ROMS_FVCOM_HYCOM三種海洋模型在美國東海岸海洋水溫模擬中的應(yīng)用研究

1、分類號：P71 密 級： 公 開 UDC： 單位代碼： 10424 學(xué) 位 論 文ROMS/FVCOM/HYCOM三種海洋模型在美國東海岸海洋水溫模擬中的應(yīng)用研究董 肇 賓 申請學(xué)位級別：碩士學(xué)位 專業(yè)名稱：地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng) 指導(dǎo)教師姓名：戴 洪 磊 職 稱：教 授山 東 科 技 大 學(xué)二一六年五月論文題目：ROMS/FVCOM/HYCOM三種海洋模型在美國東海岸海洋水溫模擬中的應(yīng)用研究作者姓名： 董肇賓 入學(xué)時間： 2013年9月 專業(yè)名稱：地圖學(xué)與地理 研究方向： 地理信息系統(tǒng) 信息系統(tǒng) 應(yīng)用與開發(fā) 指導(dǎo)教師： 戴洪磊 職 稱： 教 授 徐泮林 教 授 論文提交日期：2016年5月論文

2、答辯日期：2016年6月授予學(xué)位日期： Application of ROMS/FVCOM/HYCOM three kinds of ocean model in the simulation of ocean water temperature along the eastern coast of the United StatesA Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree ofMASTER OF SCIENCEfromShandong University of Science and

3、TechnologybyDong ZhaobinSupervisor: Professor Dai HongleiCollege of Geomatics May 2016聲 明本人呈交給山東科技大學(xué)的這篇理學(xué)碩士學(xué)位論文，除了所列參考文獻(xiàn)和世所公認(rèn)的文獻(xiàn)外，全部是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下的研究成果。該論文資料尚沒有呈交于其它任何學(xué)術(shù)機(jī)關(guān)作鑒定。 碩士生簽名： 日 期：AFFIRMATIONI declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of S

4、cience in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute. Signature: Date:山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要摘要隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及陸地資源的匱乏，人民將越來越多的目光投向海洋，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)和海洋事業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)今世界的趨勢。然而對于研究海洋的艱巨性

5、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(zhǔn)確的認(rèn)識海洋。因此，相關(guān)方面專家學(xué)者開始嘗試建立多種海洋模型，模擬出與真實(shí)海洋較近似的運(yùn)行狀態(tài)，以此提供更便捷的方式幫助人們認(rèn)識海洋。本文在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析當(dāng)前海洋模型的研究成果和進(jìn)展，重點(diǎn)選出ROMS海洋模型，F(xiàn)VCOM海洋模型和HYCOM海洋模型這三類模型，并通過實(shí)驗(yàn)深入探究三種模型的模擬效果。主要工作如下：1）學(xué)習(xí)模型：通過對這三種海洋模型的簡單介紹來認(rèn)識這三種海洋模型的特點(diǎn)和應(yīng)用區(qū)域；2）數(shù)據(jù)分析：先對比分析由海龜監(jiān)測的海洋溫度數(shù)據(jù)與ROMS模型模擬的海洋溫度數(shù)據(jù)對比分析，再引入FVCOM海洋模型與H

6、YCOM海洋模型，與ROMS海洋模型模擬的結(jié)果進(jìn)行對比；具體實(shí)施方法是在Linux操作系統(tǒng)下利用Python語言作為編程工具進(jìn)行對比分析的；3）發(fā)現(xiàn)規(guī)律：通過三種模型的對比分析，探究ROMS海洋模型的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)ROMS在溫度躍遷層的出現(xiàn)的誤差較大；4）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(zhǔn)確的海洋地形數(shù)據(jù)對ROMS海洋模型進(jìn)行優(yōu)化，以提高ROMS海洋模型的海洋溫度模擬能力。運(yùn)用新版FVCOM，對FVCOM模型提出優(yōu)化。關(guān)鍵詞：海洋模型；ROMS；FVCOM；HYCOM；數(shù)據(jù)對比；山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 AbstractAbstractWith the development o

7、f economy and the lack of land resources, people will put more and more attention to the ocean, as a result, the development of marine economy and marine industry has become the world trend. However, the difficulty of the study of the ocean determines that the general observation means can only get

