ROMSFVCOMHYCOM三种海洋模型在美国东海岸海洋水温模拟中的应用研究

1、分类号：P71密级：公开UDC：单位代码：10424学位论文ROMS/FVCOM/HYCOM三种海洋模型在美国东海岸海洋水温模拟中的应用研究董肇宾申请学位级别：硕士学位专业名称:地图学与地理信息系统指导教师姓名：戴洪磊职称:教授山东科技大学二。一六年五月论文题目:ROMS/FVCOM/HYCOM三种海洋模型在美国东海岸海洋水温模拟中的应用研究作者姓名：董肇宾入学时间:2013年9月专业名称：地图学与地理研究方向:地理信息系统信息系统应用与开发指导教师：戴洪磊取称:教授徐泮林论文提交日期：2016年5月论文答辩日期：2016年6月授予学位日期：ApplicationofROMS/FVCOM/HY

2、COMthreekindsofoceanmodelinthesimulationofoceanwatertemperaturealongtheeasterncoastoftheUnitedStatesADissertationsubmittedinfulfillmentoftlierequiiementsofthedegreeofMASTEROFSCIENCEfromShandongUniversityofScienceandTechnologybyDongZhaobinSupervisor:ProfessorDaiHongleiCollegeofGeomaticsMay2016声明本人呈交给

3、山东科技大学的这篇理学硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果，该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。硕士生签名：日期：AFFIRMATIONIdeclarethatthisdissertation,submittedinfulfillmentoftherequirementsfortheawardofMasterofScienceinShandongUniversityofScienceandTechnology,iswhollymyownworkunlessreferencedofacknowledge.Thedocumenthasnotb

4、eensubmittedforqualificationatanyotheracademicinstitute.Signature:Date:摘要随着经济的发展以及陆地资源的匮乏，人民将越来越多的目光投向海洋，发展海洋经济和海洋事业己经成为当今世界的趋势。然而对于研究海洋的艰巨性决定了一般的观测手段只能在很小的区域内获取很少有用信息，很难全面准确的认识海洋。因此，相关方面专家学者开始尝试建立多种海洋模型，模拟出与真实海洋较近似的运行状态，以此提供更便捷的方式帮助人们认识海洋。本文在总结国内外相关研'究现状的基础上，分析当前海洋模型的研究成果和进展，重点选出ROMS海洋模型，FVCOM海

5、洋模型和HYCOM海洋模型这三类模型，并通过实验深入探究三种模型的模拟效果。主要工作如下：1）学习模型：通过对这三种海洋模型的简单介绍来认识这三种海洋模型的特点和应用区域：2）数据分析：先对比分析由海龟监测的海洋温度数据与ROMS模型模拟的海洋温度数据对比分析，再引入FVCOM海洋模型与HYCOM海洋模型，与ROMS海洋模型模拟的结果进行对比；具体实施方法是在Linux操作系统下利用Python语言作为编程工具进行对比分析的；3）发现规律：通过三种模型的对比分析，探究ROMS海洋模型的优缺点，发现ROMS在温度跃迁层的出现的误差较大：4）海洋模型的优化：通过重新设置模型边界条件和使用更准确的海

6、洋地形数据对ROMS海洋模型进行优化，以提高ROMS海洋模型的海洋温度模拟能力。运用新版FVCOM,对FVCOM模型提出优化。关键词：海洋模型：ROMS：FVCOM：HYCOM：数据对比;AbstractWiththedevelopmentofeconomyandthelackoflandresources,peoplewillputmoreandmoreattentiontotheocean,asaresult,thedevelopmentofmarineeconomyandmarineindustryhasbecometheworldtrend.However,tliedifficulty

7、ofthestudyoftheoceandetenninesthattliegeneralobseivationmeanscanonlygetveiylittleusefilliiifonnationinaverysmallareaanditisdifficulttofiillyunderstandthemarine.Sothemarineresearcherstrytoestablishoceanmodelstosimulatetherealoperationoftheocean,inordertohelppeopleunderstandanddeveloptheoceanbetter.Tl

8、iisarticleaimstoanalyzeandsummarizetlireeofthesemodels-RegionalOceanModelSystem,FiniteVolumeCoastalOceanModelandHybridCoordinateOceanicCirculationModel.Mainlyconsistedoffollowings:l)Understandingmodels.Giveabriefintroduceoftlueemodelsaboutthecharacteristicsandapplicationarea.2)Datacomparison.Firstly

9、,comparetemperahireROMSsimulatedandtheonesfiomSRDLsensorsbinctingonturtles.TlienFVCOMandHYCOMareintroduced,andROMSiscomparedwiththesetwooceanmodels.TlieconaeteimplementationmethodisundertheLimixoperatingsystemusingPythonlanguageasaprogrammingtoolforcomparativeanalysis.3)Findregularmles.Tlirouglithec

