GTSPP资料在BCC海洋资料同化系统中的同化效果分析

介绍了国家气候中心第二代海洋资料同化系统(BCC_GODAS2.0)所用的模式和同化方案,并设计了两个试验对同化系统的效果和稳定性进行检验:一个是加入GTSPP资料的1990—2008年19 a的同化试验,另一个是同时段内不加任何资料的模拟试验。利用OISST和SODA(Simple Ocean Data Assimilation)数据集对试验结果进行评估。评估结果表明,加入GTSPP资料的同化结果可以有效改进原模式对温度和盐度的模拟。在表层,整个海洋的温度和盐度场误差都有所减小,其中热带太平洋的改进效果最为明显;此外,同化结果能更好地反映Nino3和Nino4区海表温度的时间演变。垂直层次上的修正效果也很明显,在200 m左右的混合层效果改进最好,温度的均方根误差可减小1.5℃,盐度的均方根误差可减小0.6 psu。     

利用ARGO资料改进海洋资料同化和海洋模式中的物理过程

国际ARGO计划的实施每年将可提供多达 10万个剖面 (0～ 2 0 0 0m水深 )的海水温度和盐度资料 ,这些资料的获取无疑将会大大促进海洋和大气科学的发展 ,使人们加深对海洋过程的了解 ,揭示海 气相互作用的机理 ,为长期天气预报和短期气候预测提供模式初始场 ,提高长期天气预报和短期气候预测的能力。如何利用这些资料开展研究工作以及在实际业务中应用这些资料是目前大气和海洋科学界的一个前沿课题。本研究将ARGO浮标资料引入了国家气候中心的NCC GODAS同化系统 ,结果分析表明 ,同化ARGO资料后所得到的海温场在三大洋中不仅在温度数值的大小 ,而且在分布形式方面都与观测场具有较好的一致性 ,可以很好地反映出观测到的冬季和夏季海温的分布形式以及海温的季节变化特征和异常特征。本研究还应用最新的ARGO海洋观测资料 ,通过建立新的热带西太平洋次表层海温参数化方案 ,改进了Zebiak Cane(1987)海洋模式 (ZC模式 ) ,克服了ZC模式几乎没有模拟赤道西太平洋表层和次表层海温变化能力的缺陷。在ZC模式中引用新的次表层海温参数化方案后 ,在赤道西太平洋不仅次表层海温的模拟得到了改善 ,对海面温度异常的模拟也有了较大的改进 ,不仅模拟出了赤道西太平洋表层和次表层海温异常的年际变化特征 ,也模拟出了与观     

TOPEX/Poseidon高度计资料在全球海洋环流模式中的同化及分析

利用一个新的四维变分海洋资料同化系统LICOM-3DVM对TOPEX／Poseidon高度计资料进行了同化。该同化系统是在LASG／IAP气候海洋模式LICOM1．0的基础上建立起来的,所用的同化方法为三维变分映射资料同化方法3DVM。高度计观测资料是采取间接的方式进行同化,即先建立起二维海面高度距平场与三维温度场的统计关系,并由此通过观测的海面高度距平信息反演出“观测”的三维温度场,然后利用LICOM-3DVM四维变分同化系统将此反演的温度场同化到海洋模式中。作者设计了两组试验并对结果进行了比较分析,积分时间从1993年1月至2001年12月共9年时间。结果表明,由于上混合层相关系数较小,因此同化后海温没有改进;而在温跃层以及更深层次,同化后的海温均有很大程度的改善。从对赤道太平洋地区海温的气候态、季节变化和年际变化以及Nino3区的Nino指数的模拟情况来看,由于同化时将海面高度异常和海温异常之间的相关参数取为常数,没有考虑其季节和年际变化,因此,同化后对于赤道太平洋的年际变化没有改善。对于黑潮地区,由于模式的分辨率较低,同化之前没有很好地模拟出温度锋面,温度和盐度梯度都偏小,流速也偏弱;而同化后使得温度锋面和盐度梯度与WOA01更加吻合,流速增强。     

