【正文】 由于沒有06年的溫度數(shù)據(jù)，所有沒有辦法對同一個數(shù)據(jù)在模型優(yōu)化前后的對比。先將實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分為兩類，即2013年5月18日以前和2013年5月18日以后的數(shù)據(jù)，再對每個數(shù)據(jù)使用ROMS海洋模型進行模擬，計算2類數(shù)據(jù)的差值，最后以單個海龜為單位，計算其平均誤差。 4）使用了新的4DVAR求解器。1.2.3.4. ROMS海洋模型優(yōu)化 模型版本的更新自2009年10月至今，ROMS ESPRESSO不斷在對模型進行優(yōu)化，模型不斷更新，新的版本不斷出現(xiàn)，其中最重要的一次更新是2013年5月的版本二。可見區(qū)域海洋模型要優(yōu)于全球海洋模型。這一部分主要得出以下結(jié)論：ROMS模型對所選區(qū)域的模擬效果總體很好，然而在某些海洋垂直分層結(jié)構(gòu)的模擬上，出現(xiàn)了一定區(qū)域的模擬溫度高于實際觀測溫度，特別在溫度躍遷層上，ROMS模型對于這一區(qū)域的模擬效果特別不好，由于海洋溫度在這一區(qū)域變化迅速，ROMS模型的模擬數(shù)據(jù)出現(xiàn)了很多大誤差。實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要在夏秋兩季采集，因為這兩季是美國東海岸天氣變化比較頻繁的時期，比較有利于研究海洋溫度的變化中出現(xiàn)的各種狀況。而FVCOM模型則沒有這一特點，F(xiàn)VCOM模型模擬的海洋溫度是隨海洋深度變化而變化的，沒有出現(xiàn)溫度躍遷層。2）FVCOM模型在總體上模擬效果還好，誤差較集中，沒有出現(xiàn)明顯有誤差的區(qū)域?？梢奌YCOM的預(yù)測值在各個區(qū)域的差別都較大。由此得出ROMS模型在溫度躍遷層的模擬效果較差。圖中藍色實線是在不同深度模型模擬的溫度與觀測的溫度的差值的平均值，實線兩側(cè)的不同深度的短線是相應(yīng)深度差值的標準差。 海底溫度相關(guān)系數(shù)對比Fig Correlation Coefficient of Bottom Temperature分析完3種模型在海底的模擬效果，我們再看一下在上層區(qū)的模擬效果，這里我們選取了0到25米區(qū)域作為另外一個觀測區(qū)域。在模型與觀測數(shù)據(jù)對比時，我們首先看一下最深點相關(guān)關(guān)系對比，其中紅色實線是相關(guān)性為1的線，黃色實線是相應(yīng)模型的相關(guān)性的線，不同顏色點表示數(shù)量，藍色越少，紅色越多。由于海船觀測數(shù)據(jù)花費時間長，資金需求大，而海龜觀測數(shù)據(jù)資金要求較小，可以使用海龜觀測數(shù)據(jù)代替海船數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)分析中，ROMS模型和FVCOM模型的分析結(jié)果差別不大，而HYCOM模型分析結(jié)果差別很大。選取在這26艘海船觀測數(shù)據(jù)點10千米內(nèi)并且時間在3天內(nèi)的海龜觀測數(shù)據(jù)進行計算，并且計算了這個海龜觀測數(shù)據(jù)點三種模型模擬的數(shù)據(jù)。在這一層中，由于實際觀測數(shù)據(jù)集中在很小的一個區(qū)域，不能很好的分析模型對于近海岸及遠離海岸的模擬效果，但是對于南北部的差異還是可以看出來，模型在這一層次對于區(qū)域北部的模擬效果要優(yōu)于對于區(qū)域南部的模擬效果。圖 0到25米平均誤差和均方根Fig Mean Error and RMS of 025m圖 25到50米平均誤差和均方根Fig Mean Error and RMS of 2550m圖 50到75米平均誤差和均方根Fig Mean Error and RMS of 5075m。模型模擬的海底溫度值與觀測的海底溫度值的均方根在北部區(qū)域接近于0℃，而在南部區(qū)域，很大部分的均方根在5℃左右，這與上面分析的由切薩皮克灣造成的原因是一樣的。（模型海底溫度值減去觀測海底溫度值）。在切薩皮克灣和科德角灣附近依然出現(xiàn)了較大誤差，可見ROMS模型對于水流比較狹窄的區(qū)域的模擬效果不好。在上面的相關(guān)系數(shù)分析中知道了ROMS模型在海底的模擬效果不錯，出現(xiàn)的誤差也只是很少的一部分。圖 Fig Bottom Temperature of Ocean in Summer and Autumn之后又繪制了在一整年的海洋底部溫度圖。