三维海洋模式空间分布参数设置的伴随法实现及应用

The currents are especially complex and important in marginal shelf seas and often much more difficult to predict than those in deep oceans. For three-dimensional (3-D) ocean models, the key physical effects (such as bottom friction and vertical eddy viscosity) are not parameterized very well, which results in large discrepancies between simulated and observed currents. For example, the errors in phase_lag of simulated tidal currents can reach as large as 20 degree. In previous works the model parameters like bottom friction and vertical eddy viscosity coefficients are usually set to be a constant in the whole study area. However, it is much more reasonable to assume the parameters to be spatially varying. In this work the 3-D tidal currents in Bohai, Yellow and East China Seas will be studied by assimilating in-situ current observations and water level measurements from tidal gauges and satellite altimetry by using adjoint method. The spatially varying parameters of a 3-D nonlinear tidal model will be estimated. By carrying out this study, we intend to reduce the simulation errors of tidal currents and obtain better knowledge of the parameterizations of bottom friction and vertical eddy viscosity effects which will influence the 3-D structure of tidal currents significantly. The following two aspects will be researched thoroughly: (1) The influences of different parameterizations for key physical effects on the vertical structure of tidal currents and the optimal choice of bottom friction and vertical eddy viscosity parameters based on adjoint method and spatially varying assumption; (2) The solutions to the ill-posedness of parameter estimation inverse problems while assimilating multi-source and inaccurate oceanic observations and inverting spatially varying parameters. The adjoint method is a powerful four-dimensional variational data assimilation method and has the advantage of directly assimilating various observations distributed in time and space domains into numerical models while maintaining dynamical and physical consistency. This study will reinforce the understanding on the parameterizations of bottom friction and vertical eddy viscosity effects of 3-D ocean models and reduce the errors of numerical simulation.

陆架海的流场动力机制重要而复杂。目前渤、黄、东海流场的模拟误差较大，相关研究结果仍存在分歧，其中一个重要原因是模式对关键物理过程（如底摩擦和涡动粘性效应）的参数化策略不够准确，前人大多将模式控制参数（如底摩擦系数和垂向涡动粘性系数）设置为全区常数或分区常数，本项目提出空间分布的参数设置并在三维海洋模式中实现。通过同化卫星高度计资料（T/P、Jason-1和Jason-2）、验潮站水位资料和海流观测资料，本项目拟以三维潮流模式为例，借助伴随同化方法实现控制参数的空间分布设置，进而给出空间分布参数设置支持下的三维海洋模式底摩擦效应和涡动粘性效应的最优参数化策略及其对潮流结构的影响，并就空间分布参数反演过程中出现的反问题不适定现象给出应对方法。空间分布参数设置可更为合理地对海洋物理过程进行参数化，有助于提高数值模拟的准确性，对进一步了解海洋动力机制具有重要的科学意义。

陆架海的流场动力机制重要而复杂。渤、黄、东海流场的模拟误差较大，相关研究结果仍存在分歧，其中一个重要原因是模式对关键物理过程（如底摩擦和涡动粘性效应）的参数化策略不够准确，前人大多将模式控制参数（如底摩擦系数和垂向涡动粘性系数）设置为全区常数或分区常数，本项目提出了空间分布的参数设置并在海洋模式中实现。.通过同化卫星高度计资料、验潮站水位资料和海流观测资料，本项目借助伴随同化方法实现了控制参数的空间分布设置，比较了不同参数化方案对于海洋数值模拟精度的影响，并就空间分布参数反演过程中出现的反问题不适定现象给出了应对方法。三年的课题执行期内，申请人及其合作者围绕上述研究主题和研究目标，开展深入研究，取得了系列成果，业已正式发表的共计9篇国际SCI期刊论文，其中申请人第一/通讯作者3篇，并有数篇论文在审，将来有望取得更为深入的研究成果。本课题取得的重要结果如下：.（1）对底摩擦效应的线性和非现性参数化方案进行了比较研究，结果显示，如果将底摩擦系数设置为全区常数，则非线性参数化方案的模拟结果要优于线性参数化方案；然而，在空间分布设置下，两者模拟得到的水位场和潮流场仅有细微差别．从能量耗散的角度对这一现象进行了解释。这项工作进一步证明了空间分布参数设置的合理性，可为其它模型提供参考和借鉴，空间分布参数及其伴随实现方法已在风暴潮模型及生态系统动力学模型中得到成功应用。.（2）在空间分布参数设置的实现过程中，独立变量的个数是非常重要的影响因素。独立变量过多，会增加反问题的不适定性；独立变过量过少，则无法充分体现参数的空间变化性。针对这一矛盾，申请人及合作者以潮汐模式开边界为研究对象，开发了一种新方法。这种方法通过寻找开边界特征点，并把特征点作为独立变量，达到了减少独立变量个数的同时保持空间变化性的目的。数值实验的结果表明我们开发的方法具有良好的适用性，对于其他问题具有借鉴意义。.（3）对内潮模式开边界条件反演、结合卫星高度计资料提取三维海流信息等问题开展研究，取得了研究成果。.空间分布参数设置可更为合理地对海洋物理过程进行参数化，本课题所取得的成果有助于提高数值模拟的准确性，对进一步了解海洋动力机制具有重要的意义。