全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS的研制和初步评估试验

本研究发展了一个全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS。该系统是一个短期气候数值预测业务系统的子系统,为短期气候预测海气耦合模式提供全球海洋初始场。系统能够同化的观测资料包括卫星高度计资料、卫星海表温度(SST)资料,以及Argo、XBT、TAO等各种不同来源的现场温盐廓线资料。系统使用的海洋模式为中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室开发的气候系统海洋模式LICOM1.0,同化方案为集合最优插值(EnOI)方案。系统使用一个由海洋模式自由积分得到的静态样本来估计背景场误差协方差。这样的基于集合样本的背景场误差协方差具有多变量协变、各向异性的特征,且能反映海洋物理过程固有的空间尺度特征。针对EnOI同化程序的特点,开发了一套特色鲜明、负载均衡、高效的并行化同化程序。本文通过与不同类型观测资料的比较,对同化系统的性能进行了评估。通过比较海表温度和海面高度的年际变率,海表温度异常随时间的变化,SST、海面高度异常(SLA)以及次表层温盐预报产品的均方根误差,5年平均温度偏差廓线、平均盐度廓线、平均纬向流速廓线等发现:系统工作正常、同化效果较好;经过同化以后,各变量都更加接近观测,误差更小,与观测场的相关性更好,可以为短期气候预测系统提供较好的海洋初始场,也可以为物理海洋学的研究提供有效的再分析资料。     

GTS的温盐资料在BCC_GODAS中的同化结果分析

分析了从GTS(全球无线通讯系统)获得的2002-2007年海洋温盐观测资料在国家气候中心第2代全球海洋资料同化系统(BCC_GODAS 2.0)中的同化结果。与SODA(简易海洋同化数据)资料的比较表明:GTS中的海洋温盐资料同化对模式温盐场的改进之处主要表现在混合层暖区的范围和中心强度、温跃层中温度槽脊的深度、温跃层附近的温度梯度以及盐度高、低值区的范围和中心强度等方面,同化后全球温盐场的均方根误差得到一定程度的降低。挑选位于不同海区的单点温盐廓线与ARGO(地转海洋学实时观测阵)观测作了进一步比较,结果表明:大多数情况下,同化后温盐廓线的均方根误差得到明显降低,模拟的温盐垂向分布特征也更为准确。与TAO(热带大气海洋观测网)资料的比较也同样表明:同化后的温盐场特征会得到一定程度改善。     

FY-3C/VIRR海表温度产品及质量检验

国家卫星气象中心FY-3C/VIRR（visible and infrared radiometer,可见光红外扫描辐射计）海表温度产品在云检测产品的基础上,采用多通道MCSST（multichannel SST）算法进行晴空区海温反演。该文详细介绍了海表温度产品算法、产品设计、质量控制及质量检验方法。FY-3C/VIRR海表温度产品包括5 min段原始投影海温和5 km全球等经纬度投影海温。设计逐像元的海温质量标识,将海温像元分为优、良、差3个等级,用户可根据应用目标选择海温的质量等级。与日最优插值海温OISST（optimum interpolation SST）相比,FY-3C/VIRR 2015年1月—2019年12月的5 min段海温质量检验结果表明:质量等级为优的海温,白天和夜间的偏差分别为-0.18℃和-0.06℃,均方根误差分别为0.85℃和0.8℃;白天海温均方根误差有季节性波动,夏季有的月份均方根误差大于1℃（如2015年7月、2016年7月和2019年7月）;在海温回归系数不变的条件下,夜间海温偏差的季节性波动与星上黑体温度相关显著。从一级数据质量、定位、业务运行状况等方面讨论引起海表温度产品异常的原因,为FY-3C/VIRR历史数据定位、定标和产品重处理及用户应用提供重要的参考信息。     

红外高光谱资料近地面通道应用技术研究:海洋地区观测资料同化试验

由于下垫面的复杂性,卫星近地面通道的辐射率资料没有得到充分开发和利用.就我国自主研发的GRAPES-3DVar而言,红外高光谱近地面通道资料还没有应用于陆地,即使在下垫面相对简单的海洋,由于背景场海表温度估计不够准确,红外高光谱资料的使用效果也不甚理想.针对GRAPES模式的背景场海表温度估计不够准确这一问题,本文利用大气红外探测仪器AIRS(The Atmospheric Infrared Sounder)辐射率观测资料通过一维变分(1DVar)方法对其晴空视场点内的背景场海表温度进行调整,再运用GRAPES全球分析预报系统进行同化分析,研究了海表温度调整后对分析场的影响.结果表明,利用一维变分调整后的海表温度不仅使得低层通道的模拟亮温与观测亮温更加匹配,而且有效地改进了分析场,对位势高度场高、中、低层均有不错的改进,对低层湿度场以及风场的改进也较为明显.     

