渤海污染物伴隨同化模型的建立及其應(yīng)用研究.pdf

1、渤海是我國(guó)內(nèi)陸海灣，由于我國(guó)黃河、海河、遼河等北方三大流域的徑流匯入渤海，因此陸源污染物排海量很大；又由于渤海三面環(huán)陸，僅有東南部的渤海海峽與黃海北部相通，水交換能力非常低，所以渤海海域水質(zhì)一旦遭到污染，將很難得到改善。隨著沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水以及養(yǎng)殖業(yè)廢水進(jìn)入渤海，使滯留在渤海生態(tài)系統(tǒng)中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷積累，造成渤海水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。赤潮頻發(fā)、海水中含氧量急劇減少、生物多樣性減少、漁業(yè)減產(chǎn)等問(wèn)題嚴(yán)重

2、威脅著沿岸經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，準(zhǔn)確模擬渤海海域污染物（如 COD、氮磷化合物、石油烴類(lèi)等）的時(shí)空變化，對(duì)有效控制該海域的排污總量、保護(hù)和恢復(fù)渤海環(huán)境、協(xié)調(diào)和促進(jìn)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展、合理開(kāi)發(fā)利用海洋資源、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
　　污染物濃度是衡量海水污染程度的一個(gè)重要指標(biāo)。在海灣和沿岸海域，潮流在污染物的輸運(yùn)過(guò)程中起著非常重要的作用，因此人們通常采用構(gòu)造對(duì)流擴(kuò)散模型的方法對(duì)污染物分布情況進(jìn)行研究。雖然很多學(xué)者已利用多種模

3、型對(duì)污染物進(jìn)行研究，但在觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的有機(jī)結(jié)合方面做的仍然不夠，滿(mǎn)足不了人們認(rèn)識(shí)和刻畫(huà)污染物變化情況的需求。而伴隨同化方法可以充分地利用已有的觀測(cè)數(shù)據(jù)，使模型的模擬結(jié)果盡可能接近實(shí)際觀測(cè)。
　　本文用改進(jìn)的Cressman插值方法，對(duì)2009年5月渤海總氮觀測(cè)值進(jìn)行處理，得到5月份總氮的全場(chǎng)分布。評(píng)估結(jié)果表明，與用Cressman插值法相比，用改進(jìn)后的插值方法能明顯降低插值誤差。將這種方法處理2009年8月、10月以及201

4、0年5月、8月的觀測(cè)資料，得到渤海其它月份的總氮分布。
　　在水動(dòng)力模型基礎(chǔ)之上，考慮污染物的輸移擴(kuò)散過(guò)程，建立污染物輸運(yùn)模塊。使用伴隨同化方法分別選擇萊州灣、渤海灣和遼東灣作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，基于獨(dú)立點(diǎn)的空間分布，反演給定空間分布的初始場(chǎng)，同化100步后，約化后的代價(jià)函數(shù)與觀測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)平均誤差均呈現(xiàn)出明顯的下降，而且無(wú)論是呈中間高、四周低還是中間低、四周高的污染物空間分布特征都能較好的被反演出來(lái)。
　　本文利用伴隨同化技術(shù)反演污

5、染物初始場(chǎng)，通過(guò)理想實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型反演污染物初始場(chǎng)的能力，把這種方法運(yùn)用到實(shí)際實(shí)驗(yàn)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月的月平均總氮分布，除了2010年5月份觀測(cè)與模擬的相對(duì)平均誤差只下降了37.2％外，其它月份均有60%~80%的下降，其中在2010年8月份的實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)平均誤差下降百分比高達(dá)78.5%。模擬值與觀測(cè)值的絕對(duì)平均誤差下降幅度在32%與49.2%之間，準(zhǔn)確模擬了渤海污染物的初始場(chǎng)