データ同化を用いて低再現性の要因を推定する新たな水環境モデル解析技術の検討

利用数据同化估计低再现性因素的新水环境模型分析技术的检验

基本信息

批准号：
15J00759
负责人：
岡田輝久
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，沿岸域における流動水質シミュレーションの再現性を向上させるため，データ同化手法を用いて入力条件の不確実性や数値モデルの不完全性などによる再現性低下要因を追求する解析技術の構築および検証を行いました．本年度は，昨年度構築したデータ同化システムにおける数値的安定性の改善に関する検討，疑似観測データを用いたシステムの検証，および実観測データへの適用と評価，を行いました．【1】水質データ同化システムにおける数値的安定性の改善：昨年度構築したシステムには，数値的な不安定性が残されていました．特に観測データと計算結果との差が大きい場合に，アジョイントモデルが発散することから，観測データの品質管理式を導入し，計算結果との差が大きい観測データを同化させないように改良いたしました．その結果，低次生態系モデルの誤差を安定して逆伝播させることができました．【2】疑似観測データを用いた双子実験による状態・パラメータ推定：新たなアルゴリズムの適用性を評価するため，仮想データの同化計算実験を行いました．その結果，水質変動の再現性向上のためには，状態変数の初期値とモデルパラメータの推定を同時に行うべきであること，および初期値に十分な精度が見込める場合は，モデルパラメータの推定だけでもクロロフィルや栄養塩濃度の再現性が向上することが示されました．【3】実観測データの同化による再現性低下要因の追求：大阪湾で得られた実際の観測データを同化した結果，高い再現性を有するクロロフィルおよびDOの計算結果を得ることができました．特に貧酸素水塊周辺における酸素消費をすすめる修正結果から，今回用いた低次生態系モデルに組み込まれていない硫化水素の酸化反応と考えられる現象が起きており，再現性低下の要因を示唆し，今後のモデル改良の方針となる結果を得ることができました．

在本研究中，为了提高沿海地区流水水质模拟的再现性，我们将利用数据同化技术开发一种分析技术，研究由于输入条件的不确定性和数值模型的不完整性而降低再现性的因素并进行验证。它。今年，我们对去年建成的资料同化系统的数值稳定性进行了研究，利用伪观测资料验证了该系统，并在实际观测资料中应用和评估了该系统。 [1] 提高水质资料同化系统的数值稳定性：去年建成的系统仍然存在数值不稳定的问题。特别是当观测数据与计算结果差异较大时，伴随模型会发散，因此我们引入了观测数据的质量控制公式并对其进行了改进，使得与计算结果差异较大的观测数据不会被同化。因此，我们能够稳定地反向传播低阶生态系统模型的误差。 [2]使用伪观测数据的孪生实验进行状态/参数估计：为了评估新算法的适用性，我们对虚拟数据进行了同化计算实验。因此，为了提高水质波动的再现性，状态变量的初始值和模型参数的估计应该同时进行，并且如果可以期望初始值具有足够的精度，可以仅估计模型参数。结果表明，叶绿素和营养物浓度的再现性得到了提高。 [3]通过同化实际观测数据来追寻降低再现性的因素：通过同化在大阪湾获得的实际观测数据，我们能够获得叶绿素和DO的高再现性计算结果。特别是，根据促进贫氧水体周围氧气消耗的修正结果，正在发生一种被认为是硫化氢氧化反应的现象，而这次使用的低阶生态系统模型中没有包含这种现象。，表明重复性下降的一个因素，我们能够获得可作为未来模型改进指南的结果。