伴随法在潮汐和海温数值计算中的应用研究

IOCAS-IR > 海洋环流与波动重点实验室

	伴随法在潮汐和海温数值计算中的应用研究
	韩桂军
学位类型	博士
	2001
学位授予单位	中国科学院海洋研究所
学位授予地点	中国科学院海洋研究所
学位专业	物理海洋学
关键词	数据同化伴随模型潮汐海表面温度数值计算
摘要	变分数据同化中的伴随法可实现数值模型与观测数据的拟合。随着物理海洋数值计算和数值预报业务的不断发展，其具有广阔的应用前景。本文主要研究关于伴随数据同化的有关理论及其在物理海洋数值模型中的应用。本文介绍了变分伴随数据同化的基本原理，从模型方程的连续和离散形式出发讨论采用两种不同的方法推导伴随方程，一是拉格朗日乘子（Lagrange multiplier）法；二是基于泛函的Gateaux微分概念的方法，这里简称Gateaux微分法。文中讨论了导出离散伴随模型方程和目标函数梯度的两种不同途径，其中一种途径是由连续的正模型得到连续的伴随模型及连续的目标函数梯度表达式，然后再对伴随模型和目标函数梯度进行差分离散（简称“伴随的差分”）；另外一种途径是由离散的正模型直接导出离散的伴随模型及梯度表达式（简称“差分的伴随”）。目前尽管人们比较一致的看法是应该采用后一种途径，即建立伴随模型系统应该采用“差分的伴随”，但对由这两种途径建立的伴随系统的相互关系，人们探讨的并不多。本文利用了简单的模型对该问题进行了研究。另外，对有关初始猜测和伴随优化系统的多解性问题进行了探讨。本文着重研究并实现了利用伴随法优化非线性潮汐模型的开边界条件。其中采用的二维非线性浅水模型既考虑非线性底磨擦和侧向粘性涡动混合，又包括非线性平流项；离散伴随模型的建立是基于ADI格式（不受CFL条件限制），改善了变分伴随数据同化过程中计算量和计算存储问题，使之减小若干倍（约5～7倍），从而使得模式适于业务化的需求，具有实用价值；同化过程中使用的观测数据既包括常规验潮站水位观测资料，又包括TOPEX/POSEIDON卫星测高数据。实测数据同化数值试验表明，开边界条件的最优控制对数值计算结果有一定程度的改进。本文还探讨了将伴随法应用于海表面温度（SST）的数值预报中。其中采用的SST数值预报模型是基于国家“七五”期间科技攻关项目《中国近海海表面温度短期数值预报模式》。文中利用船舶报SST观测数据进行伴随数据同化试验，以优化初始场，其结果是比较满意的，表明变分数据同化对改进SST数值预报的效果是比较明显的，将伴随法引入中国海域SST数值预报业务化中是可行的。本文最后讨论了伴随数据同化中尚待深入研究的问题，着重指出了在物理海洋学领域开展二阶伴随模式应用研究的内容和必要性。
其他摘要	Recent development in the field of variational data assimilation has demonstrated that the adjoint approach is one of potential methods for fitting numerical model to observations. In this thesis the theoretical aspects and applications of adjoint method to the oceanographic models are studied. Two methods are applied in deriving the adjoint equations. One is the Lagrange multiplier method and another method is based upon the Gateaux differential of functional (called Gateaux differential method for short). Two ways to formulate the discretized adjoint equations and gradients of cost functional are discussed. In the first ("finite difference of adjoint"), one derives the continuous adjoint equations from the linearized continuous forward model equations and then formulates the continuous adjoint equations and gradient of cost functional. In the second ("adjoint of finite difference"), one derives the finite-difference adjoint equations and gradient directly from the finite difference of the forward model. The latter has been widely accepted as a valid way to obtain the discretized adjoint equations and gradients of cost functional. Furthermore the relation of the two adjoint systems is investigated by using a simple model in the thesis. Moreover the problems concerning the first guess and multiplicity for the optimal adjoint system are examined in the thesis. The variational adjoint method is applied to the assimilation of the observed data into the two dimensional non-linear tidal model, in which horizontal kinematic nonlinearities, nonlinear bottom friction and horizontal eddy diffusion are included. The adjoint model is developed from the discretized tidal model formulated on Arakawa C-grid with an ADI finite difference scheme which can speed up the calculation and decrease the need of disk space. The open boundary conditions are optimized by incorporating the data form tide stations with/without TOPEX/POSEIDON altimeter data with the tidal model. It is shown that improved numerical results are obtained after the open boundary conditions are optimized. The variational adjoint method is also used for assimilating the observed data into the sea surface temperature (SST) numerical models. The frame of SST model adopted here is based on Wang and Su (1992). The initial field of SST is estimated by assimilating the SST ship report data into the model. It shows that the adjoint calculations have successfully improved the accuracy of SST hindcasting. It is emphasized at the end of the thesis that future studies in relation with the application of second adjoint model should be carried out in order to solve the problems arised from the assimilation procedure of the adjoint systems (herein called first order adjoint).
页数	110
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/1025
专题	海洋环流与波动重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	韩桂军. 伴随法在潮汐和海温数值计算中的应用研究[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院海洋研究所,2001.

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LW005509.pdf（2003KB）			限制开放	--	浏览