数据同化在海洋生态模型中的应用和研究进展

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1、第22卷第10期地球科学进展Vol.22No.102007年10月ADVANCESINEARTHSCIENCEOct.，2007文章编号：1001-8166（2007）10-0989-08数据同化在海洋生态模型中的应用和研究进展*123王辉，刘桂梅，万莉颖（1.中国气象科学研究院，北京100081；2.中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点实验室，山东青岛266071；3.国家海洋环境预报中心，北京100081）摘要：将数据同化方法引入海洋生态系统动力学模型研究，利用现有的观测数据，获得最佳的模式参数、初始场或提高状态模拟，是当前多学科交叉研究的热门领域。本文依据国内外研究进

2、展，主要就海洋生态模型研究中所采用的变分伴随、卡尔曼滤波、模拟退火法方法进行了介绍，总结了数据同化在我国的海洋生态系统研究中的现状和发展趋势。关键词：数据同化；海洋生态模型中图分类号：P73文献标识码：A定了一个新的全球海洋系统的科学计划IMBER（In-1引言tegratedMarineBiogeochemistryandEcosystemRe-人们在认识海洋、开发海洋的过程中，发现海洋search，原称OCEANS），目前该计划正在启动之中。生态系统存在很大波动，更重要的是一些近海生态IMBER主要侧重研究与地球系统和全球变化紧密系统发生了令人担忧的变化：基础生产力下降，生物

3、联系的海洋生物地球化学循环和海洋食物网的相互多样性减少，近海富营养化程度加剧赤潮发生频繁，作用，寻求气候和人文驱动的海洋生物地球化学过直接影响了海洋产业的可持续发展，经济损失巨大。程对海洋生态系统（结构、功能、多样性、稳定性和产生这些问题的因素较多，如自然因素、人类活动以生产力）影响的全面了解。IMBER与前期启动的及生态系统自身的内在波动等，但最重要的原因是GLOBEC成为IGBPⅡ的2个主要的海洋科学计划我们对近海生态系统缺乏深入和全面的认识，对它（称姊妹计划），也是2个以食物网为对象发展海洋的功能和受控机制了解甚少。由此，了解海洋生态生态系统整合研究的计划，其中IMBER侧

4、重于在原系统，研究其动态变化及原因已成为开发海洋、保护子与分子层次上认识化学物质在海洋中的迁移与循海洋的科学基础。1995年“全球海洋生态系统动力环对食物网的结构与功能的作用，而GLOBEC侧重学研究计划（GLOBEC）”被纳入国际地圈生物圈计食物网较高营养层次的研究，两者一道构成IGBP划（IGBP）的核心计划，海洋生态系统动力学研究成针对“全球可持续性”需求，即“碳、水和食物”，在海为当今海洋科学跨学科研究的国际前沿领域，“发洋方面的核心框架与研究主体，将为可持续海洋生展物理—化学—生物过程耦合模式，建立典型海域态系统提供更为充实的科学依据。生态系统动力学模型，检验海洋生态系

5、统胁迫反应海洋学家们在进行生态模型研究中发现，生态能力，预测生态系统动态变化”是GLOBEC的重要模型不同于大气和海洋模型，后者可以依据流体动［1～3］研究内容之一。2003年，IGBP和SCOR联合制力学的Navier-Stokes方程对物理过程进行基本描*收稿日期：2007-09-03；修回日期：2007-09-18.*基金项目：国家自然科学基金项目“南海初级生产对季风变动影响的数值模拟研究”（编号：40531006）；“黄海中华哲水蚤种群动力学模型研究”（编号：40676019）；“黄东海浮游动物优势种群动态变化机制”（编号：40631008）；中国科学院知识创新工程重要方

6、向项目（编号：KSCX2-SW-132）资助.作者简介：王辉（1962-），男，安徽濉溪人，研究员，主要从事海洋动力学和海洋生态系统动力学过程研究和模型研究.E-mail：wanghui＠cams.cma.gov.cn990地球科学进展第22卷述，海洋生态系统模型没用类似的方程来刻画它们分伴随法（VariationalAdjointMethods）、卡尔曼滤波［4～22］的基本特征，也有大量的未知信息无法获取，例如生法（KalmanFilterMethods）等。数据同化方法物的死亡率等。人们只能采用启发式的方法进行初对复杂程度不同的生态模型所起到的作用不同，同步研究，以浮游植物

7、、浮游动物以及营养盐的NPZ时针对某种类型生态模型，采用何种数据同化方法模型为例，这种模型把所有类型的浮游植物归结为使其达到最优化结果也很重要。在各种数据同化方一个变量（P）、所有类型的浮游动物归结为一个变法中，存在两类基本的数据同化途径：一类是建立在量（Z）来处理，只考虑主要限制营养盐，体现三者之控制论（ControlTheory）基础上的全局拟合（Global间的相互作用，也有的研究者将浮游植物或浮游动Fitting），如三维和四维的变分伴随为代表方法；另物分为小型、中型、大