Argo数据同化方法及其网格化产品研究进展

正如卫星的出现使海洋表面的观测方式产生了革命性的变革一样,Argo计划的诞生改变了人们对海洋内部的监测手段和方式。目前,由Argo剖面浮标获得的中上层观测剖面已逾200万条,并正以每天数百条的速度在增长,这些资料对于研究全球海洋的温度、盐度、环流及其它们的变化情况(不管时间尺度是几天还是几十年),都将是一个不可或缺的资源。同时,由于Argo浮标具有随波逐流的特性,其观测剖面数据具有空间不均匀性,这对充分有效利用这些海量的观测数据带来一定的局限性。为此,国内外学者借助于一些常用的数据同化方法,研制了包含多个海洋要素、多种分辨率的网格化产品。本文对目前适用于Argo剖面资料的常用数据同化方法、国内外基于Argo观测资料构建的网格化数据产品进行了比较系统地回顾和总结,对比分析了各种同化方法的适用条件和计算效率,以及各种Argo网格化产品的特点,并针对目前Argo资料的观测现状,给出了未来Argo数据同化的研究展望。     

全球Argo资料共享与服务平台设计与实现

Argo资料已成为海洋环境和气候变化研究重要的实测资料来源和基础数据支撑。自2007年全球Argo实时海洋观测网建成以来,每年产生的Argo资料稳固增长,数据总量呈现出海量增长趋势,如何实时有效地对Argo数据进行组织管理与信息服务已成为当前Argo资料共享的关键难题。本文针对Argo数据多源异构的时空特性及多元化的信息服务需求,综合运用分布式混合数据库架构,设计了一种适用于全球Argo资料组织管理的弹性扩展云存储模型,建立了基于Matlab的Argo网格化产品高效可视化方法,构建了基于Flex RIA的WebGIS服务框架,并研制了"全球Argo资料共享与服务平台"实例。平台实现了对全球Argo资料的查询浏览、快速下载及可视化分析等功能,并已在中国Argo实时资料中心部署及对外服务。     

基于海温参数模型推算Argo表层温度

Argo浮标观测已成为全球海洋观测系统的重要支柱,但因缺乏表层观测,使得Argo观测资料在海洋和大气研究中的应用仍有一定的局限性。基于一个简化的海洋温度参数模型,由Argo剖面观测及气候态数据所确定的垂向海洋温度参数,得到表层与次表层温度的函数关系,进而利用太平洋海域的Argo次表层温度数据来推算表层温度场。其中,海温参数模型的相关参数采用最大角度法求得,利用此方法得到的混合层深度,温跃层梯度,温跃层下边界等参数较以往的迭代法更精确。与传统采用外插方式得到的表层温度场及卫星反演的SST相比,推算的Argo表层温度与GTSPP、Argo NST等实测资料的标准差有了显著地降低;与Argo NST现场观测数据的相关性分析也表明,推算的表层温度与实测资料有着更好地一致性;通过相关分析检验,在理论上验证了在太平洋海域利用海温参数模型推算海表温度的可行性。本研究为弥补当前Argo资料缺乏表层观测的缺陷,构建完备的Argo网格化温度数据集提供了新途径,具有重要的科学意义和应用价值。     

Argo光盘数据集的研制与应用

早期的Argo数据光盘主要基于文件系统的数据管理,都没有提供对查询结果的保存和打印功能,更没有引入数据库系统对浮标数据进行综合管理.文中针对Argo数据共享和分发过程中存在的不足,特别是Argo光盘数据集所存在的问题,提出了改进方法.并引进数据库技术对Argo光盘数据集进行了补充和完善:提出了使用Winrar压缩软件对光盘数据资料进行压缩,从而解决了日益增加的Argo数据与光盘容量有限的矛盾,可以更好的满足Argo数据分发和共享的需求.为了充分发挥Argo光盘数据集的功能,文中还针对Argo资料用户对图形文件的需求,利用VC++和Matlab混合编程的方法,开发了Argo视图软件.最后,基于数据库技术研制完成了一张包含了1997-2006年全球海洋上全部Argo剖面浮标观测的Argo光盘数据集,并系统介绍了该数据集的结构、功能和应用过程等.     

