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数据同化反演风应力拖曳系数以及垂向涡动黏性系数的分布 总被引：5，自引：1，他引：5
所作的孪生实验表明:通过利用变分优化控制技术将气象学和海洋学(表层和次表层)的观测资料同化到海洋的埃克曼层模型中,可将未知的边界条件(风应力拖曳系数)和垂向涡动黏性系数的分布同时反演出来. 相似文献
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本文利用伴随方法,将垂直10层,为期10d的"观测资料"同化到Ekman风海流模型中,同时反演出垂直涡动粘性系数和风应力系数,并设计了3组实验,分别讨论了优化步长、反向积分时间和给定的垂直涡动粘性系数的垂直分布对反演结果的影响。实验结果表明:在反演垂直涡动粘性系数时设置的优化步长的4种方案,其反演结果都能令人满意,其中方案3的反演效果最好;随着反向积分时间的增加,垂直涡动粘性系数的绝对平均差异迅速减小到一个极值,然后以振荡形式减小到最小值;当给定的垂直涡动粘性系数在Ekman底层随深度增加而增大时,反演结果距给定值偏离较大,其余的分布情形都能得到很好的反演效果;在所做的3组实验中,风应力系数的反演都是成功的。 相似文献
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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。 相似文献
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在悬沙输运的数值模拟中,初始场的准确给定至关重要。目前诸多确定初始场的方案均存在一定的缺陷,初始场的准确性有待进一步提高。本文基于一个三维悬沙输运伴随同化模型,通过孪生实验和实际实验,对模型初始场进行了伴随法反演研究。在孪生实验中,首先验证了初始场的相对重要性;其次,探讨了初始场的反演结果对优化算法、初始猜测值、卫星遥感数据数量、同化时间窗口宽度和背景流场误差的敏感性;最后,比较了伴随法和插值法重构初始场的能力。孪生实验结果表明:最速下降法对初始场的优化反演效果要优于三种共轭梯度法和有限记忆BFGS法;初始场的反演效果对初始猜测值、卫星遥感数据数量和背景流场误差不敏感,而对同化窗口宽度较为敏感;与插值法相比,伴随法是重构模型初始场更有效的手段。实际实验中,在杭州湾海域同化典型的小潮时期和大潮时期的GOCI卫星遥感资料所得表层悬沙浓度数据,优化反演了初始场。实际实验结果表明:数据同化后,得到了更符合实际的最优初始场,表明伴随法是实现初始场优化反演的有效手段。该研究对进一步改进悬沙输运模型的初始化方案具有一定的参考价值,也对其他数值模型的初始化方案具有一定的借鉴价值。 相似文献
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为了得到一种有效的计算海水涡动黏性的途径,本文基于伴随同化方法,研究了Ekman模型中垂向涡动黏性系数(verticaleddyviscositycoefficient,VEVC)的时间变化。本文推导了时间变化VEVC的优化关系式,并利用理想实验对三个影响因素进行了探究,包括优化算法、初始猜测、观测深度,其主要结论是:(1)梯度下降法的优化效果优于共轭梯度法和有限记忆BFGS(limited-memoryBroyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno)法;(2)初始猜测值与实际值接近时,收敛速度更快,反演误差更小;(3)反演结果对表层和次表层的流速更为敏感。本文从百慕大试验站锚泊系统(Bermuda Testbed Mooring, BTM)的数据中提取了Ekman流速,并反演了VEVC的时间变化,实际实验结果表明:(1)对于实测数据而言,仍是梯度下降法优化效果最好;(2)将VEVC设置为时间变化型的反演策略,反演效果优于常数型和深度变化型;(3)该地区VEVC在0.01m~2/s左右。该研究为Ekman流的数值模拟提供了一种确定VEVC时间变化的有效方法,对于其他动力机制的研究具有一定的参考价值。 相似文献
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风应力拖曳系数选取对风暴潮数值模拟的影响 总被引：8，自引：0，他引：8
在风暴潮的形成中风应力起决定性作用 ,风应力拖曳系数决定了大气与海洋间的动量传输率。观测结果表明 ,风应力拖曳系数随风速而变化 ,与海面粗糙度有关。文中采用几种与风速有关的风应力拖曳系数表达式进行数值模拟 ,与将其视为常数情况相比较 ,计算结果的精度均有较明显提高。对比各表达式模拟结果 ,采用 Smith(1980 )风应力拖曳系数公式的模拟效果为最好 相似文献
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海气动量通量研究综述 总被引：1，自引：0，他引：1
海气界面动量通量也称为风应力,是海流和表面海浪的主要驱动力,是海洋从大气获得动量的重要途径。因此,合理可靠的海洋表面风应力的参数化对于海洋、大气和波浪以及气候模式的准确预报都具有非常重要的科学意义和实用价值。对风应力拖曳系数的参数化是风应力参数化的主要内容。近来的观测发现,风应力拖曳系数随着风速的增加出现了先增后减的趋势,同时还与海面的波浪状态以及海流有关。基于观测或理论分析,目前已经得到了一系列的风应力拖曳系数计算方法或公式,有的考虑了海浪的作用,有的没有,但这些方案大都是适合中低风速,在高风速下的适用性还有待检验。本文回顾了目前在海气动量通量观测和参数化方面的研究进展,并建议应增加高风速下风速、海流以及海浪等的同步观测,以进一步完善风应力参数化方案。 相似文献
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海-气界面动量通量的估计方法分析与应用 总被引：3，自引：1，他引：2
首次将经验模态分解方法引入湍流稳定性分析,与传统的线性和滑动平均去势方法进行了比较,发现经验模态分解方法的去势效果最好。基于"南海平台通量观测计划"(FOPSCS)近两年的连续通量观测数据,得到了22 476个摩擦速度的估算值,结果表明,当风速小于5m/s时,拖曳系数随风速增大而减小,而风速大于5m/s时,拖曳系数随风速增大而增大,两种情形分别反映了黏性表皮摩擦和波浪引起的形状阻力对海面风应力的贡献。同时发现短风区情形的拖曳系数大于长风区情形,说明波浪成长状态会对海-气界面动量交换产生影响。 相似文献
