一种多个海洋学模型参数的同时率定方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种多个海洋学模型参数的同时率定方法
本专利技术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。
技术介绍
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，也是本专利技术主要解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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，本专利技术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：所述二维正压海洋伴随同化模型包含正向模块、反向模块和梯度模块。可选地，所述正向模块的控制方程为：其中，t代表时间，λ和φ分别是经度和纬度，z为深度，自静止海表面向上为正，u和v分别表示λ和φ方向上深度平均流速分量，p为大气压强，ρ为水体密度，a＝Rcosφ，R是地球半径，g是重力加速度，Ω为地球自转角速度，f＝2Ωsinφ是Coriolis参数，Ah是水平涡动粘性系数，ρa为空气密度，Cs为风应力拖曳系数，W为海面10米高度的风速，h为静水深，ζ为海表面起伏，为引潮势，Cd为底摩擦系数，Δ是拉普拉斯算子。可选地，反向模块的控制方程是针对于同化流速数据而推导出来的，具体为：其中，t代表时间，λ和φ分别是经度和纬度，z为深度，自静止海表面向上为正，u和v分别表示λ和φ方向上深度平均流速分量，p为大气压强，ρ为水体密度，a＝Rcosφ，R是地球半径，g是重力加速度，Ω为地球自转角速度，f＝2Ωsinφ是Coriolis参数，Ah是水平涡动粘性系数，ρa为空气密度，Cs为风应力拖曳系数，W为海面10米高度的风速，h为静水深，ζ为海表面起伏，为引潮势，Cd为底摩擦系数，Ku和Kv是权重矩阵，理论上是观测误差矩阵的逆矩阵，u和为深度平均流速u和v的观测值，ζa、ua和va分别是ζ、u和v的伴随变量，Δ是拉普拉斯算子。可选地，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；包括：给定的风应力拖曳系数的经验公式为：其中，Cs为风应力拖曳系数，W为10米高度风速，C0为风速小于11米时的常数分布的风应力拖曳经验系数，k、b、A、B、C为经验系数。可选地，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；包括：给定的底摩擦系数的经验公式为：其中，Cd为底摩擦系数，g为重力加速度，Cchezy为Chezy系数，n为曼宁经验系数，α为经验系数。可选地，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；包括：以所述梯度模块为基础，经验公式中经验系数调整策略如下：其中，pc代表任一经验系数，pcold为优化调整前的pc值，pcnew为优化调整后的pc值，ss为调整步长，为代价函数关于经验系数的梯度。可选地，所述代价函数关于经验系数的梯度是根据所述梯度模块和分步求导公式求得的。可选地，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，包括：风应力拖曳系数和底摩擦系数的同时率定是指，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同时率定，从而实现对具有一定物理意义的风应力拖曳系数和底摩擦系数的同时率定。与现有技术相比，本专利技术的优点是：本专利技术利用伴随同化方法同化地波雷达观测数据，将参数率定问题转化为数值迭代过程，能够自适应地同时率定多个海洋学模型参数；此外，通过引入风应力拖曳系数和底摩擦系数的经验公式，对公式中的经验系数进行率定，而不是直接对风应力拖曳系数和底摩擦系数进行率定，避免了传统伴随同化方法率定参数时不考虑物理意义的弊端。基于地波雷达观测数据的多个海洋学模型参数的同时率定，为进一步提高海洋数值预报精度奠定了坚实的基础。附图说明构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术一种实施方式的流程图；图2是本专利技术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的流程示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。如图1所示，一种多个海洋学模型参数的同时率定方法，包括以下步骤：S100：构建地波雷达观测系统，获取表层流场观测数据；具体地，地波雷达是一种新兴的海洋监测技术，具有超视距、大范围、全天候以及低成本等优点，能够从雷达回波中提取风场、浪场、流场等海况信息；本步骤中，可以构造多站地波雷达组网的观测系统，从而提高表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多个海洋学模型参数的同时率定方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种多个海洋学模型参数的同时率定方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的同时率定方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的的同时率定方法，其特征在于，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：所述二维正压海洋伴随同化模型包含正向模块、反向模块和梯度模块。4.根据权利要求3所述的同时率定方法，其特征在于，所述正向模块的控制方程为：其中，t代表时间，λ和φ分别是经度和纬度，z为深度，自静止海表面向上为正，u和v分别表示λ和φ方向上深度平均流速分量，p为大气压强，ρ为水体密度，a＝Rcosφ，R是地球半径，g是重力加速度，Ω为地球自转角速度，f＝2Ωsinφ是Coriolis参数，Ah是水平涡动粘性系数，ρa为空气密度，Cs为风应力拖曳系数，W为海面10米高度的风速，h为静水深，ζ为海表面起伏，为引潮势，Cd为底摩擦系数，Δ是拉普拉斯算子。5.根据权利要求3所述的同时率定方法，其特征在于，反向模块的控制方程是针对于同化流速数据而推导出来的，具体为：其中，t代表时间，λ和φ分别是经度和纬度，z为深度，自静止海表面向上为正，u和v分别表示λ和φ方向上深度平均流速分量，p为大气压强，ρ为水体密度，a＝Rcosφ，R是地球半径，g是重力加速度，Ω为地球自转角速度，f＝2Ωsinφ是Corio...

【专利技术属性】
技术研发人员：王道胜，牟林，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42