海冰物理參數(shù)的辨識及熱力學過程的數(shù)值模擬.pdf

1、海冰對于全球的海洋環(huán)流、大氣環(huán)流和氣候演變具有特別重要的作用，而熱力學過程直接反映了海冰的生長和消融，因此本論文以海冰的物理參數(shù)及其熱力學過程為研究背景，以中國第二十二次南極科學考察所獲取的海冰現(xiàn)場調查數(shù)據(jù)為基礎，以分布參數(shù)系統(tǒng)的控制理論和偏微分方程的數(shù)值計算方法為工具，對海冰物理參數(shù)的辨識及其熱力學過程的數(shù)值模擬進行了深入的探討和研究.所取得的主要結果概括如下： 1.針對雪層、海冰層和海水層實際的熱力學過程，分別建立了一維和三

2、維耦合熱力學系統(tǒng)，得到了這兩個非光滑系統(tǒng)的性質，運用拋物型方程的L2理論證明了系統(tǒng)弱解的存在唯一性；并以雪、海冰、海水的密度、比熱、導熱系數(shù)、熱交換系數(shù)為辨識參數(shù)，以溫度偏差為性能指標，構造了一個使得性能指標最小的參數(shù)辨識模型，證明了辨識參數(shù)的存在性，并導出了一階必要性條件.從而將非光滑分布參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)辨識的數(shù)學理論應用到了有關海冰的實際問題中，為海冰熱力學系統(tǒng)參數(shù)辨識問題的數(shù)值計算提供了數(shù)學理論依據(jù). 2.目前確定海冰鹽度的方

3、法主要是根據(jù)鹽度數(shù)據(jù)進行估計，由于鹽度數(shù)據(jù)的測量是采用人工測量的方法，獲得的數(shù)據(jù)非常有限，所以很難得到其細微的變化過程.本論文針對該方法的局限性，提出了一種采用自動測量的海冰溫度數(shù)據(jù)和僅有的鹽度數(shù)據(jù)去估計海冰鹽度的參數(shù)辨識方法.這里采用了極夜時期的熱力學模型和Eicken鹽度的模式.證明了這個非線性模型解的存在唯一性，并以描述海冰鹽度的參數(shù)為辨識參數(shù)，以海冰的溫度偏差、鹽度偏差之和為性能指標，構造了一個新的使得性能指標最小的參數(shù)辨識模型

4、，證明了辨識參數(shù)的存在性，提出了一種基于遺傳算法和Hooke-Jeeves算法的混合加速遺傳算法，利用中國第二十二次南極科學考察隊所測量的2006年6月21日至7月5日南極中山站內拉峽灣的海冰數(shù)據(jù)計算得到了海冰的鹽度參數(shù)，并運用已得到的鹽度參數(shù)對2006年5月27日至6月20日的海冰溫度進行了數(shù)值模擬，其結果同Eicken的鹽度函數(shù)所計算的結果進行了比較.從計算結果看出，辨識參數(shù)計算的結果優(yōu)于Eicken參數(shù)的結果，表明本論文所提出的方

5、法是有效可行的，由該方法所獲得的南極中山站內拉峽灣海冰鹽度函數(shù)是具有應用價值的，并且這種方法在某種條件下可作為海冰現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的一種豐富和補充. 3.海冰熱力學數(shù)值模式要向精細方向發(fā)展，而提高海冰數(shù)值預報精度的關鍵不僅在于模式結構本身，而且在于模式所涉及參數(shù)的選定，所以建立和完善具有觀測依據(jù)的熱力學模式參數(shù)化方案至關重要.本論文采用了非極夜時期的熱力學模型和本論文已經獲得的海冰鹽度函數(shù)，對該模型中描述熱源項的三個關鍵參數(shù)進行了參

6、數(shù)辨識.首先利用區(qū)域分解法和Galerkin方法證明了該系統(tǒng)弱解的存在唯一性，并以這些關鍵參數(shù)為辨識參數(shù)，以溫度偏差為性能指標，構造了使性能指標最小的參數(shù)辨識模型，證明了該辨識參數(shù)的存在性，并采用本論文先前提出的混合加速遺傳算法，利用中國第二十二次南極科學考察隊所測量的2006年8月1日至8月31日南極中山站內拉峽灣的海冰溫度數(shù)據(jù)求出了辨識參數(shù)，并運用已得到的辨識參數(shù)對2006年9月1日至9月30日的海冰溫度進行了數(shù)值模擬，其計算結果同