多種海洋模型在緬因?yàn)澈５姿疁啬M中的應(yīng)用研究

高明超 徐泮林 劉瑞昌 羅婷婷

（1、山東科技大學(xué)測(cè)繪與空間信息學(xué)院，山東 青島266000 2、濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南250000 3、山東無(wú)形信息技術(shù)有限公司，山東 泰安271000）

隨著科技與經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們逐漸將目光投向了神秘的海洋，海洋事業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成為了當(dāng)今世界發(fā)展的大趨勢(shì)。面對(duì)著寬廣的海洋，人們通過(guò)普通的觀測(cè)手段只能在限定的區(qū)域內(nèi)獲取到稀少的數(shù)據(jù)，很難對(duì)整個(gè)海洋有全面的了解?；谶@種情況下，相關(guān)專家學(xué)者針對(duì)洋流、海底溫度與鹽度等方面繪制出了多種海洋模型，以此來(lái)幫助人們更好地了解和認(rèn)識(shí)海洋的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。海洋模型的產(chǎn)出已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于研究和生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)估以及各種工業(yè)部門，如漁業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、航運(yùn)和海上能源等。在過(guò)去幾十年中，海洋模型性能的改善部分歸功于同化和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的使用增加。通過(guò)EMOLT 項(xiàng)目取得海洋底部水溫?cái)?shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，促進(jìn)了海洋模型性能的改善，并幫助數(shù)值模擬者獲得調(diào)整其邊界條件以及量化不確定性所需的信息。

1 EMOLT 項(xiàng)目

為了幫助氣象預(yù)報(bào)單位吸納更多的溫度數(shù)據(jù)、給予海洋模型更好地驗(yàn)證模擬以及協(xié)助漁民更清楚地了解捕魚狀況，美國(guó)海洋與大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，以下簡(jiǎn)稱NOAA）與當(dāng)?shù)貪O船合作提供了一個(gè)低成本的數(shù)據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)——龍蝦誘捕器環(huán)境監(jiān)測(cè)計(jì)劃[1]（Environmental Monitors on Lobster Traps ，以下簡(jiǎn)稱EMOLT），該系統(tǒng)已在美國(guó)東北部海洋大陸架的廣泛范圍內(nèi)產(chǎn)生大量的每小時(shí)底部溫度數(shù)據(jù)集。

該系統(tǒng)現(xiàn)在主要有Logger、微型計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星發(fā)射器三部分組成（圖1-D）：

1.1 將Logger 用不銹鋼螺栓固定在PVC 管內(nèi)，漁民可以根據(jù)自己的需要，將PVC 管固定到不同的漁具上（圖1-A、圖1-B）。Logger 每分鐘收集一次數(shù)據(jù)，一次電池充電可長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月。

1.2 觸摸屏的微型計(jì)算機(jī)安裝在漁船駕駛艙（圖1-E）。當(dāng)Logger 來(lái)到甲板上時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)連接藍(lán)牙，自動(dòng)下載數(shù)據(jù)，并通過(guò)一個(gè)切換按鈕繪制結(jié)果，讓漁民可以輕松查看以前的捕撈情況。它還可以計(jì)算拖網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將觀察到的值與歷史記錄，并將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到衛(wèi)星發(fā)射機(jī)。

表1 模型預(yù)測(cè)海底水溫?cái)?shù)據(jù) （單位：℃）

1.3 衛(wèi)星發(fā)射器安裝在駕駛艙外的頂部（圖1-C），并將每次采集的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)由衛(wèi)星發(fā)送到云服務(wù)器上，研究人員可通過(guò)云服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析。

