本文是一篇決策模擬論文，本文主要關(guān)注不同積雪再分布和融池參數(shù)化方案對(duì)海冰厚度模擬的影響。模擬使用了兩種融池方案(TOPO和LVL)和三種積雪再分布設(shè)置(無(wú)積雪再分布、bulk和snwITDrdg方案)。
第一章 緒論
1.1 研究背景及意義
海冰是北極氣候系統(tǒng)重要的組成部分，北極地區(qū)大氣、海冰、海洋狀態(tài)的變化，會(huì)對(duì)全球的大氣和海洋環(huán)流產(chǎn)生影響。北極地區(qū)被冰雪覆蓋，能反射大部分太陽(yáng)輻射，同時(shí)海冰和積雪良好的隔熱作用，使得北極地區(qū)能保持低溫狀態(tài)。隨著海冰融化，形成的融水反照率較低，使得海冰吸收更多的入射太陽(yáng)輻射，進(jìn)一步加劇了海冰的減少，這一過(guò)程被稱為“冰-反照率正反饋”。在全球變暖的背景下，北極的增暖速度要快于全球其他地方，這稱為“北極放大”現(xiàn)象(Sweeney et al., 2023)，冰-反照率正反饋在北極放大現(xiàn)象中起著重要作用。北極地區(qū)的變暖引起了北極海冰的明顯減少(Meier, 2017)，海冰的減少引起了國(guó)際科學(xué)界及社會(huì)界的廣泛關(guān)注。2021年開(kāi)展的政府間氣候變化專門委員會(huì)第六次報(bào)告(The Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC AR6)評(píng)估了近年來(lái)包括北極海冰在內(nèi)的冰凍圈的變化(IPCC, 2021)，報(bào)告指出，近十年來(lái)，北極的冰凍圈正在加速萎縮，2011—2020年北極平均海冰范圍達(dá)到了自1850年以來(lái)的最低水平。
海冰范圍是反映北極海冰狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)被動(dòng)微波遙感測(cè)量的1979-2021年海冰范圍數(shù)據(jù)，9月北極海冰大約每10年減少12.7% (Meier and Stroeve, 2022)。2012年9月是有衛(wèi)星觀測(cè)記錄以來(lái)北極海冰范圍最低的一個(gè)月(Parkinson and Comiso, 2013)。海冰厚度同樣是一個(gè)評(píng)估北極海冰變化情況的重要指標(biāo)，結(jié)合海冰面積，還可用于研究海冰體積的變化。歐空局(European Space Agency, ESA)的CryoSat-2衛(wèi)星搭載的雷達(dá)高度計(jì)和美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的ICESat-2 (Ice Cloud and land Elevation Satellite)衛(wèi)星搭載的激光高度計(jì)可以測(cè)量海冰厚度，Meier and Stroeve(2022)分析了衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量的海冰厚度數(shù)據(jù)，指出雖然海冰厚度的測(cè)量時(shí)間較短并且有較大的誤差，但海冰厚度在近10年變薄的趨勢(shì)非常明顯。
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)
現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是研究海冰的重要途徑，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可以通過(guò)多種方式得到精度較高的海冰厚度數(shù)據(jù)(Li et al., 2024; Webster et al., 2022)。海冰厚度可以通過(guò)在冰面上鉆孔得到，或者通過(guò)潛艇聲吶測(cè)量得到，還可以通過(guò)海冰內(nèi)部的溫度廓線反演得到(Plante et al., 2024)。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)交叉驗(yàn)證和質(zhì)量控制，確保資料的精確性和完整性。這些資料可以作為驗(yàn)證模式結(jié)果的可靠參考數(shù)據(jù)，對(duì)理解海冰變化過(guò)程中的物理機(jī)制有重要幫助。在MOSAiC現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)之前已經(jīng)有較多的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)項(xiàng)目。