【正文】 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)開始在海洋模型中得到應(yīng)用，相應(yīng)的也出現(xiàn)了基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散方式的有限元模型，如SEOM（Spectral Finite Element Ocean Model），和有限體積模型，如FVCOM（Finite Volume Coastal Ocean Model）。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。ROMS海洋模型是一個開源的三維區(qū)域海洋模型，由羅格斯大學海洋與海岸科學研究所與加利福尼亞大學洛杉磯分校兩所高校共同研究開發(fā)的，最早被稱為SCRUM（SCoordinate Rutger University Model），后來改名為ROMS，被廣泛應(yīng)用于海洋及河口地區(qū)的水動力及水環(huán)境模擬。FVCOM海洋模型是由美國馬薩諸塞州州立大學陳長勝教授在2000年建立的海洋模型。FVCOM模型到現(xiàn)在為止，一共經(jīng)歷3個版本。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。HYCOM（Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model，混合坐標大洋環(huán)流模式）是由美國邁阿密大學等密度面坐標海洋模式（MICOM）發(fā)展來的，此模式在保留了原始MICOM模式的優(yōu)點同時，還采用了靈活的垂向混合坐標（等密度坐標、z坐標和sigma坐標等3種坐標的混合）[17]。20世紀初近代中國的海洋科學研究開始發(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，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。但是大部分為專題模型，對于大范圍海洋區(qū)域或者多種模型對比分析涉及較少，目前還沒有較為突出的成就[23]。當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]。第2章 ：簡單介紹了ROMS海洋模型、FVCOM海洋模型和HYCOM海洋模型。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。 課題的研究意義地球上的海洋面積約三億六千萬平方公里，占地球表面總面積的比例高達71%。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。21世紀將是一個海洋經(jīng)濟時代，浩瀚無垠的海洋，有著極其豐富的海洋資源，現(xiàn)在越來越多的國家已經(jīng)把海洋資源的開發(fā)列為重要課題[27]。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]。我國600多個城市中已有300多個城市缺水，并有包括北京在內(nèi)的100來個城市嚴重缺水。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]。海洋同時也是國土的一部分， 海洋的研究對今后國家經(jīng)濟發(fā)展有著決定性作用[30]。山東科技大學碩士學位論文 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海洋與海岸科學研究所與加利福尼亞大學洛杉磯分校兩校共同研究開發(fā)的，主要應(yīng)用于區(qū)域海洋學研究。 ROMS海洋模型框架圖Fig ROMS Framework。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]。上圖中的傳播算子程序（propagator）在廣義穩(wěn)定性理論（GST）中得到廣泛應(yīng)用，用來研究海洋環(huán)流的靈敏度、穩(wěn)定性和動力學，減少預(yù)測系統(tǒng)中的誤差和不確定性，同時進行自適應(yīng)采樣。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。最后，完整性檢驗程序中包含幾個驅(qū)動程序，可以用來測試NLM、TLM、ADM、RPM算法的正確性和準確性[34]。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。 ROMS海洋模型構(gòu)造原理?(Hzu)?t+?(uHzu)?x+?(vHzu)?y+?(ΩHzu)?sfHzv=Hzρ0?p?xHzg?η?x??suwvHz?u?s?HzSxx?x?HzSxy?y+?Spx?s （）?(Hzv)?t+?(vHzv)?x+?(vHzv)?y+?(ΩHzv)?sfHzu=Hzρ0?p?yHzg?η?y??svwvHz?v?s?HzSyx?x?HzSyy?y+?Spy?s （）0=1ρ0?p?sgρ0Hzρ （）?η?t+?(Hzu)?x+?(Hzv)?y+?(HzΩ)?s=0 （）?(HzC)?t+?(uHzC)?x+?(vHzC)?y+?(ΩHzC)?s=??scwvθHz?C?s+Csource （）ρ=f(C) （）其中上面各式中，u，v分別代表x，y方向的平均流速分量，Ω代表垂向流速。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。因為EXPRESSO系統(tǒng)覆蓋范圍廣，完全覆蓋了我們的感興趣區(qū)域，所以選擇這個系統(tǒng)。邊界條件直接使用HYCOM NVODA預(yù)測系統(tǒng)[37]。它的網(wǎng)格分為130*82。 FVCOM海洋模型簡介 模型簡介FVCOM(FiniteCoastalModel)是美國馬薩諸塞州立大學陳長勝教授所領(lǐng)導的研究小組于2000年成功建立的海洋環(huán)流與生態(tài)模型。FVCOM模型在不規(guī)則三角網(wǎng)中對數(shù)值應(yīng)用平衡方程進行二次離散，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)點以得到更為精確的結(jié)果[39]。 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]。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ζ=0時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。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是海洋表層風和底層壓力在x和y方向上的分量。在σ坐標系中，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坐標系下，水平方向上的擴散條件定義為：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坐標下的垂向速度。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。σ坐標垂直方向上的速度ω和實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 （）球面坐標系下的擴散條件定義為：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HYCOM（Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model，混合坐標大洋環(huán)流模型）是由美國邁阿密大學等密度面坐標海洋模型（MICOM）發(fā)展來的，此模式在保留了原始MICOM模型的優(yōu)點同時，還采用了靈活的垂向混合坐標（等密度坐標、z坐標和sigma坐標等3種坐標的混合）[50]。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。 控制方程在（x，y，s）（s表示尚未給定的垂向坐標）坐標系下，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，θ是熱動力學變量，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是風或底摩擦引起的剪切應(yīng)力矢量，Hθ為源項。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。比如“MEOP”就是用動物承載監(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。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)域正是海洋學家感興趣的區(qū)域。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的三種海洋模型進行模擬的結(jié)果進行比較，分別分析這三種海洋模型在溫度模擬方