10、omparativeanalysisofthetlireemodels,analyzetheadvantagesanddisadvantagesofROMS.4)Optimizationofoceanmodel.ResettheboundaiyofROMSandusemoreaccurateoceanterraindatatoimproveoceantemperahuesimulationcapabilityofROMS.UsingnewversionoptimizesFVCOMmodel.Keywords:Oceanmodel;ROMS;FVCOM;HYCOM;Datacomparison目

11、录1绪论11.1 问题的提出11.2 海洋模型的发展现状21.3 研究内容及方法41.4 课题的研究意义52海洋模型简介62.1 ROMS海洋模型简介62.2 FVCOM海洋模型简介92.3 HYCOM海洋模型简介143海洋模型温度与观测温度对比163.1 数据来源与处理163.2 实际监测数据分析193.3 对比分析ROMS模型模拟数据与实际监测数据253.4 引入FVCOM模型和HYCOM模型373.5 本章小结444海洋模型优化464.1 ROMS海洋模型优化464.2 FVCOM海洋模型优化475结论与展望505.1 结论505.2 展望51致谢53参考文献53攻读硕士学位期间从事科学

12、研究及发表论文情况58Contentsllntioduction11.1Proposetheproblem11.2Thedevelopmentstatusofoceanmodel213Researchcontentsandmethods41.4Researchsignificance52Oceanmodelintioduction62.1 ROhlSintroduction.62.2 FVCOMinti-oduction92.3 HYCOMinh'oduction143comparisonofoceanmodeltemperatureandobservedtemperature163.

13、1 Datasourcesandprocessing163.2 Analysisofactualmonitoringdata193.3 ComparisonofROMSdataandobserveddata253.4 4TheintroductionofFVCOMandHYCOM373.5 Summary444Oceanmodeloptimization4641ROMSoptimization464.1 FVCOMoptimization475Conclusionandprospect505.1Conclusion5052Prosped51Acknowledgement53References

14、53Scientificresearchandpublishedpapers581绪论1.1问题的提出从太空的角度观看现在的地球，其实是一个“水球”,海洋面积三亿六万平方千米，占地球表面积的比例高达71%,空间广阔，资源丰厚。海洋还是世界贸易的通道之一。进入21世纪后，随着世界经济一体化及陆地资源越来越匮乏，人人们开始更多地关注海洋，并试图对海洋资源进行合理开发和利用，发展海洋经济和海洋事业己经成为当今世界的趋势口】。我国拥有广阔的海洋，从北至南，从渤海到南海是我国对外发展的重要“出口平台发展海洋事业对我国有十分重要的意义。海洋模型的建立对研究海洋规律有很大的作用。然而研究的不断深入，需要面对

15、的海洋环境也越来越复杂，之前简易的现场试验手段来调查海洋环境的方法很难达到想要的结果。随着计算机性能上的不断创新和发展，海洋模型也成为研究海洋的重要方法和手段。但是海洋模型只是给出了海量的数据，只有在具有了空间检索、空间编辑、空间分析和空间数据可视化等功能后，海洋模型才有了实际应用的意义海洋模型预测的准确性也非常重要，在建立模型的过程中受到极大的重视闾。各种结构算法的提出及优化对于海洋模型预测的精度有了很大的提升，越来越多的海洋模型被建立起来，比如FVCOM(FiniteVolumeCoastalOceanModel)模型、ROMS(RegionalOceanModelingSystem)模型

16、、HYCOM(HybridCoordinateOceanModel)模型等习。各种海洋模型目前能够快速发展，主要原因有4点回：1)高性能计算机和海洋数值模拟技术的发展；2)经过近几十年努力，形成了全球海洋观测系统，海洋研究者们能够更加方便简洁的获取更多的高质量海洋观测数据；3)海洋数据同化方案技术的发展；4)海洋对各个国家的从社会到军事的重要性，迫使其投入更大的研究力度去研究各种海洋技术，包括海洋分析预报技术然而很多情况下海洋模型数据预测的准确性还有很差，在日常应用中无法满足精度要求，还需要我们寻找方法来解决。1.2海洋模型的发展现状根据不同的空间离散方法可以将非结构化的海洋模型分为：有限差分

17、模型，有限元模型和有限体积模型；根据其不同的垂直坐标划分方法可分为：位势模型，等密度模型，sigma模型和混合模型。划分方式可参见下图同：图1.1海洋模型分类Fig11OceanModelClassification海洋模型按其水平网格的离散方式以及所使用的垂向坐标系的不同大致经历了以下几个阶段：1)海洋环流模型(OceanicGeneralCirculationModel,OGCM)是Bryan等人开发的最早出现的海洋模型，它是一种基于原始方程的低阶精度的有限差分模型，它在水深方向采用z坐标系。这个早期模型的计算要求相对较高，使得初始条件只是短期的集成，因此解决方案并没有使模型强迫达到热力学