Argo数据处理系统设计与应用

面向海洋业务化预报,发展了一个Argo数据处理系统(简称"ADPS"),具有Argo数据的自动化、流程化下载、提取、质量控制、去除季节循环、数据网格化、格式化输出等功能。在介绍ADPS的基础上,以中国南海和地中海东南侧Levantine海的Argo廓线处理为例,对比了ADPS提供的3种质量控制方案,发现"平均值-标准差"方法可有效的识别存在明显误差的廓线;通过对比四种提取季节循环的方案,发现使用WOA13数据可以提取最为显著的季节循环。用户可以通过ADPS提供的各种功能选项,为预报系统准备Argo观测数据,也可以基于目前的代码对ADPS进一步开发,满足海洋业务化预报和科研的需求。     

基于Argo浮标的热带印度洋混合层深度季节变化研究

根据2004-2005年热带印度洋(30°S以北)的Argo浮标(自持式海洋剖面观测浮标)温度-盐度剖面观测资料,采用位势密度判据(Δσθ=0.03 kg/m3),针对每个Argo浮标的温度-盐度观测剖面确定了海洋混合层的深度,然后采用Krig插值方法构建了3°×3°空间分辨率的月平均网格化混合层深度产品。通过与已有气候平均混合层深度资料的比较表明了该产品的合理性,在此基础上进一步对热带印度洋海盆尺度的混合层深度空间特征和季节变化规律进行了讨论。研究结果表明,Argo浮标资料可用于热带印度洋混合层变化的研究,为进一步研究热带印度洋海-气相互作用提供了基础资料。     

全球海洋Argo网格资料集及其验证

简要介绍了全球海洋Argo 网格资料集的制作过程,并着重探讨了该数据集与历史观测资料集（如WOA09 和TAO）, 以及同类型的Argo 网格数据集等进行的比较与验证结果,发现利用逐步订正法构建的Argo 网格资料与其他数据集相比,除 了相互间吻合程度较高,能较客观地呈现出全球海洋中的一些大、中尺度海洋特征外,由Argo 资料揭示的一些重要物理海 洋特征的结构显得更细致,更能反映这些现象的演变过程和变化规律;加上Argo 资料严格的质量控制过程,确保了重构的 网格数据集的质量和可靠性。该资料集不仅可以作为研究全球海洋状况或揭示物理海洋现象的基础资料,还可为海洋数值模 式的开边界和初始场提供参考依据。     

基于Argo浮标的西太平洋SMAP卫星海表面盐度数据质量评估

以西太平洋为研究区域,利用Argo浮标表层盐度观测值(5 m)对SMAP卫星获得的2016年海表面盐度反演质量进行了评估。首先将西太平洋2016-01—12期间的每日和每月SMAP卫星SSS数据与Argo实测SSS数据进行匹配,然后利用最小二乘线性回归法对其进行相关性分析,并对误差的分布特征进行了研究。结果表明:SMAP SSS与Argo SSS之间具有极显著的正相关关系;每日Argo浮标数据(WMO ID:2901520,WMO ID:2901548)和SMAP SSS的变化趋势基本一致,前者均方根误差(RMSE)、偏差(Bias)和相关系数(r)分别为0.43, 0.34和0.71,后者RMSE,Bias和r分别为0.41,0.26和0.69;研究区域内全年RMSE值处于0～0.35,在西太平洋南部海域偏差较大,这可能是由于该海域小岛众多,缺少Argo实测数据,导致其网格化的盐度存在较大误差。除夏季外,研究区域的大部分海域,RMSE都小于0.25。在海表盐度较低的海域,两者的对比结果误差较大,该现象在夏秋两季尤为显著。     

