关于伴随同化方法的误差分析

用概率统计理论证明了伴随同化方法的初始估计的优良性 ,给出评估伴随同化方法效果的指标及其简单算法 ,并用随机模拟验证。

伴随同化方法在渤、黄海生态模式中的应用——生态参数的空间分布

将伴随同化方法用于渤、黄海NPZD三维浮游生态动力学模型的研究中，利用1998年～2006年的SeaWiFS叶绿素资料作为观测数据进行同化实验，优化难以确定的生态参数。文中对参数在整个计算区域取常数时进行了优化，同时尝试了一种新的参数化方案，即在海区中选取一些点作为独立参数点．其它点的参数由独立参数点的值经过线性插值得到，优化独立点的参数后得到所有计算格点的参数。针对这两种不同的参数化方案做了一系列对比实验．结果表明利用伴随同化方法反演空间分布的参数能有效地提高数值模拟的精度。

伴随数据同化方法及其在地幔对流中的应用

伴随数据同化方法是一个基于梯度法的反演技巧,尤其适用于对非线性问题的反演。最近几年里,该方法在地球物理问题中的应用取得了长足发展。文中试图从理论推导到其在地幔对流中的应用对该方法进行系统阐述,并附例图加以说明。伴随数据同化方法的基础是扰动理论,将模型输出与观测值的差别归因于模型输入中存在的误差,而该输入误差可以通过输出误差的最小二乘对输入条件的一阶倒数(梯度)来表示,这个联系就称作伴随算子。非线性问题的反演需要用到多次迭代;对输入误差的预估程度会直接影响计算和结果收敛的速度。作为描述当前地幔结构最有力证据的地震层析成像技术的不断进步,不论是在区域还是全球尺度上,都为地幔对流的反演提供了一个出发点。通过进一步同化或者比较相关的地质学证据特别是地表动力沉降观测,地幔对流反演可以克服目前仍然存在的地幔动力学各参数的不确定性的影响,从而进一步揭示壳幔系统的动力学机制。讨论的一个实际的例子是如何使用该方法反推出Farallon板块于晚白垩世时期在北美板块下的平俯冲过程以及该研究所导致的地球物理学及地质学意义。

海洋生态系统模型中参数空间变化的伴随法反演研究

以气候耦合模式FOAM(Fast Ocean-Atmosphere Model)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10%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。

渤黄东海底摩擦系数数值研究(英文)

使用伴随同化方法探讨了四种底摩擦系数处理方法并模拟了渤黄东海的M2分潮.理想实验表明:伴随同化方法有很强的反演底摩擦系数的能力;为了得到较好的反演结果,反演策略必须与给定的分布一致;如果给定分布很复杂,则需要复杂的反演策略.实际实验表明,底摩擦效应与地形密切相关,而海洋地形十分复杂,故需要较多的独立的底摩擦系数才能得到较好的模拟结果.本文的第四种方法将每一点均作为独立的底摩擦系数,在实验中获得了成功,验证了这种方法的合理性和有效性.

基于参数空间分布的海洋生态系统模拟

在模拟大尺度海洋生态系统时,由于子区域的生态系统有着各自的特征,导致参数值在空间上存在差异,因此参数在整个研究区域取常数的做法必须改进。基于此,使用气候模式FOAM的气侯态背景场驱动一个简单的三维海洋生态系统模型,并引入参数的空间分布,在全球尺度上通过伴随方法同化SeaWiFS叶绿素资料。引入参数空间分布后,同化结果得到很大改进:浮游植物表层生物量(氮)的平均差从0.1553减小至0.0606mmol·m-3,下降了60.9%,有效地降低了模拟值与观测值在空间上的差异;浮游植物表层生物量平均值也从0.1031上升至0.1252mmol·m-3,更接近SeaWiFS观测。实验结果表明通过引入参数的空间分布来改进海洋生态系统的模拟是可行的。