圖1 EMOLT 項(xiàng)目系統(tǒng)裝備

圖2 海洋模型邊界圖

2 海洋模型

緬因?yàn)常℅ulf of Main）位于北大西洋沿岸，特殊的地理位置以及適宜的氣候條件使其擁有豐富的海洋生物資源。結(jié)合緬因?yàn)车奶厥馇闆r，諸多學(xué)者為之開發(fā)了多種海洋模型，其中ROMS-DOPPIO[2]（Regional Ocean Modeling System-A double Experimental System for Predicting Shelf and Slope Optics，以下簡(jiǎn) 稱DOPPIO） 模 型 與ROMS-GoMOFS[3]（Regional Ocean Modeling System -Gulf of Maine Operational Forecast System，以下簡(jiǎn)稱GOMOFS）模型都是基于羅格斯大學(xué)的區(qū)域海洋建模系統(tǒng)（ROMS）而開發(fā)的三維緬因?yàn)硺I(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)；FVCOM-GoM3[4]（The third generation of the Unstructured Grid Finite Volume Community Ocean Model，以下簡(jiǎn)稱FVCOM）模型是由馬薩諸塞州達(dá)特茅斯大學(xué)的陳長(zhǎng)生團(tuán)隊(duì)和Woods Hole 海洋研究所的研究人員一同合作開發(fā)的一種非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、有限體積法、自由表面、三維原始方程式的預(yù)測(cè)性沿海海洋環(huán)流模型，如圖2。

3 案例分析

3.1 模型預(yù)測(cè)海底水溫?cái)?shù)據(jù)

文章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采取參與EMOLT 項(xiàng)目的40 多艘漁船所采集到的實(shí)際監(jiān)測(cè)海底溫度數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS 位置、深度數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的預(yù)處理，剔除偏離較大的數(shù)據(jù)，隨后采用Python 編程語(yǔ)言獲取DOPPIO、GOMOFS 與FVCOM 三種模型的海底水溫預(yù)測(cè)值[5]。

3.2 海底水溫模擬的應(yīng)用研究

結(jié)合表1，計(jì)算EMOLT 項(xiàng)目的海底水溫觀測(cè)值（Observation）同三種模型預(yù)測(cè)值的差值，隨后通過(guò)可視化分析各個(gè)模型在不同季節(jié)的表現(xiàn)情況。

圖3 觀測(cè)值與DOPPIO 模型溫度差異圖

由圖3 可看出，DOPPIO 模型在夏（SUMMER）、秋（FALL）兩季的平均溫差（mean）與均方根值（RMS）較低，預(yù)測(cè)效果較好；在春（SPRING）、冬（WINTER）兩季中，平均溫差（mean）與均方根值（RMS）較高，預(yù)測(cè)效果較差。此外，春、冬兩季當(dāng)水深達(dá)到200m時(shí)，模型預(yù)測(cè)效果顯著降低。

圖4 觀測(cè)值與FVCOM 模型溫度差異圖

由圖4 可看出，F(xiàn)VCOM 模型在春（SPRING）、冬（WINTER）兩季的平均溫差（mean）與均方根值（RMS）較低，預(yù)測(cè)效果較好；在夏（SUMMER）、秋（FALL）兩季中，平均溫差（mean）與均方根值（RMS）較高，預(yù)測(cè)效果較差。此外，春季當(dāng)水深達(dá)到200m 時(shí)，模型預(yù)測(cè)效果顯著降低。

圖5 觀測(cè)值與GOMOFS 模型溫度差異圖

由 圖 5 可 看 出，GOMOFS 模 型 在 春（SPRING）、夏（SUMMER）、冬（WINTER）三季季的平均溫差（mean）與均方根值（RMS）較低，預(yù)測(cè)效果較好；在秋季（FALL）中，平均溫差（mean）與均方根值（RMS）較高，預(yù)測(cè)效果較差。

結(jié)束語(yǔ)

文章將 EMOLT 項(xiàng)目所獲取的海底水溫?cái)?shù)據(jù)與ROMS-DOPPIO、ROMS-GoMOFS 和FVCOM-GoM3 三種模型所預(yù)測(cè)的水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)可視化分析對(duì)比后，了解到各個(gè)模型在不同區(qū)域、不同季節(jié)的預(yù)測(cè)狀況，將所得情況反映給模型建模人員，以此促進(jìn)建模人員進(jìn)行模型的改善。今后將針對(duì)三種海洋模型進(jìn)行數(shù)據(jù)同化前后地對(duì)比，以此更好地進(jìn)行模型優(yōu)化。