，之所以只繪制夏季（6月8月）和秋季（9月11月）的溫度圖，是因為春季和冬季海龜活動范圍很小，收集的數(shù)據(jù)非常少。這是因為在夏末秋初，會有一股寒流從加拿大東海岸流向美國東海岸，遇到這股寒流時，溫度會平常溫度低很多。1)我們可以觀察到海龜觀測的數(shù)據(jù)和模型模擬的數(shù)據(jù)間的波動曲線非常相似；2)在7月的溫度變化比較劇烈，再仔細分析這只海龜?shù)幕顒臃秶?，得知其夏季主要在靠近海島的區(qū)域活動，最深的深度大約為15米。但在個別時間段出現(xiàn)了較大的誤差，在八月到十月之間，出現(xiàn)了較大的誤差，模型溫度沒有很好的模擬出在這一時間段的實際溫度變化。圖 多組溫度對比Fig Multi Group Temperature Contrast另外一種觀察個例的方法是將某一只海龜觀測過程中收集的全部溫度來對比相應(yīng)模型模擬的溫度，這樣有助于在宏觀上觀察模型的模擬效果。圖 大誤差分布Fig Distribution of Large Error ，其中3組數(shù)據(jù)的深度較潛，在15米以內(nèi)，另外6組的深度都在50米左右。之所以出現(xiàn)這樣的情況，是因為海龜下潛時，頭部朝下，SDRL傳感器是朝向冷水層；而海龜上浮時，SDRL傳感器是朝向暖水層，這樣會出現(xiàn)一定溫度差。為了進行對比分析，我們首先隨機抽取了6個下潛和上浮過程。時間主要集中在3到4個月，距離主要集中在200公里以內(nèi)。在中層區(qū)，颶風(fēng)后溫度升高，這是因為上層區(qū)的溫度被傳遞到中層區(qū)。所以接下來計算海底溫度時，都使用觀測數(shù)據(jù)的最深點來模擬海洋底部的情況。，這表明大部分海龜觀測的最大深度就是海底深度。圖 原始數(shù)據(jù)點位置圖Fig RawCTD PositionFig Position of Turtle Dives After Quality Control Checks 實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，在2009和2010兩年里，主要的上浮記錄主要出現(xiàn)在8月到12月，而在2011到2013三年內(nèi)，上浮記錄主要出現(xiàn)在5月到8月份之間。其原理是運用原始監(jiān)測數(shù)據(jù)計算出這只海龜在一個上浮過程中的平均速度，根據(jù)海龜在地表可能的最大速度，利用位置濾波算法來確定是否合理（一般是2m/s）；2)GPS修正：使用原始數(shù)據(jù)中的GPS位置對觀測值數(shù)據(jù)進行修正。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際監(jiān)測數(shù)據(jù)，海龜活動區(qū)域主要包括中大西洋的中部，記錄了25000個上浮過程。傳感器在設(shè)計中，為了保證能長時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小時將數(shù)據(jù)打包后發(fā)射給衛(wèi)星。海洋動物往往是在它們關(guān)注的區(qū)域進行“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。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，這項技術(shù)雖然在控制測量范圍和傳感器校準方面存在一定的問題，但是在測量大量數(shù)據(jù)的花費問題上確實有著很大的優(yōu)勢。而HYCOM（混合坐標大洋環(huán)流模式）采用混合使用這3種垂向坐標的方法，在不同情況下只用不同的垂向坐標，解決了這一問題。在球面坐標系下，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z垂直于地球表面指向地球外， 海洋模型球面坐標系統(tǒng)Fig Ocean Model Spherical Coordinate System球面坐標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，其值等于擾動密度值和參考密度值的總和。u、v、w三個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。 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)計算模型[38]。Model)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海洋模型簡介 模型簡介FVCOM(Finite邊界條件直接使用HYCOM NVODA預(yù)測系統(tǒng)[37]。