8、very little useful information in a very small area and it is difficult to fully understand the marine. So the marine researchers try to establish ocean models to simulate the real operation of the ocean, in order to help people understand and develop the ocean better.This article aims to analyze an

9、d summarize three of these models-Regional Ocean Model System, FiniteVolumeCoastalOceanModel and Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model. Mainly consisted of followings: 1) Understanding models. Give a brief introduce of three models about the characteristics and application area. 2) Data compar

10、ison. Firstly, compare temperature ROMS simulated and the ones from SRDL sensors binding on turtles. Then FVCOM and HYCOM are introduced, and ROMS is compared with these two ocean models. The concrete implementation method is under the Linux operating system using Python language as a programming to

11、ol for comparative analysis.3) Find regular rules. Through the comparative analysis of the three models, analyze the advantages and disadvantages of ROMS. 4) Optimization of ocean model. Reset the boundary of ROMS and use more accurate ocean terrain data to improve ocean temperature simulation capab

12、ility of ROMS. Using new version optimizes FVCOM model.Key words: Ocean model; ROMS; FVCOM; HYCOM; Data comparison山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 目錄1緒論11.1 問題的提出11.2 海洋模型的發(fā)展現(xiàn)狀21.3 研究內(nèi)容及方法41.4 課題的研究意義52海洋模型簡介62.1 ROMS海洋模型簡介62.2 FVCOM海洋模型簡介92.3 HYCOM海洋模型簡介143海洋模型溫度與觀測溫度對比163.1 數(shù)據(jù)來源與處理163.2 實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析193.3 對比分析ROMS模型模擬

13、數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)253.4 引入FVCOM模型和HYCOM模型373.5 本章小結(jié)444海洋模型優(yōu)化464.1 ROMS海洋模型優(yōu)化464.2 FVCOM海洋模型優(yōu)化475結(jié)論與展望505.1 結(jié)論505.2 展望51致謝53參考文獻(xiàn)53攻讀碩士學(xué)位期間從事科學(xué)研究及發(fā)表論文情況58Contents1 Introduction11.1 Propose the problem11.2 The development status of ocean model21.3 Research contents and methods41.4 Research significance52 Ocean

14、model introduction62.1 ROMS introduction62.2 FVCOM introduction92.3 HYCOM introduction143 Comparison of ocean model temperature and observed temperature163.1 Data sources and processing163.2 Analysis of actual monitoring data193.3 Comparison of ROMS data and observed data253.4 The introduction of FV

15、COM and HYCOM373.5 Summary444 Ocean model optimization464.1 ROMS optimization464.1 FVCOM optimization475 Conclusion and prospect505.1 Conclusion505.2 Prospect51Acknowledgement53References53Scientific research and published papers58山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論1緒論1.1 問題的提出從太空的角度觀看現(xiàn)在的地球，其實(shí)是一個“水球”，海洋面積三億六千萬平方千米，占地球表

16、面積的比例高達(dá)71%，空間廣闊，資源豐厚。海洋還是世界貿(mào)易的通道之一。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化及陸地資源越來越匱乏，人人們開始更多地關(guān)注海洋，并試圖對海洋資源進(jìn)行合理開發(fā)和利用，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)和海洋事業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)今世界的趨勢1。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。海洋模型的建立對研究海洋規(guī)律有很大的作用。然而研究的不斷深入，需要面對的海洋環(huán)境也越來越復(fù)雜，之前簡易的現(xiàn)場試驗(yàn)手段來調(diào)查海洋環(huán)境的方法很難達(dá)到想要的結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)性能上的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，海洋模型也成為研究海洋的重要方法和手段。但是海洋模型只是給出

17、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(shí)際應(yīng)用的意義3。海洋模型預(yù)測的準(zhǔn)確性也非常重要，在建立模型的過程中受到極大的重視4。各種結(jié)構(gòu)算法的提出及優(yōu)化對于海洋模型預(yù)測的精度有了很大的提升，越來越多的海洋模型被建立起來，比如FVCOM（Finite Volume Coastal Ocean Model）模型、ROMS（Regional Ocean Modeling System）模型、HYCOM（Hybrid Coordinate Ocean Model）模型等5。各種海洋模型目前能夠快速發(fā)展，主要原因有4點(diǎn)6：1）高性能計(jì)算機(jī)和海洋數(shù)值模擬