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SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响 总被引：1，自引：1，他引：0
本文以荷兰哈灵水道海域为实验区域,通过敏感性实验,研究了在14 m/s、31.5 m/s和50 m/s（分别代表一般大风、强热带风暴和强台风的极端条件）定常风速下SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响程度。结果表明,对于近岸浅水区域（水深小于20 m）,风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高影响较小,而且当风速增加到一定程度后,波浪破碎成为影响波高值的主要因素;对于深水区域（水深大于30 m）,一般大风条件下风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高影响仍然较小,随着风速的继续增大,风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高的影响逐渐显著。对于平均周期,风拖曳力系数计算方案的选择和风速的改变对其影响均较小,而由水深变浅导致的波浪破碎对其影响较为显著。根据敏感性实验结果,本文对SWAN模型中风拖曳力系数计算方案的选择做出如下建议:计算近岸浅水区域风浪场或深水区域一般大风条件风浪场时,其风拖曳力系数可以直接采用模型默认选项;而对于深水区域更大风速条件,可首先采用模型默认选项试算,然后结合当地海域实测波浪资料进行修正。 相似文献
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Estimation of eddy viscosity on the South China Sea shelf with adjoint assimilation method 总被引：2，自引：0，他引：2
The eddy viscosity of the ocean is an important parameter indicating the small-scale mixing process in the oceanic interior water column.Ekman wind-driven current model and adjoint assimilation technique are used to calculate the vertical profiles of eddy viscosity by fitting model results to the observation data.The data used in the paper include observed wind data and ADCP data obtained at Wenchang Oil Rig on the SCS (the South China Sea) shelf in August 2002.Different simulations under different wind conditions are analyzed to explore how the eddy viscosity develops with varying wind field.The results show that the eddy viscosity endured gradual variations in the range of 10-3-10-2 m2/s during the periods of wind changes.The mean eddy viscosity undergoing strong wind could rise by about 25% as compared to the value under weak wind. 相似文献
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Correcting the errors in the initial conditions and wind stress in storm surge simulation using an adjoint optimal technique 总被引：1，自引：0，他引：1
An adjoint data assimilation methodology is applied to the Princeton Ocean Model and is evaluated by obtaining “optimal” initial conditions, sea surface forcing conditions, or both for coastal storm surge modelling. By prescribing different error sources and setting the corresponding control variables, we performed several sets of identical twin experiments by assimilating model-generated water levels. The experiment results show that, when the forecasting errors are caused by the initial (or surface boundary) conditions, adjusting initial (or surface boundary) conditions accordingly can significantly improve the storm surge simulation. However, when the forecasting errors are caused by surface boundary (or initial) conditions, data