1893-1896年，挪威Nansen(1897)開(kāi)展的“Fram號(hào)”項(xiàng)目對(duì)北極地區(qū)進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的長(zhǎng)期漂流觀測(cè)，為北極海冰的研究做出了巨大貢獻(xiàn)。在國(guó)際地球物理年(International Geophysical Year, 1957-1958)期間，Ice Station Alpha在波弗特海進(jìn)行了海冰熱量和質(zhì)量平衡的測(cè)量，觀測(cè)增進(jìn)了對(duì)北極海冰質(zhì)量平衡和輻射平衡的理解(Untersteiner, 1961)。1997-1998年在波弗特海和楚科奇海域開(kāi)展了為期一年的北冰洋表面熱量收支觀測(cè)計(jì)劃(Surface Heat Budget of the Arctic Ocean, SHEBA)，在SHEBA期間研究人員觀測(cè)了北冰洋一年中海洋-海冰-大氣之間的熱傳導(dǎo)過(guò)程，觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)氣候模式中的海冰反照率和熱量收支過(guò)程模擬的改進(jìn)起了重要幫助(Perovich et al., 1999)，通過(guò)這些觀測(cè)數(shù)據(jù)確定的積雪、海冰和融池的固有光學(xué)特性仍然在當(dāng)前版本的Icepack中使用。2015年1-6月，挪威的“蘭斯”號(hào)科考船開(kāi)展了挪威新生冰觀測(cè)項(xiàng)目(Norwegian Young Ice expedition, N-ICE2015, Granskog et al., 2018)，該項(xiàng)目注重研究北冰洋海冰從多年冰向一年冰過(guò)渡的過(guò)程以及大氣-海冰-海洋-生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用。2019年10月至2020年9月開(kāi)展了MOSAiC現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，注重于增進(jìn)對(duì)北極大氣、海洋、海冰間復(fù)雜相互作用和反饋機(jī)制的理解，觀測(cè)期間的狀況代表了在氣候變化背景下呈現(xiàn)的“新北極”形勢(shì)(“New Arctic”, Rinke et al., 2021)。
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第二章 數(shù)據(jù)與方法
2.1 Icepack模
Icepack是海冰模式CICE的一維柱狀子模塊。CICE以海冰厚度分布函數(shù)(Ice Thickness Distribution, ITD, Thorndike et al., 1975)為核心，將海冰按照厚度分為5類，模擬熱力學(xué)過(guò)程引起的海冰增長(zhǎng)和融化和動(dòng)力學(xué)過(guò)程引起的海冰水平運(yùn)輸和形變，還考慮了次網(wǎng)格尺度上的成脊(Ridging)等機(jī)械過(guò)程(Rothrock, 1975)。CICE中海冰動(dòng)力學(xué)部分使用海冰流變學(xué)模型模擬海冰的速度場(chǎng)(Turner et al., 2013)，包括彈-粘-塑性流變學(xué)(Elastic-Viscous-Plastic, EVP, Hunke and Dukowicz, 1997)、各向異性彈-塑性流變學(xué)(Elastic-Anisotropy-Plastic, EAP, Hunke and Dukowicz, 2002)模型，熱力學(xué)部分使用一維柱模式Icepack，Icepack通過(guò)計(jì)算海冰能量收支得到海冰或積雪的增長(zhǎng)或消融速率。Icepack可以作為單獨(dú)的模塊來(lái)運(yùn)行，用于模擬固定單點(diǎn)處的海冰熱力學(xué)過(guò)程。Icepack使用的模式設(shè)置與CICE大多數(shù)相同，采用相同的熱力學(xué)方案和融池方案，并使用Delta-Eddington作為反照率參數(shù)化方案。