18、技術(shù)的發(fā)展；2）經(jīng)過近幾十年努力，形成了全球海洋觀測系統(tǒng)，海洋研究者們能夠更加方便簡潔的獲取更多的高質(zhì)量海洋觀測數(shù)據(jù)；3）海洋數(shù)據(jù)同化方案技術(shù)的發(fā)展；4）海洋對各個國家的從社會到軍事的重要性，迫使其投入更大的研究力度去研究各種海洋技術(shù)，包括海洋分析預(yù)報(bào)技術(shù)7。然而很多情況下海洋模型數(shù)據(jù)預(yù)測的準(zhǔn)確性還有很差，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。1.2 海洋模型的發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)不同的空間離散方法可以將非結(jié)構(gòu)化的海洋模型分為：有限差分模型，有限元模型和有限體積模型；根據(jù)其不同的垂直坐標(biāo)劃分方法可分為：位勢模型，等密度模型，sigma 模型和混合模型。劃分方式可參見下圖8：高階差分結(jié)

19、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圖1.1 海洋模型分類Fig 1.1 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(biāo)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(biāo)系。這個早期模型的計(jì)算要求相對較高，使得初始條件只是短期的集成，因此解決方案并沒有使模型強(qiáng)迫達(dá)到熱力學(xué)平衡9。然而，Bryan和Cox實(shí)

20、現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)大陸輪廓的全球模擬、粗略海底水深、T-S曲線的預(yù)測方程、高頻模式的消除，混合、摩擦、漩渦影響的近似閉合方案。他們的工作可以被看做現(xiàn)代海洋建模的起源。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(jìn)版10。 2）上世紀(jì)70年代，sigma坐標(biāo)系開始應(yīng)用于海洋模型在水深方向，產(chǎn)生了基于混合層的層結(jié)構(gòu)模型和海底地形追蹤的sigma坐標(biāo)模型

21、，比如被廣泛使用的POM（Princeton Ocean Model）、ECOM（Estuarine Coastal and Ocean Model）、ROMS（Regional Ocean Modeling System）模型都屬于這種類型的模型11。3）自上世紀(jì)90年代以來，非結(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）。雖然與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相比，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

22、可以更好地?cái)M合陸地邊界，但是代碼實(shí)現(xiàn)上的困難和計(jì)算穩(wěn)定性的問題使其至今還沒有得到非常廣泛的應(yīng)用12。4）新一代的海洋模型廣泛采用隨地坐標(biāo)系，進(jìn)而促進(jìn)了有關(guān)時間步長，對流項(xiàng)和壓力梯度等數(shù)值算法進(jìn)行了改進(jìn)。進(jìn)入新世紀(jì)以來，下一代的海洋數(shù)值動力模型正在研制中，代表性的是TOMS（Terrain-following Ocean Modeling System），它融合了目前最先進(jìn)的物理知識、數(shù)值方法和數(shù)據(jù)同化技術(shù)13。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(xué)海洋與海岸科學(xué)研究所與加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校兩所高校共同研究開發(fā)的，最早被稱為SCRUM（S-Coordinate Rutge

23、r 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。目前主要有三個版本，分別是Rutger University版本、法國IRD的ROMS_AGRIF版本、UCLA版本14。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。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(jìn)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(diǎn)以得到更為精確的結(jié)果15。FVCOM模型到現(xiàn)在為止，一共經(jīng)歷3個版本。第一代FVCOM海洋模型版本主要應(yīng)用與河口地區(qū)及比較平緩的海灣地區(qū)。第二代FVCOM海洋模型在第一代FV