18、平衡。然而，Biyan和Cox实现了现实大陆轮廓的全球模拟、粗略海底水深、T-S曲线的预测方程、高频模式的消除，混合、摩擦、漩涡影响的近似闭合方案。他们的工作可以被看做现代海洋建模的起源。目前常见的HOPS(HarvardOceanPredictionSystem),MOM(GFDLModularOceanModel),POP(ParallelOceanProgram),NCOM(NCARConuuunityOceanModel)模型在某种程度上都可以以为是该模型的改进版0°】。2)上世纪70年代，sigma坐标系开始应用于海洋模型在水深方向，产生了基于混合层的层结构模型和海底地形追

19、踪的sigma坐标模型，比如被广泛使用的POM(PrincetonOceanModel)xECOM(EstuarineCoastalandOceanModel)ROMS(RegionalOceanModelingSystem)模型都属于这种类型的模型口工3)自上世纪90年代以来，非结构化网格技术开始在海洋模型中得到应用，相应的也出现了基于非结构化网格离散方式的有限元模型，如SEOM(SpectralFiniteElementOceanModel),和有限体积模型，如FVCOM(FiniteVolumeCoastalOceanModel)o虽然与传统的结构化网格相比，非结构化网格可以更好地拟合陆

20、地边界，但是代码实现上的困难和计算稳定性的问题使其至今还没有得到非常广泛的应用口生4)新一代的海洋模型广泛采用随地坐标系，进而促进了有关时间步长，对流项和压力梯度等数值算法进行了改进。进入新世纪以来,下一代的海洋数值动力模型正在研制中，代表性的是TOMS(Terrain-followingOceanModelingSystem),它融合了目前最先进的物理知识、数值方法和数据同化技术“引。ROMS海洋模型是一个开源的三维区域海洋模型，由罗格斯大学海洋与海岸科学研究所与加利福尼亚大学洛杉矶分校两所高校共同研究开发的，最早被称为SCRUM(S-CoordinateRutgerUniversityMo

21、del),后来改名为ROMS,被广泛应用于海洋及河口地区的水动力及水环境模拟。目前主要有三个版本，分别是RutgerUniversity版本、法国IRD的ROMS_AGRIF版本、UCLA版本口久FVCOM海洋模型是由美国马萨诸塞州州立大学陈长胜教授在2000年建立的海洋模型。FVCOM模型在不规则三角网中对数值应用平衡方程进行二次离散，通过这种方法可以结合有限元模型和有限差分模型的优点以得到更为精确的结果口习。FVCOM模型到现在为止，一共经历3个版本。第一代FVCOM海洋模型版本主要应用与河口地区及比较平缓的海湾地区。第二代FVCOM海洋模型在第一代FVCOM海洋模型的基础上加以改进，增加

22、了部分水域。第三代FVCOM海洋模型主要对海洋动态预测进行了开发，引潮力和海潮得到考虑。HYCOM（HybridCoordinateOceanicCirculationModel,混合坐标大洋环流模式）是由美国迈阿密大学等密度面坐标海洋模式（MICOM）发展来的，此模式在保留了原始MICOM模式的优点同时，还采用了灵活的垂向混合坐标（等密度坐标、z坐标和sigma坐标等3种坐标的混合）17o目前应用比较广泛的2中版本是标准版HYCOM海洋模型和NERSC-HYCOM海洋模型，其中NERSC-HYCOM海洋模型是在标准版HYCOM海洋模型的基础上改进的，NERSC-HYCOM海洋模型可以直接处理

23、NETCDF格式数据，简化来的模式的操作，为用户提供了更加友好的界面闾。20世纪初近代中国的海洋科学研究开始发展，包括海洋物理研究，海洋地质研究和海洋生物研究，后来不断加入和海洋化学，海洋工程和海洋环境保护等多方面的课题，并且建立的海洋调查观测平台，研发出海洋观测仪器。在海洋预测方面，目前国内出现了许多运用海洋模型来完成海洋预测的，例如赵冬至等利用GIS为平台集成海湾陆源污染物总量控制模型叫宋德海等基于FVCOM模型对钦州湾进行三维潮流的数值模拟叫陆永军等建立了二维泥沙数值模型，研究了渤海湾曹妃甸开发对水动力泥沙的影响口】赵晓东以渤海为例建立了基产GIS和FVCOM的数值模型来计算近海岸水动力

24、，基于两者的耦合，提出了GIS支持下的近海岸水动力模拟计算前处理的空间数据管理、自动剖分网格和数据自动提取的方法，提高了建模、调试和前处理的效率口叫但是大部分为专题模型，对于大范围海洋区域或者多种模型对比分析涉及较少，目前还没有较为突出的成就叫13研究内容及方法目前海洋模型在探测海洋和研究海洋中有很大的应用空间，如海洋环境预报，海洋现状分析，海上搜救，灾难紧急处理等必。当前海洋模型还存在不少问题，并在很多情况下海洋模型数据预测的准确性不高，在日常应用中无法满足精度要求，还需要我们寻找方法来解决口习。本文将从ROMS海洋模型入手，对比分析其模型的结构特点与优势，然后引入FVCOM模型和HYCOM