圖2.1展示了Icepack模式中引起海冰狀態(tài)變化的重要物理過(guò)程，在Icepack中大氣強(qiáng)迫場(chǎng)從海冰表面對(duì)其產(chǎn)生影響，海洋強(qiáng)迫場(chǎng)從海冰底部對(duì)其產(chǎn)生影響。Icepack將海冰表面分為開(kāi)放水域(open water)、陸地、平整冰(slab ice，網(wǎng)格內(nèi)的海冰厚度相同且沒(méi)有積雪)、完整ITD (Full ITD)。為了關(guān)注完整物理過(guò)程對(duì)海冰模擬的影響，本研究?jī)H關(guān)注完整ITD的情況。Icepack中的大氣強(qiáng)迫場(chǎng)主要影響海冰表面的能量收支，海洋強(qiáng)迫場(chǎng)主要影響海冰底部的能量收支，通過(guò)海冰的能量收支計(jì)算海冰的消融和生長(zhǎng)。冰面上積雪會(huì)影響海冰的質(zhì)量平衡和能量平衡，積雪的增加來(lái)自降雪，積雪減少由融化、升華或積雪再分布過(guò)程引起。風(fēng)力引起的積雪再分布過(guò)程會(huì)使得冰面上的積雪發(fā)生位移或壓實(shí)，從而影響海冰的質(zhì)量平衡和能量平衡。

決策模擬論文怎么寫

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2.2 MOSAiC現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)
MOSAiC現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)從2019年10月開(kāi)始至2020年9月結(jié)束，在試驗(yàn)過(guò)程中將“極星”號(hào)破冰船（Polarstern icebreaker）冰凍在北冰洋，隨著海冰漂流穿越北極中部，在為期一年的觀測(cè)中收集了大量的北極大氣、海冰、海洋、生態(tài)和生物地球化學(xué)等數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了北極中心附近觀測(cè)資料較少的情況。
在“Polarstern”觀測(cè)船漂流過(guò)程中，周圍還部署了一系列中心觀測(cè)站(CO, Central Observatory)，用于測(cè)量海冰、積雪、海洋和大氣的數(shù)據(jù)，在CO外圍部署了浮標(biāo)陣列觀測(cè)網(wǎng)(Distributed Network, DN, Bliss et al., 2023)。MOSAiC試驗(yàn)共可以分為5個(gè)階段(Leg 1-Leg 5, Nicolaus et al., 2022)，其中包含三段載人漂流(Drift 1-Drift 3)。MOSAiC試驗(yàn)于2019年10月從拉普萜夫海北部開(kāi)始，隨著海冰漂流穿越北極中部。在第一階段漂流(Leg 1)開(kāi)始時(shí)研究人員在觀測(cè)船附近的浮冰上部署了第一個(gè)中心觀測(cè)站CO1，CO1在冬季第二和第三階段期間(Leg 2-Leg 3)隨著觀測(cè)船一起移動(dòng)。“Polarstern”在2020年5月16日離開(kāi)CO1，結(jié)束第一段載人漂流(Drift 1)，完成人員交換和物資補(bǔ)給，2020年6月19日回到CO1所在的浮冰，開(kāi)始第二段載人漂流(Drift 2, Leg 4)，并部署了第二個(gè)中心觀測(cè)站CO2。在夏季第四階段漂流(Leg 4)，“Polarstern”觀測(cè)船與新的中心觀測(cè)站CO2一起漂流。2020年7月31日，“Polarstern”觀測(cè)船到達(dá)弗拉姆海峽，CO2所在的浮冰破碎，第二段載人漂流結(jié)束。2020年8月21日轉(zhuǎn)到北極點(diǎn)附近的高緯度地區(qū)開(kāi)始第三段載人漂流(Drift 3, Leg 5)，并建立了一個(gè)新的中心觀測(cè)站CO3，并在周圍布放了DN2。2020年9月20日，“Polarstern”觀測(cè)船離開(kāi)浮冰返回德國(guó)不來(lái)梅港，MOSAiC試驗(yàn)的第三段載人漂流結(jié)束，漂流期間部署的浮標(biāo)繼續(xù)收集數(shù)據(jù)至2021年初。
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第三章 MOSAiC試驗(yàn)期間海冰厚度模擬及診斷分析 ........................ 31
3.1 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)置 .................... 31
3.2 厚度模擬比較 ..................... 32
第四章 基于伴隨模式的敏感性分析及參數(shù)估計(jì) ................... 45
4.1 Delta-Eddington方案的伴隨模式 ................................ 45
4.1.1 伴隨模式輸入輸出 ......................... 45
4.1.2 正確性驗(yàn)證 ................................. 46