24、COM海洋模型的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，增加了部分水域。第三代FVCOM海洋模型主要對海洋動態(tài)預(yù)測進(jìn)行了開發(fā)，引潮力和海潮得到考慮16。HYCOM（Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model，混合坐標(biāo)大洋環(huán)流模式）是由美國邁阿密大學(xué)等密度面坐標(biāo)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(diǎn)同時，還采用了靈活的垂向混合坐標(biāo)（等密度坐標(biāo)、z坐標(biāo)和sigma坐標(biāo)等3種坐標(biāo)的混合）17。目前應(yīng)用比較廣泛的2中版本是標(biāo)準(zhǔn)版HYCOM海洋模型和NERSC-HYCOM海洋模型，其中NERSC-HYCOM海洋模型是在標(biāo)準(zhǔn)版HYCOM海洋模型的基礎(chǔ)上改

25、進(jìn)的，NERSC-HYCOM海洋模型可以直接處理NETCDF格式數(shù)據(jù)，簡化來的模式的操作，為用戶提供了更加友好的界面18。20世紀(jì)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(hù)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。在海洋預(yù)測方面，目前國內(nèi)出現(xiàn)了許多運(yùn)用海洋模型來完成海洋預(yù)測的，例如趙冬至等利用GIS 為平臺集成海灣陸源污染物總量控制模型19，宋德海等基于FVCOM 模型對欽州灣進(jìn)行三維潮流的數(shù)值模擬20，陸永軍等建立了二維泥沙數(shù)值模型，研究了渤海灣曹妃甸開發(fā)對水動力泥沙的影響21，趙曉東以

26、渤海為例建立了基于 GIS和FVCOM的數(shù)值模型來計(jì)算近海岸水動力，基于兩者的耦合，提出了GIS支持下的近海岸水動力模擬計(jì)算前處理的空間數(shù)據(jù)管理、自動剖分網(wǎng)格和數(shù)據(jù)自動提取的方法，提高了建模、調(diào)試和前處理的效率22。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。1.3 研究內(nèi)容及方法目前海洋模型在探測海洋和研究海洋中有很大的應(yīng)用空間，如海洋環(huán)境預(yù)報(bào)，海洋現(xiàn)狀分析，海上搜救，災(zāi)難緊急處理等24。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(zhǔn)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。本文將從ROMS海

27、洋模型入手，對比分析其模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與優(yōu)勢，然后引入FVCOM模型和HYCOM模型，對比3種海洋模型模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)，討論模型數(shù)據(jù)同化中應(yīng)用到的各種方法，探究各海洋模型模擬的優(yōu)劣，并找出原因，具體內(nèi)容如下：第1章 ：概述了論文研究意義，研究目的，研究方法及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。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3章 ：首先分析由海龜綁定的SDRL傳感器觀測到的溫度，了解其數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，再與ROMS模型的模擬數(shù)據(jù)對比分析，找到ROMS模型的誤差區(qū)域，最后引入FVCOM模型與HYCOM模型，進(jìn)一步分析ROMS模型的誤差情況。第4章 ：海洋模型的優(yōu)化：

28、通過重新設(shè)置模型邊界條件和使用更準(zhǔn)確的海洋地形數(shù)據(jù)對ROMS海洋模型進(jìn)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。第5章 ：論文總結(jié)與展望。1.4 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(dá)71%。海洋中的含水量為30億5000多萬立方千米 ，占地球總水量的97%左右。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。海洋是人類的資源寶庫，于是科學(xué)家們不得不把解決這一問題的希望寄托于占據(jù)地球表面積71%的海洋26。21世紀(jì)將是一個海洋經(jīng)濟(jì)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

29、洋資源的開發(fā)列為重要課題27。其實(shí)，最根本的還是水資源。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。全球60%的地區(qū)面臨供水不足的問題。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(yán)重缺水。為了解決水荒，人們把目光移向海洋。海洋是個巨大的天然水庫，地球上96.53%的水都在這里，大約有133800萬立方千米29。綜上所述，可以看出海洋中有豐富的食品、礦產(chǎn)、能源、藥物和水產(chǎn)資源。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(jì)發(fā)展有著決定性作用30。本文利用從美國NOAA獲得的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)，利用G