Argo资料协同管理方法研究

Argo资料已成为当前海洋和大气科学领域基础研究的重要数据来源。但由于其剖面元数据与观测数据混合存放的特点,现有的共享平台无法实现浮标漂移轨迹与剖面图的实时绘制。因此本文提出一种结构化与半结构化并存的Argo资料协同管理方法,通过分析Argo资料结构组成与特点,将结构化数据与半结构化数据分离提取;然后利用关系型数据库对半结构化类型属性的扩展支持,建立剖面元数据与观测数据间的关联关系;并利用分表存储,降低数据量快速增长对单数据表带来的存储压力。最后通过对近20 a的全球Argo资料解析建库结果进行分析,证明该方法具有良好的可扩展性和高效的轨迹数据获取效率,能够支持浮标漂移轨迹和剖面图的实时绘制。同时,该方法也可为特征类似的剖面观测数据管理提供技术参考。     

基于距平分析的Argo海表温度场重构

提出基于距平分析的Argo海表温度场(SST)重构方法,即在Argo浮标观测点提取温度距平值序列进行Kriging插值生成距平场,并叠加气候态SST的方法重构Argo海温场。以Argo数据相对稀少的2003年8月份和Argo数据相对较多的2012年8月份印度洋海域(60°S—30°N,25°—125oE)为例,重构水平分辨率为1°×1°的海表温度场。分析表明:(1)这种基于距平分析方法重构的海温场与对Argo数据直接Kriging插值获得的结果相比在精度上有大幅提高;(2)重构的温度场与最优插值海表温度场(OISSTV 2.0)的等温线具有高度的一致性,并且在Argo浮标附近海域有更好的细节表现;(3)即使在Argo数据相对稀少的海域,基于距平分析方法重构的海温场也能保持较高的精度要求,包括边缘海域和南大洋极锋附近均有较好表现。     

基于Argo历史观测的南海海盆尺度中层流场研究

针对南海海域海流环境复杂、中层实测数据量少的现状,本文基于2006-2016年布放在南海海域的114个Argo剖面浮标的卫星定位等信息,采用基于背景流和惯性流外推的最小二乘方法,获取南海海域1 200 m深中层流场信息,并采用Divand变分插值的方法形成网格化季节流场。结果表明:（1）针对南海中层（1 200 m）流场,单个Argo浮标可以刻画出具体的中尺度结构,如越南沿岸的反气旋涡,半径约为120 km,最大流速约为9.6 cm/s,平均流速为5.3 cm/s;（2） Argo网格化流场表明海盆尺度中层流场南海南部为反气旋环流结构,北部为气旋式环流,同时在吕宋海峡口存在从南海至太平洋的水体交换;（3）将该流场信息与HYCOM和YoMaHa'07两种资料对比,吻合度较高,与HYCOM再分析资料的偏差分布趋近于正态分布,海流的东西向分量的均方根误差为3.28 cm/s,南北向分量的均方根误差为3.26 cm/s。总体而言,利用Argo轨迹资料能够有效地反演出南海地区海盆尺度的中层环流特征。     

An effectivemethod for improving the accuracy of Argo objective analysis

Based on the optimal interpolation objective analysis of the Argo data, improvements are made to the em- pirical formula of a background error covariance matrix widely used in data assimilation and objective anal- ysis systems. Specifically, an estimation of correlation scales that can improve effectively the accuracy of Ar- go objective analysis has been developed. This method can automatically adapt to the gradient change of a variable and is referred to as ＂gradient-dependent correlation scale method＂. Its effect on the Argo objective analysis is verified theoretically with Gaussian pulse and spectrum analysis. The results of one-dimensional simulation experiment show that the gradient-dependent correlation scales can improve the adaptability of the objective analysis system, making it possible for the analysis scheme to fully absorb the shortwave information of observation in areas with larger oceanographic gradients. The new scheme is applied to the Argo data obiective analysis system in the Pacific Ocean. The results are obviously improved.     