25、模型，对比3种海洋模型模拟数据与实际观测数据，讨论模型数据同化中应用到的各种方法，探究各海洋模型模拟的优劣，并找出原因，具体内容如下，第一章：概述了论文研究意义，研究目的，研究方法及国内外研究现状。第二章：简单介绍了ROMS海洋模型、FVCOM海洋模型和HYCOM海洋模型。第三章：首先分析由海龟绑定的SDRL传感器观测到的温度，了解其数据的分布规律，再与ROMS模型的模拟数据对比分析，找到ROMS模型的误差区域，最后引入FVCOM模型与HYCOM模型，进一步分析ROMS模型的误差情况。第四章：海洋模型的优化：通过重新设置模型边界条件和使用更准确的海洋地形数据对ROMS海洋模型进行优化，以提高R

26、OMS海洋模型的海洋温度模拟能力；简单介绍下FVCOM更新版本的情况。第五章：论文总结与展望。1.4课题的研究意义地球上的海洋面积约三亿六千万平方公里，占地球表面总面积的比例高达71%。海洋中的含水量为30亿5000多万立方千米，占地球总水量的97%左右。随着全球人口的不断膨胀和耕地的逐渐减少，资源问题日渐突出。海洋是人类的资源宝库，于是科学家们不得不把解决这一问题的希望寄托于占据地球表面积71%的海洋ML21世纪将是一个海洋经济时代，浩瀚无垠的海洋，有着极其丰富的海洋资源，现在越来越多的国家已经把海洋资源的开发列为重要课题卬。其实，最根本的还是水资源。随着工农业的发展，人口的膨胀，人类对水的

27、需求量不断增加，现在对人类最大的威胁并非土地，而是水资源的短缺啰】。全球60%的地区面临供水不足的问题。我国600多个城市中已有300多个城市缺水，并有包括北京在内的100来个城市严重缺水。为了解决水荒，人们把目光移向海洋。海洋是个巨大的天然水库，地球上96.53%的水都在这里，大约有133800万立方千米口刃。综上所述，可以看出海洋中有丰富的食品、矿产、能源、药物和水产资源。海洋同时也是国土的一部分，海洋的研究对今后国家经济发展有着决定性作用即】。本文利用从美国NOAA获得的实际观测数据，利用GIS软件的观测数据进行预处理,通过与三种海洋模型模拟对比分析，在此基础上对海洋模型提出完善意见，对

28、于海洋模型研究具有一定的参考价值。2海洋模型简介2.1 ROMS海洋模型简介ROMS（RegionalOceanModelingSystem）模型是由美国罗格斯大学海洋与海岸科学研究所与加利福尼亚大学洛杉矶分校两校共同研究开发的，主要应用于区域海洋学研Fig21ROMSFramewodcROMS海洋模型框架如上图2.1。ROMS海洋模型包括多种计算途径：独立的大气模型、耦合的大气模型、独立的波模型和耦合的波模型。非线性模型（NLM）、切线性模型（TLM）、代表切线性模型（RPM）和伴随模型（ADM）组成了ROMS的动态内核卬。这四个模型不仅可以独立运行，也可以共同运行。上图中的传播算子程序（p

29、ropagator）在广义稳定性理论（GST）中得到广泛应用，用来研究海洋环流的灵敏度、稳定性和动力学，减少预测系统中的误差和不确定性，同时进行自适应采样。伴随敏感性程序(ADSEN)可以用来计算选定的函数模型对物理属性变化的响应网。它包括了强(S4DVAR,IS4DVAR)约束变分数据同化驱动器和弱(W4DVAR)约束变分数据同化驱动器。集合预报程序可利用奇异向量沿着状态空间最不稳定的方向来扰动或初始化条件。最后，完整性检验程序中包含几个驱动程序，可以用来测试NLM、TLM、ADM、RPM算法的正确性和准确性RI。区域海洋模型(ROMS)是一个拥有自由表面、地形跟踪、原始方程等特点的海洋模型

30、，在科学界得到广泛应用。ROMS使用了多种算法，包括非线性计算内核算法、切线性的算法、伴随内核的算法和海冰模块的算法。ROMS使用的物理和数值*法，包含沉积物、生物光学、生物地球化学和海冰模块，还包括了一些垂直混合方案、多层次的嵌套网格口叫2.1.1 ROMS海洋模型构造原理2.1.1.1 内膜控制方程。(从”)td(uHzu)fd(vHzu)ta(nHzu)_Hzdp口如。/三国vdu+-f"z"=_葭孩_"zg薮公(W一瓦司一d(HSxx)_d$px(21)dyds等+筌+空+誓一/修=十系一叫:氯丽一自引一。(也5y*)ds(2.2)0=一号Podspo(2