30、IS軟件的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過與三種海洋模型模擬對比分析，在此基礎(chǔ)上對海洋模型提出完善意見，對于海洋模型研究具有一定的參考價值。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2.1 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。ROMS功能包括海冰模塊、水動力模塊、泥沙模塊、生態(tài)模塊和數(shù)據(jù)同化模塊 31。圖2.1 ROMS海洋模型框架圖Fig 2.1 ROMS FrameworkROMS海洋模型框架如上圖2.1。ROMS海洋模

31、型包括多種計(jì)算途徑：獨(dú)立的大氣模型、耦合的大氣模型、獨(dú)立的波模型和耦合的波模型。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。這四個模型不僅可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以共同運(yùn)行。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(xué)，減少預(yù)測系統(tǒng)中的誤差和不確定性，同時進(jìn)行自適應(yīng)采樣。伴隨敏感性程序（ADSEN）可以用來計(jì)算選定的函數(shù)模型對物理屬性變化的響應(yīng)33。它包括了強(qiáng)（S4DVAR、IS4DVAR）約束變分?jǐn)?shù)據(jù)同化驅(qū)動器和弱（W4DVAR）約束變分?jǐn)?shù)據(jù)同

32、化驅(qū)動器。集合預(yù)報(bào)程序可利用奇異向量沿著狀態(tài)空間最不穩(wěn)定的方向來擾動或初始化條件。最后，完整性檢驗(yàn)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(zhǔn)確性34。區(qū)域海洋模型（ROMS）是一個擁有自由表面、地形跟蹤、原始方程等特點(diǎn)的海洋模型，在科學(xué)界得到廣泛應(yīng)用。ROMS使用了多種算法，包括非線性計(jì)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使用的物理和數(shù)值算法，包含沉積物、生物光學(xué)、生物地球化學(xué)和海冰模塊，還包括了一些垂直混合方案、多層次的嵌套網(wǎng)格35。2.1.1 ROMS海洋模型構(gòu)造原理2.1.1.1內(nèi)膜控制方程(Hzu)t+(uHzu)x

33、+(vHzu)y+(Hzu)s-fHzv=-Hz0px-Hzgx-suw-vHzus-HzSxxx-HzSxyy+Spxs （2.1）(Hzv)t+(vHzv)x+(vHzv)y+(Hzv)s-fHzu=-Hz0py-Hzgy-svw-vHzvs-HzSyxx-HzSyyy+Spys （2.2）0=-10ps-g0Hz （2.3）t+(Hzu)x+(Hzv)y+(Hz)s=0 （2.4）(HzC)t+(uHzC)x+(vHzC)y+(HzC)s=-scw-vHzCs+Csource （2.5）=f(C) （2.6）其中上面各式中，u，v分別代表x，y方向的平均流速分量，代表垂向流速。垂向坐標(biāo)s

34、=(z-)(h+)，-1s0，其中z為原始垂向物理坐標(biāo)，h為平均水深，為相對平均海平面的水位。Hz為單元格高度，f為科氏力參數(shù)；p為壓力；和0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(xiàng)為應(yīng)力項(xiàng)。2.1.1.2 外膜控制方程(Du)t+(uDu)x+(vDv)y-fDv=-Dpx+sx-bx-Sxxx-Sxyy （2.7）(Dv)t+(vDu)x+(vDv)y-fDu=-Dpy+sy-by-Sxyx-Syyy （2.8）Sxx=Ecgckxkxk2+Ecgc-12+kxkxk2c2ARL （2.9）Sxy=Syx=Ecgckxkyk2+kxkyk

35、2c2ARL （2.10）Syy=Ecgckykyk2+Ecgc-12+kykyk2c2ARL （2.11）cg=k=c2(1+2kDsinh(2kD) （2.12）t+(Du)x+(Dv)y=0 （2.13）2.1.2 ROMS ESPRESSO簡介圖2.2 ROMS EXPRESSO 區(qū)域圖Fig 2.2 ROMS EXPRESSO Regional MapROMS在美國東海岸主要有以下幾個應(yīng)用36：NTAL-北大西洋流域，NENA-北大西洋流域東北，CBLAST-海氣交換耦合邊界層，DELAWARE-特拉華河河口，SW06-淺層海域2006，LATTE-拉格朗日運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，ESPRE

