大型营养盐负荷影响模型的贝叶斯校准与不确定性量化

营养盐负荷模拟器是模拟水生生态系统水动力学和生物地球化学过程的大型确定性模型。由于它们能够预测营养盐削减对有害藻类生物量等的影响，因此是规划防治富营养化成本效益行动的核心工具。然而，由于计算量大，这些预测相关的不确定性通常没有得到严格评估。在这项工作中，我们开发了一种新颖的贝叶斯计算方法，用于估计芬兰营养盐负荷模型FICOS预测的不确定性。首先，我们为FICOS模型的多变量时空输出构建了一个似然函数。然后，我们使用贝叶斯优化，基于长期监测数据，定位模型参数的后验众数。之后，我们围绕后验众数构建了一个空间填充设计，用于FICOS模型运行，并利用它训练一个高斯过程代理模型，用于（对数）参数后验密度。最后，我们对（近似）参数后验进行积分，以产生在不同营养盐削减情景下藻类生物量和叶绿素a浓度的概率预测。我们的计算算法允许快速的后验推断，并且高斯过程代理模型在最高后验概率密度区域内具有良好的预测精度。后验预测情景表明，即使在大幅削减负荷的情况下，在芬兰群岛海达到欧盟水框架指令目标的可能性通常也很低。