Argo大洋观测资料的同化及其在短期气候预测和海洋分析中的应用

国际Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)计划的实施,提供了前所未有的全球深海大洋0～2000 m水深范围内的海水温度和盐度观测资料,在大气和海洋科研业务中应用这一全新的资料,是深入认识大气和海洋变异、提高我国气候预测、海洋监测分析和预报能力的一个关键所在.通过开发非线性温—盐协调同化方案和利用同化高度计资料来调整模式的温度和盐度场,建立了可同化包括Argo等多种海洋观测资料的全球海洋资料变分同化系统,提高了对全球海洋的监测分析能力.实现了海洋资料同化系统与全球海气耦合模式的耦合,显著提高了短期气候预测水平.利用Argo资料改进了海洋动力模式中的物理过程参数化方案,有效提高了海洋模式对真实大洋的模拟能力和对厄尔尼诺/拉尼娜的预测能力.开发了利用Argo浮标漂流轨迹推算全球海洋表层和中层流的方法,提高了推算的全球表层流、中层流资料质量,有效弥补了洋流观测的匮乏.     

CMIP5西北太平洋气候变率的模拟评估

利用观测海温资料和CMIP5模式模拟结果分析西北太平洋(120°E~120°W,20~60°N)海表温度的气候态和年代际变化特征。结果表明,所选22个模式可以较好地模拟出西北太平洋海表温度的气候特征及其年际、年代际变化特征;模式模拟的海表温度总体标准偏差在黑潮延伸体区域最大;绝大多数模式能模拟出海表温度的第一EOF模态;西北太平洋海表温度具有较明显的年代际振荡现象,13/22的模式模拟的海表温度存在明显的年代际振荡,同时海表温度气候态的模拟偏差对其周期振荡模拟的影响较大,尤其在黑潮延伸体区域。     

海洋模式对1995年5月南海AXBT海温资料的同化分析

利用美国普林斯顿大学海洋模式 (POM )对 1995年 5月南海AXBT海洋观测资料和MISST卫星观测的海面温度进行模式四维同化分析研究。POM模式同化处理使用最优插值分析与逼近方法 ,从模式积分到第 4年开始 ,使用COADS气候平均风应力场、净热通量场强迫海洋 ,从第 5年 5月开始加入 1995年 5月的MISST和AXBT资料同化积分 30d ,然后对同化结果进行分析。结果表明 ,资料同化可以改进模式对温度场的预报 ,也可改进模式对海流的模拟。分析结果还显示 ,1995年 5月南海浅层有暖涡和冷涡形成     

南海温盐流数值产品构建及评估

基于区域海洋模式ROMS构造了一套覆盖中国南海的40年（1980—2019年）温盐流数值产品OCEAN_SCS。OCEAN_SCS的变量包含了温度、盐度、流速、流向以及海表高度。OCEAN_SCS的水平空间分辨率为0.1°×0.1°,垂向分层40层（0~5 000 m）,时间分辨率为1小时,包含潮汐信息。利用独立的观测资料对OCEAN_SCS进行了初步评估,评估对象包括温度、盐度、海表高度、海流、潮位和增水。在不包含资料同化的前提下,OCEAN_SCS的模拟精度达到了较高的水准。OCENA_SCS的构建将为南海海洋环境的研究提供数据支撑,并服务于南海海洋环境保障。      

Reducing Drift and Bias of a Global Ocean Model by Frequency-Dependent Nudging

Frequency-dependent nudging is applied to a coarse resolution (nominal 1°) global ocean model to suppress its drift and bias, and the impact of the nudging on the skill of the model is assessed. The nudging is applied to temperature and salinity in frequency bands centred on 0 and 1 cycles per year. As expected, the nudging significantly reduces the biases in the long-term mean and annual cycle of temperature, salinity, and sea level. By comparing the simulated (i) sea surface temperature with operational analyses based on observations, (ii) vertical profiles of temperature and salinity with observations made by Argo floats, and (iii) sea level with altimeter observations, it is shown that the skill of the model in simulating variability about the annual cycle is also improved. The potential benefit of applying frequency-dependent nudging to the ocean component of a coupled atmosphere–ocean model is discussed.     

海洋对全球变暖的响应及南海观测证据

回顾了世界各大洋和若干区域海洋的海平面、热含量、温盐结构及珊瑚变化等方面的主要成果,并对中国南海温盐结构的长期变化趋势进行了初步分析。结果表明,对全球增暖的响应,南海中层水盐度的长期变化表现出一定的淡化趋势。     