36、SSO-大陸架預(yù)測和坡光學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，HUDSON-Hudson河和紐約港口。因?yàn)镋XPRESSO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)。此系統(tǒng)是一個36層的使用AVHRR（NOAA系列衛(wèi)星探測儀）數(shù)據(jù)應(yīng)用4DVAR數(shù)據(jù)同化方法來同化的每天更新的系統(tǒng)。邊界條件直接使用HYCOM NVODA預(yù)測系統(tǒng)37。ESPRESSO是一個復(fù)雜河口的細(xì)化-復(fù)合網(wǎng)格嵌套子類。它的網(wǎng)格分為130*82，每個網(wǎng)格長7.5km，寬5.8km，具體區(qū)域如圖2.2所示。圖中顏色部分表示海洋深度，從0到3000米，顏色越紅表示水的深度值越小，顏色越藍(lán)表示水的深度值越大。2.2 FVCOM海洋模型簡介2.

37、2.1 模型簡介FVCOM(FiniteVolumeCoastalOceanModel)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是無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格架構(gòu)、有限體積、自由表面、三維原始方程海洋數(shù)值模型 38。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(jìn)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(diǎn)以得到更為精確的結(jié)果39。FVCOM模型至今仍在不斷升級中，本文應(yīng)用的是GOM3版本，在美國東海岸分布如圖2.3。圖2.3 FVCOM-GOM3模型在美國東海岸分布圖Fig 2.3 FVCOM-GOM3 Model in t

38、he East Coast of the United StatesFVCOM 組成部分包括：1.笛卡爾坐標(biāo)或球形坐標(biāo)選擇系統(tǒng)；2.干濕擬合處理；3.可選的垂直湍流混合模型GOTM（General Ocean Turbulent Model）；4.海水水質(zhì)評價模型；5.數(shù)據(jù)擬合同化，包括4-D nudging，卡爾曼濾波；6.海冰處理模型；7.三維泥沙模型；8. 生態(tài)計(jì)算模型38。2.2.2 控制方程2.2.2.1 笛卡爾坐標(biāo)系下的控制方程笛卡爾坐標(biāo)系下的原始控制方程組如下39：ut+uux+vuy+wuz-fv=-1oPx+zKmuz+Fu （2.14）vt+uvx+vvy+wvz+fv=1

39、oPy+zKmvz+Fv （2.15）Pz=-g （2.16）ux+vy+wz=0 （2.17）Tt+uTx+vTy+wTz=zKhTz+FT （2.18）St+uSx+vSy+wSz=zKhSz+FS （2.19）=T,S （2.20）其中，x、y 、z為笛卡爾坐標(biāo)系中的東向，北向和垂直方向；u、v、w為x、y 、z方向的速度分量；T為溫度；S為鹽度；為密度；P為壓力；f為科里奧利參數(shù)；g為重力加速度；Km為垂向湍粘性系數(shù)；Kh為熱力學(xué)垂向湍擴(kuò)散系數(shù)；Fu、Fv、FT、FS分別為水平動量以及溫度鹽度的擴(kuò)散項(xiàng)。海平面和海底溫度邊界條件方程如下40：Tz=1cpKhQnx,y,t-SWx,y,t

40、, at z=x,y,t （2.21）Tz=AHtanKhTn , at z=-H(x,y) （2.22）其中水深為D=H+，H是海底深度，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,t中當(dāng)=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(kuò)散系數(shù)，是海底斜坡，n是圖2.4中的水平坐標(biāo)：圖2.4 海底斜坡原理圖Fig 2.4 Submarine Slope Schematic向下的短波通量SWx,y,z,t=SWx,y,0,tReza+(1-R)ezb，其中a和b分別是短波輻射下較長波和較短波的衰

41、減長度，R為長波輻照相關(guān)聯(lián)的總統(tǒng)量半分比。 海平面和海底鹽度邊界條件方程如下41：Sz=S(P-E)KhPcos , at z=x,y,t （2.23）Sz=AHtanKhSn , at z=-Hx,y （2.24）其中P代表沉淀率，E代表蒸發(fā)率，=11+2。u、v、w三個方向上海平面和海底邊界條件方程如下42：Kmuz,vz=1osx ,sy,w=t+ux+vy+E-P , at z=x,y,t（2.25）Kmuz,vz=1obx ,by,w=-uHx-vHy+Qb , at z=-Hx,y（2.26）其中sx ,sy和bx ,by是海洋表層風(fēng)和底層壓力在x和y方向上的分量。2.2.2.2