31、3)办'(2.4)(2.5)(2.6)如1。(比u)d(H.v)d(HsQ)十idtdxdyds。也C)+d(uH：C)+。(叽C)+a(nH;C)_茄_”喧)+cdtdxdydsdsHzdsJsourceP=f(C)其中上面各式中，u,V分别代表x,y方向的平均流速分量，。代表垂向流速。垂向。坐标s=(z-n)/(h+n),-i<s<o,其中z为原始垂向物理坐标，h为平均水深，n为相对平均海平面的水位。Hz为单元格高度，f为科氏力参数；p为压力；p和po分别为海水密度和参考密度：g为重力加速度：v为粘滞系数：C代表温度、盐度或悬浮泥沙含量；S项为山东科技大学硕士学位论文应

32、力项。2.1.1.2 外膜控制方程atd(Dv)dtd(UDu)+社+dyd(vDu)d(vDv)+Ox+dy-冲=_噂+1_加_普_等一6五=_唠+叼，_%_黑_警）+誓警(2.7)(2.8)(2.9)品=与=七？管+等争（2.10）=E，特+eGE）+空竽（2.11）dac八2kD、/、.、Cg=正=5（1+sinh（2A。）（2.12）电%出坨=2.1.2ROMSESPRESSO简介ROMSESPRESSOIxithyinetryendgrid5001000IS00200025003000图22ROMSEXPRESS。区域图FiglZROMSEXPRESSORegionalMapROMS

33、在美国东海岸主要有以下几个应用陶：NTAL北大西洋流域，NENA北大西洋流域东北，CBLAST海气交换耦合边界层，DELAWARE特拉华河河口，SW06-浅层海域2006,LATTE拉格朗II运输和转化试验，ESPRESSO大陆架预测和坡光学试验系统，HUDSON-Hudson河和纽约港口。因为EXPRESS。系统覆盖范围广，完全覆盖了我们的感兴趣区域，所以选择这个系统。此系统是一个36层的使用AVHRR(NOAA系列卫星探测仪)数据应用4DVAR数据同化方法来同化的每天更新的系统。边界条件直接使用HYCOMNVODA预测系统口40ESPRESSO是一个复杂河口的细化复合网格嵌套子类。它的网格

34、分为130*82,每个网格长7.5km,宽5.8km,具体区域如图2.2所示。图中颜色部分表示海洋深度，从0到3000米，颜色越红表示水的深度值越小，颜色越蓝表示水的深度值越大。2.2 FVCOM海洋模型简介2.2.1模型简介FVCOM(FiniteVolumeCoastalOceanModel)是美国马萨诸塞州立大学陈长胜教授所领导的研究小组于2000年成功建立的海洋环流与生态模型。FVCOM是无结构三角形网格架构、有限体积、自由表面、三维原始方程海洋数值模型邯。FVCOM模型在不规则三角网中对数值应用平衡方程进行二次离散，通过这种方法可以结合有限元模型和有限差分模型的优点以得到更为精确的结

35、果即】。FVCOM模型至今仍在不断升级中，本文应用的是GOM3版本，在美国东海岸分布如图2.3。FVCOMG0M337*N74W72#W70#W68PW66eW64eW62N图23FVC0M-G0M3模型在美国东海岸分布图45°NFig23FVC0M-G0M3ModelintlieEastCoastoftheUnitedStatesFVCOM组成部分包括：1.笛卡尔坐标或球形坐标选择系统：2.干湿拟合处理：3.可选的垂直湍流混合模型GOTM（GeneralOceanIXirbulentModel）；4.海水水质评价模型：5.数据拟合同化，包括4-Dnudging,卡尔曼滤波；6.海冰

36、处理模型：7.三维泥沙模型；8.生态计算模型卬】。2.2.2控制方程2.2.2.1笛卡尔坐标系下的控制方程笛卡尔坐标系下的原始控制方程组如下网:dudududu工idPd/du.(2.14)茄+薮+方+w至f=一后+分(/J+凡髀吟+哪+嚷+加=怖导武（搂）+r（2.15）叱=0dzdudv+-+dxdy(2.18)7=一Pg(2.16)(2.17)dSdtdS+U+Vdx+Fs(2.19)p=pg)(2.20)其中，x、y、z为笛卡尔坐标系中的东向，北向和垂直方向；u、V、w为X、V、z方向的速度分量；T为温度：S为盐度；p为密度；P为压力：f为科里奥利参数；g为重力加速度；Km为垂向湍粘性

