渤海污染物伴随同化模型的建立及其应用研究

摘要

渤海是我国内陆海湾，由于我国黄河、海河、辽河等北方三大流域的径流汇入渤海，因此陆源污染物排海量很大；又由于渤海三面环陆，仅有东南部的渤海海峡与黄海北部相通，水交换能力非常低，所以渤海海域水质一旦遭到污染，将很难得到改善。随着沿海经济的快速发展，大量工农业废水、生活污水以及养殖业废水进入渤海，使滞留在渤海生态系统中的氮磷等营养物质不断积累，造成渤海水体富营养化现象日趋严重。赤潮频发、海水中含氧量急剧减少、生物多样性减少、渔业减产等问题严重威胁着沿岸经济的可持续发展。因此，准确模拟渤海海域污染物（如 COD、氮磷化合物、石油烃类等）的时空变化，对有效控制该海域的排污总量、保护和恢复渤海环境、协调和促进沿海经济发展、合理开发利用海洋资源、实现经济的可持续发展具有重要意义。
　　污染物浓度是衡量海水污染程度的一个重要指标。在海湾和沿岸海域，潮流在污染物的输运过程中起着非常重要的作用，因此人们通常采用构造对流扩散模型的方法对污染物分布情况进行研究。虽然很多学者已利用多种模型对污染物进行研究，但在观测数据和数值模拟的有机结合方面做的仍然不够，满足不了人们认识和刻画污染物变化情况的需求。而伴随同化方法可以充分地利用已有的观测数据，使模型的模拟结果尽可能接近实际观测。
　　本文用改进的Cressman插值方法，对2009年5月渤海总氮观测值进行处理，得到5月份总氮的全场分布。评估结果表明，与用Cressman插值法相比，用改进后的插值方法能明显降低插值误差。将这种方法处理2009年8月、10月以及2010年5月、8月的观测资料，得到渤海其它月份的总氮分布。
　　在水动力模型基础之上，考虑污染物的输移扩散过程，建立污染物输运模块。使用伴随同化方法分别选择莱州湾、渤海湾和辽东湾作为实验区域，基于独立点的空间分布，反演给定空间分布的初始场，同化100步后，约化后的代价函数与观测点的绝对平均误差均呈现出明显的下降，而且无论是呈中间高、四周低还是中间低、四周高的污染物空间分布特征都能较好的被反演出来。
　　本文利用伴随同化技术反演污染物初始场，通过理想实验验证了模型反演污染物初始场的能力，把这种方法运用到实际实验中，各同化1000步后得到了2009年5月、8月、10月以及2010年5月、8月的月平均总氮分布，除了2010年5月份观测与模拟的相对平均误差只下降了37.2％外，其它月份均有60%~80%的下降，其中在2010年8月份的实验中，相对平均误差下降百分比高达78.5%。模拟值与观测值的绝对平均误差下降幅度在32%与49.2%之间，准确模拟了渤海污染物的初始场分布，对海洋环境质量的监测与评价，具有重要的现实意义。

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1 引言

1.1 渤海污染现状

1.2 渤海污染物的研究现状

1.3 本文内容安排

2 渤海表层总氮分布的插值研究

2.1 插值方法的概述

2.2 渤海表层总氮的插值研究

2.3 本章小结

3 渤海污染物伴随同化模型的建立及其孪生实验研究

3.1 伴随同化方法介绍

3.2 模型与数据

3.3 渤海污染物伴随同化模型的孪生数值实验研究

3.4 本章小结

4 渤海污染物伴随同化模型的实际应用

4.1 实际实验

4.2 本章小结

5 论文结论与研究展望

5.1 论文结论

5.2 研究展望

参考文献

附录

致谢

个人简历

研究生期间发表的学术论文