Hz為單元格高度，f為科氏力參數(shù)；p為壓力；ρ和ρ0分別為海水密度和參考密度；g為重力加速度；v為粘滯系數(shù)；C代表溫度、鹽度或懸浮泥沙含量；S項為應(yīng)力項。ROMS使用了多種算法，包括非線性計算內(nèi)核算法、切線性的算法、伴隨內(nèi)核的算法和海冰模塊的算法。它包括了強（S4DVAR、IS4DVAR）約束變分數(shù)據(jù)同化驅(qū)動器和弱（W4DVAR）約束變分數(shù)據(jù)同化驅(qū)動器。非線性模型（NLM）、切線性模型（TLM）、代表切線性模型（RPM）和伴隨模型（ADM）組成了ROMS的動態(tài)內(nèi)核[32]。山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 海洋模型簡介2海洋模型簡介 ROMS海洋模型簡介ROMS（Regional Ocean Modeling System）模型是由美國羅格斯大學(xué)海洋與海岸科學(xué)研究所與加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校兩校共同研究開發(fā)的，主要應(yīng)用于區(qū)域海洋學(xué)研究。海洋是個巨大的天然水庫，%的水都在這里，大約有133800萬立方千米[29]。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人口的膨脹，人類對水的需求量不斷增加，現(xiàn)在對人類最大的威脅并非土地，而是水資源的短缺[28]。隨著全球人口的不斷膨脹和耕地的逐漸減少，資源問題日漸突出。第4章 ：海洋模型的優(yōu)化：通過重新設(shè)置模型邊界條件和使用更準確的海洋地形數(shù)據(jù)對ROMS海洋模型進行優(yōu)化，以提高ROMS海洋模型的海洋溫度模擬能力；簡單介紹下FVCOM更新版本的情況。當(dāng)前海洋模型還存在不少問題，并在很多情況下海洋模型數(shù)據(jù)預(yù)測的準確性不高，在日常應(yīng)用中無法滿足精度要求，還需要我們尋找方法來解決[25]。20世紀初近代中國的海洋科學(xué)研究開始發(fā)展，包括海洋物理研究，海洋地質(zhì)研究和海洋生物研究，后來不斷加入和海洋化學(xué)，海洋工程和海洋環(huán)境保護等多方面的課題，并且建立的海洋調(diào)查觀測平臺，研發(fā)出海洋觀測儀器。第二代FVCOM海洋模型在第一代FVCOM海洋模型的基礎(chǔ)上加以改進，增加了部分水域。FVCOM海洋模型是由美國馬薩諸塞州州立大學(xué)陳長勝教授在2000年建立的海洋模型。4）新一代的海洋模型廣泛采用隨地坐標系，進而促進了有關(guān)時間步長，對流項和壓力梯度等數(shù)值算法進行了改進。目前常見的HOPS（Harvard Ocean Prediction System），MOM（GFDL Modular Ocean Model），POP（Parallel Ocean Program），NCOM（NCAR Community Ocean Model）模型在某種程度上都可以以為是該模型的改進版[10]。劃分方式可參見下圖[8]：高階差分結(jié)構(gòu)化模型有限差分模型低階差分海洋模型有限體積模型非結(jié)構(gòu)化模型三角模型有限元模型波普模型 海洋模型分類Fig Ocean Model Classification海洋模型按其水平網(wǎng)格的離散方式以及所使用的垂向坐標系的不同大致經(jīng)歷了以下幾個階段：1）海洋環(huán)流模型（Oceanic General Circulation Model，OGCM）是Bryan等人開發(fā)的最早出現(xiàn)的海洋模型，它是一種基于原始方程的低階精度的有限差分模型，它在水深方向采用z坐標系。）模型、HYCOM（Hybrid Coordinate Ocean Model）模型等[5]。但是海洋模型只是給出了海量的數(shù)據(jù)，只有在具有了空間檢索、空間編輯、空間分析和空間數(shù)據(jù)可視化等功能后，海洋模型才有了實際應(yīng)用的意義[3]。我國擁有廣闊的海洋，從北至南，從渤海到南海是我國對外發(fā)展的重要“出口平臺”，發(fā)展海洋事業(yè)對我國有十分重要的意義[2]。 HYCOM。Ocean運用新版FVCOM，對FVCOM模型提出優(yōu)化。然而對于研究海洋的艱巨性決定了一般的觀測手段只能在很小的區(qū)域內(nèi)獲取很少有用信息，很難全面準確的認識海洋。分類號：P71 密 級： 公 開 UDC： 單位代碼： 10424