37、系数；Kh为热力学垂向湍扩散系数；Fu、£、Ft、Fs分别为水平动量以及温度盐度的扩散项。海平面和海底温度边界条件方程如下叩：dTAhtanadTdz="-dnatz=(2.22)当康(2.21)其中水深为。="+(，H是海底深度，(是海平面高度，QKzy")代表海洋表面热通量，其包含四个部分，分别是向下短波，辐射长波，明显的和潜在的通量,Sa,yX")中当=。时表示海洋表层的短波通量,Cp是海水的比热容是水平方向的热量扩散系数,a是海底斜坡，71是图2.4中的水平坐标：图24海底斜坡原理图Fig24SubmanneSlopeSchematic

38、向下的短波通量SW(%y,z")=SW(x9y90,+(1-R)e町，其中a和b分别是短波辐射下较长波和较短波的衰减长度，R为长波辐照相关联的总统量半分比。dSS("£)海平面和海底盐度边界条件方程如下口工cosy,atz=(x,y/)(2.23)asAhtalladS口/苴二F-急,atz="(x,y)(2.24)其中户代表沉淀率，£代表蒸发率，Y=1/Vi+Iv<poU、V、W三个方向上海平面和海底边界条件方程如下44Km(.，1)=L(Tsx,%),w=J+啜+吟+子,atz='(%,y,t)(2.25)&n偿.)=

39、.(%，%)，卬=一啜一嘿+祟，砒z=-H(x,y)(2.26)其中(Gx，Gy)和(jbx"by)是海洋表层风和底层压力在4和y方向上的分量。2.2.2.1。坐标系下的控制方程FVCOM模型采用的是。坐标变换，。坐标变换的定义是4引：。=一=等(2.27)其中。的值从海底变为海面(T到0m)。在。坐标系中，其控制方程组可以写为例:各+器+器+袈=0(2.28)dtdxdydaduDdu2DduvDduo)=9M谭导(DPd6)+opg+言+(2.29)dvDduvDdv2Ddvo)HH+-FfuDdtdxdyda=-g琮燃玲Pd小崎+9总(%+DFy(2.30)dTDdTuDdTv

40、DdTo)1d/dT卜公门厂、方+寸+才+右=两体石)+DH+*(2.31)要+驾+等+嘤=罂(裂)+(2.32)dtdxdydaDdandaJOp=p(T,S)(2.33)在。坐标系下，水平方向上的扩散条件定义为：D耳124m啕+/箝(2.34)叫"扑mH偿+给+枭2/咽(2.35)D(FT，&Fq2,Fq2l')”&q?,q?)(2.36)其中，44n分别为热扩散系数和水平湍粘性系数；D=H+:f为科里奥利参数；3为。坐标下的垂向速度。在海平面时，。=0,条件如下口习：(2茂)=7(&"sy)，3=?(2.37)9(%。一SW(x,y,o

41、,t),g=*(2.38)在海底时，CT=-1.条件如下：偿，簿=(2.39)dTAhDadTdSA»DtailadS/一4人、=V2.40)daKh-Ah(taila)2dn9daATh(t<»a)2dn2.2.23球面坐标系下的控制方程在笛卡尔坐标系下，FVCOM只能用于一定区域内，无法在全球内应用，所以建立起了球面坐标系的FVCOM模型。在球面坐标系下，x,y表示为口叫x=rcos(p(A-Ao),y=r(p-(p0)(2.41)其中r是地球半径，九9分别代表经纬度，入。和外)是参考经纬度，垂直坐标z垂直于地球表面指向地球外，具体情况如图2.5图25海洋模型球而

42、坐标系统Fig25OceanModelSphencalCoordinateSystemdu1+atrcos(pdu2Dduvcos(pdAd(p球面坐标系下的三维控制方程如下：duo)uvDwvD+tan(pfvD=-烹7含-肃焉+"券+(2.42)dv1+dtrcos(pduvDdu2coscp。/1+丽+dvo)u2DwvD_+_tancp-/uD一器一览献心孙竭+厚技）+叫(2.43)K+_L_dtrcos(pdvcos(pDldo)门(2.44)dTD1it+hdTuDdTvcos(pDldTo)1ddT八公八-(2.45)dSDdSuDdtrcos(pId入dSvcospD

43、'd+等片卷（K卷）+DE(2.46)p=p(T,S,P)(2.47)其中，u,v是带状方向和子午线方向，是。坐标垂直方向上的速度，T和S分别代表温度和盐度，p是总体密度，其值等于扰动密度值和参考密度值的总和。P为压强，f为科里奥利参数，g是重力加速度，/和此分别是是垂直涡流粘度系数和温度垂直涡流扩散系数，4、6、Ft、片分别代表水平面上的势能，温度，盐度扩散数，角是短波辐射的垂直梯度。坐标垂直方向上的速度和实际垂直方向上的速度w之间的关系如下4刃.3=卬-(°翌+察1(严+*)(鸟+0(2.48)rcos(pd(pd(p/rd(pd(p/dtdt/球面坐标系下的扩散条件定义