42、坐標(biāo)系下的控制方程FVCOM模型采用的是坐標(biāo)變換，坐標(biāo)變換的定義是43：=z-H+=z-D （2.27）其中的值從海底變?yōu)楹Ｃ妫?1到0m）。在坐標(biāo)系中，其控制方程組可以寫為44：t+Dux+Dvy+=0 （2.28）uDt+u2Dx+uvDy+u-fvD =-gDx-gDoxD0d+Dx+1DKmu+DFx （2.29）vDt+uvDx+v2Dy+v+fuD =-gDy-gDoyD0d+Dy+1DKmv+DFy （2.30）TDt+TuDx+TvDv+T=1DKhT+DH+DFT （2.31）SDt+SuDx+SvDy+S=1DKhS+DFS （2.32）=(T,S) （2.33）在坐標(biāo)系下

43、，水平方向上的擴(kuò)散條件定義為：DFxx2AmHux+yAmHuy+vx （2.34）DFyxAmHuy+vx+y2AmHvy （2.35）D(FT,FS,Fq2,Fq2l)xAhHx+yAhHy(,s,q2,q2l) （2.36）其中，Ah、Am分別為熱擴(kuò)散系數(shù)和水平湍粘性系數(shù)；D=H+；f為科里奧利參數(shù)；為坐標(biāo)下的垂向速度。在海平面時，=0，條件如下45：u ,v=DoKmsx ,sy , =E-P （2.37）T=DcpKhQnx,y,t-SWx,y,0,t,S=S(P-E)DKhP （2.38）在海底時，=-1，條件如下：u ,v=DoKmbx ,by,=Qb （2.39）T=AHDta

44、nKh-AH(tan)2Tn ,S=AHDtanKh-AH(tan)2Sn （2.40）2.2.2.3 球面坐標(biāo)系下的控制方程在笛卡爾坐標(biāo)系下，F(xiàn)VCOM只能用于一定區(qū)域內(nèi)，無法在全球內(nèi)應(yīng)用，所以建立起了球面坐標(biāo)系的FVCOM模型。在球面坐標(biāo)系下，x，y表示為46：x=rcos(-0) , y=r(-0) （2.41）其中r是地球半徑，、分別代表經(jīng)緯度，0和0是參考經(jīng)緯度，垂直坐標(biāo)z垂直于地球表面指向地球外，具體情況如圖2.5圖2.5 海洋模型球面坐標(biāo)系統(tǒng)Fig 2.5 Ocean Model Spherical Coordinate System球面坐標(biāo)系下的三維控制方程如下47：ut+1r

45、cosu2D+uvcos+u+uvDrtan-wvDr-fvD =-gDrcos-gDorcosD0d+D+1DKmu+DFu （2.42）vt+1rcosuvD+v2cos+v+u2Drtan-wvDr-fuD =-gDr-gDorD0d+D+1DKmv+DFv （2.43）t+1rcosuD+vcosD+=0 （2.44）TDt+1rcosTuD+TvcosD+T=1DKhT+DH+DFT （2.45）SDt+1rcosSuD+SvcosD+S=1DKhS+DFS （2.46）=(T,S,P) （2.47）其中，u，v是帶狀方向和子午線方向，是坐標(biāo)垂直方向上的速度，T和S分別代表溫度和鹽度

46、，是總體密度，其值等于擾動密度值和參考密度值的總和。P為壓強(qiáng)，f為科里奧利參數(shù)，g是重力加速度，Km和Kh分別是是垂直渦流粘度系數(shù)和溫度垂直渦流擴(kuò)散系數(shù)，F(xiàn)u、Fv、FT、FS分別代表水平面上的勢能，溫度，鹽度擴(kuò)散數(shù)，H是短波輻射的垂直梯度。坐標(biāo)垂直方向上的速度和實(shí)際垂直方向上的速度w之間的關(guān)系如下49：=w-urcosD+-vrD+-Dt+t （2.48）球面坐標(biāo)系下的擴(kuò)散條件定義為：DFu1r2(cos)22AHu+1rAmHur+vrcos （2.49）DFvrcosAmH(ur+vrcos)+r22AHu （2.50）DFT2r2(cos)2AmHu+r2AmH(u+vrcos) （2

