[发明专利]一种多个海洋学模型参数的同时率定方法

说明书

本发明提供了一种多个海洋学模型参数的同时率定方法，包括构建地波雷达观测系统，获取表层流场观测数据；获取研究海域海水层结和水深，由表层流场推导出深度平均的流场；构建球坐标系下考虑风应力和海表面气压的二维正压海洋伴随同化模型；给定二维正压海洋伴随同化模型中风应力拖曳系数和底摩擦系数的经验公式，给出经验公式中经验系数调整策略；以二维正压海洋伴随同化模型为基础，同化深度平均的流场数据，同时对风应力拖曳系数和底摩擦系数经验公式中的经验系数进行优化调整，从而实现对于风应力拖曳系数和底摩擦系数的同时率定。本发明既保证了模型参数具有一定的物理意义，也实现了多个模型参数的同时、高效率定。

技术领域

本发明涉及海洋学模型参数率定领域，具体涉及一种多个海洋学模型参数的同时率定方法。

背景技术

海洋学模型通过求解Navier-Stokes控制方程，获得海洋环境变量的时空分布，具有定量、预报性强的特色，在基础学科研究和资源开发活动中起着越来越重要的作用。此外，精确的海洋数值预报结果是开展海上溢油漂移预测和海上遇险目标漂移预测的基础。

海洋学模型中，存在着众多需要参数化的过程。海洋上边界处的风场是海洋能量的重要来源，海面风场对于海洋的影响常用依赖风速的风应力计算公式进行参数化，其中风应力拖曳系数的选取对于风应力的计算至关重要。底部摩擦效应对于海洋能量耗散的影响，是一个经典的海洋学问题，底摩擦效应常用二次形式的依赖于流速的计算公式进行参数化，其中底摩擦系数的取值很大程度上影响能量耗散的计算结果。可以看出，风应力拖曳系数和底摩擦系数的合理取值及相互匹配，是决定海洋数值模拟结果准确与否的重要因素。

众多学者基于实验室实验或者海上观测实验，单独给出了风应力拖曳系数或者底摩擦系数的经验公式。一般情况下，经验公式是根据一定的物理意义给出的，但其中的经验系数需要根据实验数据进行率定。而经验系数在不同的实验条件、不同的海域、不同的海洋环境下，取值往往不同，因此，不假思索的直接采用文献中的经验系数，可能会造成数值模拟结果与实际情况相差较大。此外，在利用海洋学模型开展数值模拟时，传统的试错法很难实现对于多个模型参数进行高效、同步率定。

在此背景下，如何利用实验数据或者观测数据，对研究海域的风应力拖曳系数和底摩擦系数经验公式中的经验系数同时进行自动化率定，是进一步提高海洋数值模拟精度和预报精度的重要问题，也是本发明主要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多个海洋学模型参数的同时率定方法，解决了上述问题中的至少一个。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多个海洋学模型参数的同时率定方法，包括：

构建地波雷达观测系统，获取表层流场观测数据；

获取研究海域海水层结和水深，由表层流场推导出深度平均的流场；

构建球坐标系下考虑风应力和海表面气压的二维正压海洋伴随同化模型；

给定二维正压海洋伴随同化模型中风应力拖曳系数和底摩擦系数的经验公式，给出经验公式中经验系数调整策略；

以二维正压海洋伴随同化模型为基础，同化深度平均的流场数据，根据给出的经验系数调整策略，同时对风应力拖曳系数和底摩擦系数经验公式中的经验系数进行优化调整，从而实现对于风应力拖曳系数和底摩擦系数的同时率定。

可选地，获取研究海域海水层结和水深，由表层流场推导出深度平均的流场；包括：

根据研究海域海水层结和水深，求解垂向本征方程得到垂向本征函数；

利用模态分解理论和最小二乘理论，由表层流场构造全水深的流场，进而得到深度平均的流场。

可选地，构建球坐标系下考虑风应力和海表面气压的二维正压海洋伴随同化模型；包括：