44、为：隗七而第+2白历"(票+上左)(2.49)ur2(cos(p)2dXLdXlrd(pLmrd(prcos(pdA/J瓯“1区；”祟+)1+*2方“羽(2.50)rcosipdXLrd(prcos(pdr2d(pLdll2dArwdud4rr,dudv、/、DFp-77uzrAm/f-+2a4nH(H-)(2.51)1r2(cos(p)2dk7ndXr2d(pm、d(prcos(pdXJck八1041。八.2d-rrdvDre-rrH(71-)HT"-AtnH(2.52)°r2cos(pdXm、d(pcos902，r2d(pnd(p2.3HYCOM海洋模型简介1

45、.1 .1HYCOM的垂向混合坐标HYCOM（HybridCoordinateOceanicCirculationModel,混合坐标大洋环流模型）是由美国迈阿密大学等密度面坐标海洋模型（MICOM）发展来的，此模式在保留了原始MICOM模型的优点同时，还采用了灵活的垂向混合坐标（等密度坐标、z坐标和sigma坐标等3种坐标的混合）5。许多海洋模式仅使用等密度坐标、Z坐标和sigma坐标中的一种坐标，然而这3种坐标都有非常明显的优缺点如。而HYCOM（混合坐标大洋环流模式）采用混合使用这3种垂向坐标的方法，在不同情况下只用不同的垂向坐标，解决了这一问题。在层结构比较稳定而且开阔的区域使用等密度

46、坐标；在地形变化强烈的海域和水深较浅的海域，等密度坐标与sigma坐标平滑地连接：在层结比较弱的上混合层，将垂向等密度坐标平滑方式过渡到z坐标；而更浅的海域，将sigma坐标过渡到z坐标hl。2.32 控制方程在（x,y,s）（s表示尚未给定的垂向坐标）坐标系下，模型方程为：dVV2/dpxdV比+%2+（+/）KxV+（啜）而+M-p匕a=-g偿）*x（啜VsV）（2.53）偿）+%（嗯）+1GM）=。（254）总9）+%（唱0+鼠小。）=%（嗖咚。）+也（2,55）其中，"=（u,V）是水平流速矢量，P为压强，。是热动力学变量，Q=p赢是位势比容，（是相对涡度，M是蒙哥马利位势，

47、g是重力位势，f为科氏参数，K是垂向单位矢量，7是风或底摩擦引起的剪切应力矢量，为为源项。3海洋模型温度与观测温度对比目前，人类了解海洋和研窕海洋的愿望越来越大，越来越多的新技术应用到获取海洋数据中。其中将海洋生物作为监测海洋的载体也得到了很大的发展，这项技术虽然在控制测量范围和传感器校准方面存在一定的问题，但是在测量大量数据的花费问题上确实有着很大的优势。由于传感器测量的实测数据要优于模型的模拟数据，所以传感器测量的实测数据可以用于优化海洋模型。比如“MEOP”就是用动物承载监测传感器来监测海洋采集数据，目前己经应用到全球遥感系统，并提供可应用的海洋模型。一些调查研究已经表明，在特殊地区，由

48、海洋动物承载的传感器测量所采集的海洋数据和船测数据质量非常接近。海洋动物往往是在它们关注的区域进行“口适应采样”，这些区域正是海洋学家感兴趣的区域。Nordstrom比较了海豹和船从白令海峡检测获得的温度数据，差值非常小（小于0.6C,这些差值由于测量地点和时间的略微差异造成的），但是海豹测量的海洋数据的数量级要远远大于船测数据的数量级。本章主要介绍由海龟承载的探测器监测获得的海洋温度数据，首先用PYTHON脚本语言编程将这些海洋温度数据进行了可视化模拟，然后再与基于ROMS,FVCOM和HYCOM的三种海洋模型进行模拟的结果进行比较，分别分析这三种海洋模型在温度模拟方面的优缺点，找出3种模型

49、大误差集中分布的区域，之后分析可能出现的原因。3.1 数据来源与处理本文所使用的SDRL传感器是由苏格兰圣安驻斯大学海洋哺乳动物研究组提供的。传感器在设计中，为了保证能长时间使用来收集更多的数据，传感器只记录了海龟在上浮过程的数据，4秒钟记录一次数据，每24小时将数据打包后发射给卫星。在卫星获得数据后，将数据进行特殊处理，将每次海龟上浮过程简化为10个数据，也就是每一次上浮都由10个数据来记录。这10个数据主要包括深度，温度，坐标和时间等数据。SDRL传感器的深度精度是1%,坐标精度在进行GPS误差修正后可以达到3公里以内，时间精度达到秒级。图31SDRL传感器和海龟Fig31SDRLSens