47、.51）DFS1r2cosAmH(u+1cosv)+2r2AmHv （2.52）2.3 HYCOM海洋模型簡介2.3.1 HYCOM的垂向混合坐標(biāo)HYCOM（Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model，混合坐標(biāo)大洋環(huán)流模型）是由美國邁阿密大學(xué)等密度面坐標(biāo)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(diǎn)同時，還采用了靈活的垂向混合坐標(biāo)（等密度坐標(biāo)、z坐標(biāo)和sigma坐標(biāo)等3種坐標(biāo)的混合）50。許多海洋模式僅使用等密度坐標(biāo)、z坐標(biāo)和sigma坐標(biāo)中的一種坐標(biāo)，然而這3種坐標(biāo)都有非常明顯的優(yōu)缺點(diǎn)51。而HYCOM（混合坐標(biāo)大洋環(huán)流模式

48、）采用混合使用這3種垂向坐標(biāo)的方法，在不同情況下只用不同的垂向坐標(biāo)，解決了這一問題。在層結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定而且開闊的區(qū)域使用等密度坐標(biāo)；在地形變化強(qiáng)烈的海域和水深較淺的海域，等密度坐標(biāo)與sigma坐標(biāo)平滑地連接；在層結(jié)比較弱的上混合層，將垂向等密度坐標(biāo)平滑方式過渡到z坐標(biāo)；而更淺的海域，將sigma坐標(biāo)過渡到z坐標(biāo)52。2.3.2 控制方程在（x，y，s）（s表示尚未給定的垂向坐標(biāo)）坐標(biāo)系下，模型方程為：Vts+sV22+fKV+spsVp+sM-ps =-gp+ps-1svpssV （2.53）tsps+sVps+Ssps=0 （2.54）tsps+sVps+Ssps=svpss+H （2.55）

49、其中，v=(u,v)是水平流速矢量，p為壓強(qiáng)，是熱動力學(xué)變量，=pot-1是位勢比容，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，是風(fēng)或底摩擦引起的剪切應(yīng)力矢量，H為源項(xiàng)。山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 海洋模型溫度與觀測溫度對比3海洋模型溫度與觀測溫度對比目前，人類了解海洋和研究海洋的愿望越來越大，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用到獲取海洋數(shù)據(jù)中。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(xiàng)技術(shù)雖然在控制測量范圍和傳感器校準(zhǔn)方面存在一定的問題，但是在測量大量數(shù)據(jù)的花費(fèi)問題上確實(shí)有著很大的優(yōu)勢。由于傳感器測量的實(shí)測數(shù)據(jù)要優(yōu)于模型的模擬數(shù)據(jù)，所以傳感器測量的實(shí)測數(shù)據(jù)可以

50、用于優(yōu)化海洋模型。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。一些調(diào)查研究已經(jīng)表明，在特殊地區(qū)，由海洋動物承載的傳感器測量所采集的海洋數(shù)據(jù)和船測數(shù)據(jù)質(zhì)量非常接近。海洋動物往往是在它們關(guān)注的區(qū)域進(jìn)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。Nordstrom比較了海豹和船從白令海峽檢測獲得的溫度數(shù)據(jù)，差值非常小（小于0.6，這些差值由于測量地點(diǎn)和時間的略微差異造成的）,但是海豹測量的海洋數(shù)據(jù)的數(shù)量級要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于船測數(shù)據(jù)的數(shù)量級。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(jìn)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(jìn)行模擬的結(jié)果進(jìn)行比較，分別分析這三種海洋模型在溫度模擬方面的優(yōu)缺點(diǎn)，找出3種模型大誤差集中分布的區(qū)域，之后分析可能出現(xiàn)的原因。3.1 數(shù)據(jù)來源與處理本