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基于Morris和Sobol统计抽样的海洋生态动力学模型全局灵敏度分析

摘要Morris法和Sobol法是当前全局灵敏度分析的研究热点,适用于高维复杂模型,国外已有学者对其在海洋生态动力学模型研究领域内的应用进行初步探索,然而国内尚未有学者综合采用两种方法应用到此领域。为探索全局灵敏度分析的两种统计方法在海洋生态动力学研究中的应用,选取我国北方典型海湾桑沟湾为研究区域,建立桑沟湾NPZDK(营养盐-浮游植物-浮游动物-碎屑-海带)生态动力学模型,分别用Morris法和Sobol法对所有可变输入参数进行全局灵敏度分析,从而提出桑沟湾生态动力学模型的参数优化方案,并通过对比两种方法提出更普适性的方案。本研究是对全局灵敏度分析在海洋生态动力学研究中的重要拓展。<br>  Morris法是一种筛选式灵敏度分析,尤其适用于数值分析受参数个数和运算成本限制的复杂模型。Sobol法用模型方差来衡量模型的不确定性,通过将模型方差分解为不同子项来识别不确定性的主要来源,定量化各参数(或各参数组)对模型输出的贡献率,主要有蒙特卡洛(MC)算法和伪蒙特卡洛(MC)算法,后者具有更高的估计精度。算法效果主要与抽样方案、统计量、伪随机数生成方式的选取有关。<br>  本文选取24个模型参数进行全局灵敏度分析,通过查找相关文献确定各个参数的默认值,将各个参数的默认值±20%作为各自的定义域。分别用Morris法和Sobol法对24个参数进行全局灵敏度分析。其中Sobol法采用伪MC算法,选用Sobol伪随机数、Saltelli估计值以及Radial抽样。<br>  Morris全局灵敏度分析结果显示:对模型状态变量敏感的参数有浮游植物最大增长率(Um)、浮游动物最大摄食率(Gm)、浮游植物死亡率(Mp)、浮游动物死亡率(Mz)和浮游动物生长系数(γ)等。根据Sobol全局灵敏度分析结果,确定待优化参数集为{浮游植物最大增长率(Um),生长温度依赖系数(Qg10),海带最大增长率(Uk),碎屑再矿化率(e),浮游动物最大摄入率(Gm),最优光强(I0),Ivlev摄入常数(λ),浮游动物生长系数(γ)},应对其进行参数优化;无需优化参数集为{海带吸收DIN的半饱和常数(KkN),浮游植物氮碳比(α1),浮游植物磷碳比(α2),海带生长的致命温度(Tleth),海带生长的最适温度(Topt),浮游动物排泄系数(θ),海带死亡率(MK),海带生长的温度调节参数(β)},无须进行参数优化,可以采用经验数据;其他参数可以根据具体情况选择进行参数优化或采用经验数据。<br>  通过对比Morris法与Sobol法的抽样和算法特点,提出了更普适性的方案。,针对参数较多的大型海洋生态动力学模型,可以先采用Morris方法对输入参数进行排序筛选,挑选出对模型输出影响较大的参数集,然后对其用Sobol进行定量化全局灵敏度分析。

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导师 石洪华
分类号 Q178.53
发布时间 2022-04-13(万方平台首次上网日期,不代表论文的发表时间)
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