第五章 結(jié)論與展望 .......................... 60
5.1 結(jié)論 ........................................ 60
5.2 創(chuàng)新點(diǎn) ............................... 61
第四章 基于伴隨模式的敏感性分析及參數(shù)估計(jì)
4.1 Delta-Eddington方案的伴隨模式
本文研發(fā)了Delta-Eddington方案的伴隨模式，使用伴隨模式計(jì)算參數(shù)的敏感性，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化估計(jì)，提高模式模擬反照率和海冰厚度的準(zhǔn)確性。由于在Delta-Eddington方案中海冰厚度不是直接的輸出變量，而是由網(wǎng)格內(nèi)的海冰體積和海冰覆蓋率計(jì)算得到，使用海冰厚度作為因變量生成伴隨模式將產(chǎn)生多個(gè)梯度值，且物理含義也不是很明確。因此本研究使用Delta-Eddington方案中的冰面反照率作為伴隨模式的因變量，五個(gè)參數(shù)作為自變量生成伴隨模式，通過(guò)改進(jìn)反照率的模擬結(jié)果改進(jìn)海冰厚度的模擬結(jié)果。
4.1.1 伴隨模式輸入輸出
在Delta-Eddington方案中，共有5個(gè)參數(shù)調(diào)整冰面反照率，分別是裸冰反照率調(diào)整參數(shù)????????????????、融池反照率調(diào)整參數(shù)????????????????、積雪反照率調(diào)整參數(shù)????????????????、雪粒融化時(shí)的溫度變化????????????????????、雪粒融化時(shí)的最大半徑????????????????????????????。伴隨模式涉及的函數(shù)及模塊如表4.1所示，其中后綴為_(kāi)ad的函數(shù)名或變量名為原始函數(shù)或變量的伴隨。shortwave_dEdd是Delta-Eddington方案中計(jì)算短波輻射的主要函數(shù)，在伴隨模式中shortwave_dEdd_ad為主函數(shù)，其中反照率(albedo)為因變量，????????????????、????????????????和????????????????為自變量。

決策模擬論文參考

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第五章 結(jié)論與展望
5.1結(jié)論
2019年10月至2020年9月開(kāi)展的MOSAiC現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)對(duì)北極海域大氣、海冰、海洋進(jìn)行了為期一年的觀測(cè)，這些觀測(cè)資料將為改進(jìn)海冰模式中物理過(guò)程的參數(shù)化方案提供幫助。本研究使用當(dāng)前氣候模式常用的海冰分量模式CICE的一維柱模式Icepack再現(xiàn)MOSAiC期間的海冰厚度演變過(guò)程。由于MOSAiC期間的大氣觀測(cè)資料存在缺測(cè)，本研究利用ERA5再分析資料得到一個(gè)連續(xù)完整的大氣強(qiáng)迫場(chǎng)，并用于運(yùn)行海冰柱模式Icepack。模擬的時(shí)段基于MOSAiC期間海冰厚度浮標(biāo)的觀測(cè)時(shí)間，即2019年11月1日至2020年8月4日。試驗(yàn)采用熱力學(xué)過(guò)程更加完善的Mushy方案，組合Icepack中三種積雪再分布設(shè)置(nosnwredist, bulk和snwITDrdg)和兩種融池參數(shù)化方案(TOPO和LVL)進(jìn)行海冰厚度模擬。
由于Delta-Eddington方案中的參數(shù)基于北極地區(qū)有限的觀測(cè)或一些半經(jīng)驗(yàn)的模型，參數(shù)中存在不確定性，模擬MOSAiC試驗(yàn)期間的反照率時(shí)需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。本研究使用自動(dòng)微分工具TAF研發(fā)了Delta-Eddington方案的伴隨模式，利用伴隨模式比較了反照率對(duì)不同參數(shù)的敏感性?；诎殡S模式得到的梯度信息，結(jié)合L-BFGS極小化算法，使用反照率作為代價(jià)函數(shù)，對(duì)Delta-Eddington短波輻射方案中和反照率相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化估計(jì)。
參考文獻(xiàn)（略）