An ocean data assimilation system in the Indian Ocean and west Pacific Ocean

The development and application of a regional ocean data assimilation system are among the aims of the Global Ocean Data Assimilation Experiment. The ocean data assimilation system in the regions including the Indian and West Pacific oceans is an endeavor motivated by this goal. In this study, we describe the system in detail. Moreover, the reanalysis in the joint area of Asia, the Indian Ocean, and the western Pacific Ocean(hereafter AIPOcean) constructed using multi-year model integration with data assimilation is used to test the performance of this system. The ocean model is an eddy-resolving,hybrid coordinate ocean model. Various types of observations including in-situ temperature and salinity profiles(mechanical bathythermograph, expendable bathythermograph, Array for Real-time Geostrophic Oceanography, Tropical Atmosphere Ocean Array, conductivity–temperature–depth, station data), remotely-sensed sea surface temperature, and altimetry sea level anomalies, are assimilated into the reanalysis via the ensemble optimal interpolation method. An ensemble of model states sampled from a long-term integration is allowed to change with season, rather than remaining stationary. The estimated background error covariance matrix may reasonably reflect the seasonality and anisotropy. We evaluate the performance of AIPOcean during the period 1993–2006 by comparisons with independent observations, and some reanalysis products. We show that AIPOcean reduces the errors of subsurface temperature and salinity, and reproduces mesoscale eddies. In contrast to ECCO and SODA products, AIPOcean captures the interannual variability and linear trend of sea level anomalies very well. AIPOcean also shows a good consistency with tide gauges.     

COSMIC掩星反演大气温湿资料的质量特征分析

针对COSMIC(Constellation Observation System of Meteorology Ionosphere and Climate)掩星反演的大气温度和水汽压二级资料,利用常规探空观测和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析资料分别进行质量检验分析,以揭示反演资料质量的海陆差异、随纬度和高度变化等三维空间特征。结果显示:我国区域反演资料的温度略低于探空观测与NCEP分析资料,温度与水汽压相对于检验资料的均方根误差较小;全球范围内,反演大气温湿资料的质量随高度和纬度的不同而存在明显差异,而且海洋和陆地上质量的水平和垂直分布特征也存在显著不同。总体上看,COSMIC反演大气温湿资料具有良好的可靠性与精确度,可作为我国数值预报资料同化的新资料,反演温湿资料的质量特征也可为COSMIC资料同化的质量控制和垂直稀疏化方案的设计提供科学依据。     

A global ocean reanalysis product in the China Ocean Reanalysis (CORA) project

The first version of a global ocean reanalysis over multiple decades (1979–2008) has been completed by the National Marine Data and Information Service within the China Ocean Reanalysis (CORA) project. The global ocean model employed is based upon the ocean general circulation model of the Massachusetts Institute of Technology. A sequential data assimilation scheme within the framework of 3D variational (3DVar) analysis, called multi-grid 3DVar, is implemented in 3D space for retrieving multiple-scale observational information. Assimilated oceanic observations include sea level anomalies (SLAs) from multi-altimeters, sea surface temperatures (SSTs) from remote sensing satellites, and in-situ temperature/salinity profiles. Evaluation showed that compared to the model simulation, the annual mean heat content of the global reanalysis is significantly approaching that of World Ocean Atlas 2009 (WOA09) data. The quality of the global temperature climatology was found to be comparable with the product of Simple Ocean Data Assimilation (SODA), and the major ENSO events were reconstructed. The global and Atlantic meridional overturning circulations showed some similarity as SODA, although significant differences were found to exist. The analysis of temperature and salinity in the current version has relatively larger errors at high latitudes and improvements are ongoing in an updated version. CORA was found to provide a simulation of the subsurface current in the equatorial Pacific with a correlation coefficient beyond about 0.6 compared with the Tropical Atmosphere Ocean (TAO) mooring data. The mean difference of SLAs between altimetry data and CORA was less than 0.1 m in most years.     

基于卫星和Argo观测的阿拉伯海中北部海表盐度季节和年际变化

基于美国国家航天局（NASA）发射的水瓶座（Aquarius/SAC-D）卫星和欧洲航天局（ERA）发射的土壤湿度与海洋盐度（SMOS）卫星的观测资料,以及Argo海表盐度资料,重点分析了阿拉伯海中北部海表盐度的季节和年际变化.年平均情况下,Argo、Aquarius和SMOS表现出相似的海表盐度分布形态,均表现了阿拉伯海中北部高达36.5 psu的高盐特征.阿拉伯海中北部海表盐度在2—3月出现最低值,在4月之后快速升高,并在夏季西南季风的成熟阶段达到最高.阿拉伯海中北部海表盐度显著的季节变化与季风风场引起的大量蒸发和平流输送相关.夏季风期间,Ras al Hadd急流将来自阿曼湾的高盐水向东向南输送到阿拉伯海中北部海域,使海表盐度升高并达到最高值;冬季风期间,冬季风环流系统在印度半岛西侧海域形成向北的低盐水输送,造成阿拉伯海中北部海表盐度降低.该低盐水平流在冬季风后期能够影响到阿曼海.阿拉伯海中北部海表盐度年际变化主要与季风驱动的季风环流系统的变化相关,尤其是冬季风期间向北流动的印度西侧沿岸流的强弱与该区域海表盐度年际变化关系密切.