Gridding heterogeneous bathymetric data sets with stacked continuous curvature splines in tension

Gridding heterogeneous bathymetric data sets for the compilation of Digital bathymetric models (DBMs), poses specific problems when there are extreme variations in source data density. This requires gridding routines capable of subsampling high-resolution source data while preserving as much as possible of the small details, at the same time as interpolating in areas with sparse data without generating gridding artifacts. A frequently used gridding method generalizes bicubic spline interpolation and is known as continuous curvature splines in tension. This method is further enhanced in this article in order to specifically handle heterogeneous bathymetric source data. Our method constructs the final grid through stacking several surfaces of different resolutions, each generated using the splines in tension algorithm. With this approach, the gridding resolution is locally adjusted to the density of the source data set: Areas with high-resolution data are gridded at higher resolution than areas with sparse source data. In comparison with some of the most widely used gridding methods, our approach yields superior DBMs based on heterogeneous bathymetric data sets with regard to preserving small bathymetric details in the high-resolution source data, while minimizing interpolation artifacts in the sparsely data constrained regions. Common problems such as artifacts from ship tracklines are suppressed. Even if our stacked continuous curvature splines in tension gridding algorithm has been specifically designed to construct DBMs from heterogeneous bathymetric source data, it may be used to compile regular grids from other geoscientific measurements.     

日本周边海域温跃层特性研究及温度剖面模型构建

使用"中国ARGO实时资料中心"提供的2005—2009年连续5 a日本南部海域的ARGO浮标资料,通过建立标准层,统计并提取各标准层的剖面温度,采用AKIMA插值方法计算各层的温度梯度。较详细分析了该海域温度垂直剖面特征及温跃层的分布规律。在此基础上,使用分段三次多项式拟合方法建立了适用于该海区的温度垂直剖面模型,并利用2010年ARGO数据对模型进行了验证,研究表明,经过模型模拟的剖面温度与实测温度之间的相关系数可达到0.99以上。     

利用 Argo 数据计算吕宋海峡以东海域水文特性参数和流场 *

利用2006年Argo浮标资料分析吕宋海峡以东海域水团季节特性和混合层的月平均变化规律;并分别利用Argo多年季节平均资料与2006年资料,以秋季为例,基于P矢量方法计算该区域流场;同时考虑风生流的影响,将所得结果分别与利用Levitus和高度计资料计算的流场进行比较。结果表明,水团特性季节变化不明显,春冬季表层水团与夏秋季比较表现为低温高盐;次表层、中层和深层季节变化不大;混合层深度明显表现为冬季最深、夏季最浅的季节性变化。利用2002—2009年Argo季节平均资料基于P矢量方法能得到地转流场的基本结构,与Levitus资料的计算结果相比较,除可以反映黑潮,还可以反映一些涡旋结构;利用2006年秋季Argo资料计算流场与高度计资料计算的地转流场比较,其流场结构位置吻合得比较好,但存在流速偏小等不足,这可能与Argo资料较少且分布不均以及插值误差等有关,但其可以获得流场的三维结构,而利用高度计资料计算只能得到表层流场结构。     

协同克里格方法在东海表面温度场数据插值中的应用

首次将协同克里格方法引入到海洋水文插值计算中处理东海实验区2008-01—2008-03三个月抽稀后的月平均海表面温场数据。将温场数据分为趋势分量和剩余分量,最终采用两分量的估计值之和实现海表面温场数据的格网插值估计。结果表明：协同克里格方法比传统方法（趋势分析、移动平均、普通克里格插值）效果好。提出变差函数局部拟合的...     

Comparative analysis of the North Atlantic surface circulation reproduced by three different methods

Calculation results are presented for long-term mean annual surface currents in the North Atlantic based on direct drifter measurements and numerical experiments with the ocean general circulation model using both climatic arrays of hydrological data World Ocean Atlas 2009 and Argo profiling data. The calculations show that the technique suggested for model calculations of oceanographic characteristics of the World Ocean with the use of Argo data significantly improves the climatic fields of the temperature and salinity even on a coarse grid. The comparison of the model calculation results with drifter data showed that the temperature and salinity fields found from Argo data with the use of data variational interpolation on a regular grid allow the calculation of realistic currents and can be successfully used as initial conditions in hydrodynamic models of the ocean dynamics.     

Fishery analysis using gradient-dependent optimal interpolation

The current lack of high-precision information on subsurface seawater is a constraint in fishery research. Based on Argo temperature and salinity profiles, this study applied the gradient-dependent optimal interpolation to reconstruct daily subsurface oceanic environmental information according to fishery dates and locations. The relationship between subsurface information and matching yellowfin tuna(YFT) in the western and central Pacific Ocean(WCPO) was examined using catch data from January 1...