50、orsandTurtles本文所使用的数据来自2009年8月到2013年12月期间共在114只海龟上绑定了传感器返回实际监测数据，海龟活动区域主要包括中大西洋的中部，记录了25000个上浮过程。选择海龟作为承载器主要有2大原因：1）海龟有坚硬的外壳，承载器可以长时间（三个月以上）附着在海龟背上：2）海龟生活范围比较固定。这样就可以获得至少三个月所需要区域的海洋数据。图3.1即SDRL传感器和附着在海龟背上的示意图。获得了原始数据后，为了去除不符合要求的数据，对原始数据进行修正，修正主要包括2部分：1）SDRL传感器抉得的数据中含有V_MASK参数，可以运用这个参数，将海龟的上浮过程压缩为10个

51、数据。其原理是运用原始监测数据计算出这只海龟在一个上浮过程中的平均速度，根据海龟在地表可能的最大速度，利用位置滤波算法来确定是否合理（一般是2n1/s）；2）GPS修正：使用原始数据中的GPS位置对观测值数据进行修正。原理是如果观测值数据3T米内及3小时内没有GPS数据的点，那么就把观测值数据删除。经过改正后，大约20%）的数据被剔除，剩下12608个数据可以使用（原25000多个上浮数据中，约10000个数据缺少位置，所以不能应用，不符合本实验要求，被剔除）。图3.2和3.3展示了处理前和处理后的观测数据点的位置。图3.2展示的是原始的观测数据分布的位置点，主要集中在美国东北海岸，还有很少一

52、部分观测值距离较远，这就是要剔除的数据点；图3.3则是经过修正后的数据点的位置，其中等高线是利用ROMS模型模拟的海洋深度，可以看出海龟主要活动区域集中在0到100米的浅海区域。图32原始数据点位置图Fig32RawCTDPositionPositionsofturtledivesafterqualitycontrolchecks75eW740W73*W72eW71°W70°W图3.3修正后数据点位置图3.2 实际监测数据分析3.2.1 观测数据分布情况图3.4是实际观测数据在每一年内分布情况，在2009和2010两年里，主要的上浮记录主要出现在8月到12月，而在20n到2

53、013三年内，上浮记录主要出现在5月到8月份之间。这些差异是由装有SDRL传感器的海龟放到海洋中的时间不同造成的。图34观测数据时间分布Fig3,4DivesPerMonth图3.5是观测值中最深深度与海洋模型深度的关系图，可以看出海龟下潜的最深深度与模型模拟的海洋最深深度的对比，可以查看海龟在下潜过程中是否下潜的最深深度。之所以绘制图3.5,因为海洋中的海底温度会影响海底沉积物的分布及海洋生物的生活范围，并且受到口晒、风雨的影响非常小，相比于上层区的温度，海底温度变化较稳定，利于长期观察海洋的变化。从图3.5中可以看出大部分海龟下潜时到达了海底最深处，这表明大部分海龟观测的最大深度就是海底深

54、度。也有一部分海龟下潜只有最深深度的十分之一，但数据较少。还有一部分下潜的深度比模型模拟的海底深度要大，原因主要有2个，1是传感器出现误差，2是模型模拟的海底深度有误。虽然出现这样的误差，但还可以通过观测数据大体观测海底温度情况。所以接下来计算海底温度时，都使用观测数据的最深点来模拟海洋底部的情况。5001000150020002500300035004000Quantity£dap,c95pow、£da>a图35最深深度比值图Fig35DiveDepthRelativetoModelDepth在开始确切的分析海洋温度之前，我们首先观测一下观测数据在垂直结构上在飓风前

55、后的差别，这里定义的阳风是时间大于1天，风速大于17111/s由NOAA放置在大西洋中的44009号固定浮标记录的，44009号浮标位于研究区域的中部。图3.6和3.7是随机抽取的在2个咫风前后观测数据的温度变化。如下图，虚线是台风前海龟监测的海洋温度，实线是台风过后海龟监测的海洋温度，id是海龟的编号。可以看出在台风前后，观测的温度数据变化非常大，在海洋上层区，飓风后温度降低。在中层区，飓风后温度升高，这是因为上层区的温度被传递到中层区。但在深层区，接近海洋底部时，温度在网风前后几乎没有太大的变化。也印证了上面说的海底温度受剧烈天气变化影响较小，利于长期观测海洋情况。beforeandaft

56、er2011storm23(E)£d。10152025Tempature(degC)图3.62011年咫风前后海洋温度变化Fig36TemperatureBeforeandAfter2011StonnTemperaturebeforeandafter2013storm402013-05-2420:00:0012013-05-2600:00:0010152025Tempature(degC)图372013年咫风前后海洋温度变化3.22海龟采集数据时活动情况10Averagetimes：28.72standarddeviation：23.94423040506070Averagetimes/h图3.8海龟下潜的时间分布Fig38TurtleDivesTimeDistnbution16Averagedistanced.89standarddeviation：4.27141286225101520Averagedistance/km30图39海龟卜.潜的距离分布图310海龟采集全部数据的时间分布Fi