢測獲得的溫度數(shù)據(jù)，差值非常?。ā妫@些差值由于測量地點(diǎn)和時(shí)間的略微差異造成的）,但是海豹測量的海洋數(shù)據(jù)的數(shù)量級要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于船測數(shù)據(jù)的數(shù)量級。本章主要介紹由海龜承載的探測器監(jiān)測獲得的海洋溫度數(shù)據(jù)，首先用PYTHON腳本語言編程將這些海洋溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化模擬，然后再與基于ROMS，F(xiàn)VCOM和HYCOM的三種海洋模型進(jìn)行模擬的結(jié)果進(jìn)行比較，分別分析這三種海洋模型在溫度模擬方面的優(yōu)缺點(diǎn)，找出3種模型大誤差集中分布的區(qū)域，之后分析可能出現(xiàn)的原因。 數(shù)據(jù)來源與處理本文所使用的SDRL傳感器是由蘇格蘭圣安駐斯大學(xué)海洋哺乳動(dòng)物研究組提供的。傳感器在設(shè)計(jì)中，為了保證能長時(shí)間使用來收集更多的數(shù)據(jù)，傳感器只記錄了海龜在上浮過程的數(shù)據(jù)，4秒鐘記錄一次數(shù)據(jù)，每24小時(shí)將數(shù)據(jù)打包后發(fā)射給衛(wèi)星。在衛(wèi)星獲得數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊處理，將每次海龜上浮過程簡化為10個(gè)數(shù)據(jù)，也就是每一次上浮都由10個(gè)數(shù)據(jù)來記錄。這10個(gè)數(shù)據(jù)主要包括深度，溫度，坐標(biāo)和時(shí)間等數(shù)據(jù)。SDRL傳感器的深度精度是1%，坐標(biāo)精度在進(jìn)行GPS誤差修正后可以達(dá)到3公里以內(nèi)，時(shí)間精度達(dá)到秒級。圖 SDRL傳感器和海龜Fig SDRL Sensors and Turtles本文所使用的數(shù)據(jù)來自2009年8月到2013年12月期間共在114只海龜上綁定了傳感器返回實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，海龜活動(dòng)區(qū)域主要包括中大西洋的中