assimilation targeting improving the initial (or surface boundary) conditions is ineffective. When the forecasting errors are caused by both the initial and surface boundary conditions, adjusting both the initial and surface boundary conditions leads to the best results. In practice, we do not know whether the errors are caused by initial conditions or surface boundary conditions, therefore it is better to adjust both initial and surface boundary conditions in adjoint data assimilation. 相似文献
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The study investigates perspectives of the parameter estimation problem with the adjoint method in eddy-resolving models. Sensitivity to initial conditions resulting from the chaotic nature of this type of model limits the direct application of the adjoint method by predictability. Prolonging the period of assimilation is accompanied by the appearance of an increasing number of secondary minima of the cost function that prevents the convergence of this method. In the framework of the Lorenz model it is shown that averaged quantities are suitable for describing invariant properties, and that secondary minima are for this type of data transformed into stochastic deviations. An adjoint method suitable for the assimilation of statistical characteristics of data and applicable on time scales beyond the predictability limit is presented. The approach assumes a greater predictability for averaged quantities. The adjoint to a prognostic model for statistical moments is employed for calculating cost function gradients that ignore the fine structure resulting from secondary minima. Coarse resolution versions of eddy-resolving models are used for this purpose. Identical twin experiments are performed with a quasigeostrophic model to evaluate the performance and limitations of this approach in improving models by estimating parameters. The wind stress curl is estimated from a simulated mean stream function. A very simple parameterization scheme for the assimilation of second-order moments is shown to permit the estimation of gradients that perform efficiently in minimizing cost functions. 相似文献
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为了揭示云迹风资料同化对于东亚海域内各层模拟风场的影响,采用由日本GMS卫星红外和水汽通道资料反演得到的1999年6月底至7月初的云迹风资料,首先对这些云迹风资料进行质量评估,评估结果表明云迹风u,v分量的均方根误差和偏差都在所容许的误差范围之内.然后针对10个个例进行5种不同的四维同化模拟试验,多种同化试验和无同化控制试验的检验对比表明:在经过初始12 h常规高空地面资料和云迹风资料同化过程以后,模拟结果质量有了比较明显的提升;各种同化试验与控制试验间的最大差异发生在12h,也即同化结束的时刻,此后随着模拟时间的增长,两者间的差异逐渐变小;但24~36h同化试验对控制试验的改进效果又开始提升,36h后效果再次下降.由于海面上缺少常规测站,因此无法实现海面部分的测站同化,而这必将影响到海面部分的模拟质量,而云迹风资料恰可以祢补这个不足.试验表明云迹风资料对u,v风场的改进则主要集中在对流层高层(300~200hPa),对中低层的影响不很明显,这与云迹风资料主要集中在高层是相一致的.另外,敏感性试验表明经过质量控制的云迹风同化模拟的性能相对不采用质量控制的同化模拟有了一定程度的提高. 相似文献
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