利用资料同化方法优化观测系统的空间布局:以泰国湾为例

海洋观测费用高昂，设计科学高效的观测系统可以充分发挥观测的效能。本文以泰国湾高频地波雷达观测系统为例，利用数据同化方法对观测系统进行了最优布局。首先基于FVCOM海洋数值模式建立了泰国湾海域高分辨率三维斜压水动力模式，在此基础上利用一种改进的高效集合卡曼滤波同化方法对岸基高频地波雷达表层海流观测系统开展观测效能评估数值实验。通过观测区域的不同组合方式将3个区域的雷达表层海流数据同化到数值模式中，实验结果表明，岸基高频地波雷达表层海流观测系统可有效降低高分辨数值模式的海流模拟误差。但不同观测区域的组合提供的观测数据对改善海流模拟的作用存在明显差别，泰国湾现有观测系统雷达站位布设方式应进一步优化。本文最后给出了研究区域最优观测站位的布局方案，可作为下一步观测系统进行布局调整的指导。     

集合最优平滑同化方法的研究与应用

海洋状态场的历史变化过程对其分布状态有重要影响。在观测资料稀疏的情况下,合理利用历史观测资料能够为海洋数据同化提供大量有效信息。然而在目前的顺序资料同化过程中,往往只同化当前时刻的观测数据,没有考虑到历史观测资料对当前状态的约束。四维变分虽然可以体现变量在时间维度的演变过程,但引入伴随方程会增加计算代价。本文基于集合最优平滑同化算法（Ensemble Optimal Smoothing,EnOS）探讨了一种在数据同化中加入历史观测资料的简易可行方案,其能够根据历史观测数据估计当前状态,并进行单点同化实验和区域同化实验来验证该方案的有效性。实验结果表明,将历史观测资料引入到同化过程中可以把控时间演变趋势,减小分析数据与真实值之间的偏差,更有效地消除数值模式误差,提高同化质量。     

一个稳态Kalman滤波风暴潮数值预报模式

利用Kalman滤波资料同化技术将海洋站水位观测资料融入二维线性风暴潮模式中,研制具有资料同化能力的风暴潮预报模式,改进风暴潮模式计算结果.通过在风暴潮模式的动量方程中加入模式噪声项来修正模式本身和气象强迫力的不确定性.确定性模式的输出通过带有观测噪声的观测方程与可利用的海洋站的潮位观测资料联系起来.假定初始的模式噪声和观测噪声满足均值为0的高斯分布,用迭代法得到计算区域的状态向量的稳态Kalman滤波,进而得到风暴潮模式输出的最优线性校正结果.利用这种资料同化技术,对1956年发生在东海的一次强风暴潮过程进行了后报试验,结果表明,该同化方法对短期风暴潮水位后(预)报有一定的改进.     

中国近海现场海洋观测系统设计评估

中国科学院正在发展一个在中国近海(包括黄海、东海和南海)现场海洋观测系统。观测系统包括3个沿岸观测站点、4个近海离岸浮标和由观测船只按固定航线做的船舶观测断面。观测站点、浮标和断面的位置已经预先确定,这个计划在2008-2011实施。利用基于卡尔曼理论的样本集合方法对这样一个能够监测大尺度的季节和年季变率的观测系统设计进行了评估。根据卡尔曼滤波理论,用集合样本的方法能够给出经过同化这个观测系统位置的观测资料后能够减少多少分析误差和分析场的不确定性。用2个来自不同模式、不同分辨率的模式的结果作为集合样本来计算静态的背景误差协方差,这2套样本分别是来自分辨率是0.5°×0.5°的模式同化结果和高分辨0.125°×0.125°的模式结果。由这2个不同资料得到的结果是一致的。发现来自3个近岸和4个离岸浮标得到的观测能够有效地减少SST在渤海、黄海、东海和南海中部的分析误差。然而在越南东部和台湾东部海域,分析误差减少的百分比相对要小。最后,给出了中国近海最优的观测位置序列设计。     

集合资料同化方法的理论框架及其在海洋资料同化的研究展望

在海洋动力系统的数值模拟中,海洋资料同化是一种能够有效融合多源海洋观测资料和数值模式的方法。它不仅可以显著地提高数值模拟的效果,构造海洋再分析资料场,还能有效减少海洋和气候预报时模式初始条件的不确定性。因此,海洋资料同化对于海洋研究和业务化应用具有非常重要的意义。资料同化方法的研究一直是大气、海洋科学的热门课题之一。其中,集合卡尔曼滤波器(EnKF)是一种有效的资料同化方法,自提出以来经过了20多年的发展和改进,已经在海洋资料同化中得到了广泛的研究和应用。近年来,随着动力模式的不断发展和计算能力的提高,粒子滤波器由于不受模型线性和误差高斯分布假设的约束,也逐渐成为了当前资料同化方法研究的热点。本文分析和总结了目前关于集合卡尔曼滤波器和粒子滤波器的一些最新理论研究结果,在贝叶斯滤波理论的框架下讨论了这两类算法的关联和区别,以及各自在资料同化实践中的优势和不足。在此基础上,我们探讨了粒子滤波器应用于海洋模式资料同化的主要困难和目前可行的一些解决方法,展望了集合资料同化方法研究的新趋势,为集合资料同化方法的进一步发展和应用提供理论基础。     

集合滤波和三维变分混合数据同化方法研究

发展了一种新的混合数据同化方法——基于集合滤波和三维变分的混合数据同化方法。该方法将集合调整卡尔曼滤波(ensemble adjustment Kalman filter,EAKF)得到的集合样本扰动通过一个转换矩阵的形式直接作用到背景场上,利用顺序滤波的思想得到分析场的一个扰动;然后在三维变分(three dimensional variational analysis,3D-Var)的框架下与观测数据进行拟合,从而给出分析场的最优估计。文中以Lorenz63模型为例,开展了理想数据同化试验,结果表明,相比于集合调整卡尔曼滤波,这种新的混合同化方法可以给出更好的同化结果。     

四维变分同化技术在风暴潮数值模拟中的应用

利用区域海洋模式ROMS(Regional Ocean Modelling System)及其四维变分同化模块,建立了具有资料同化能力的东中国海风暴潮数值模式,通过将海洋站水位观测资料同化到风暴潮模式中,提高了模式对风暴潮的模拟精度。四维变分同化技术能够在整个同化时间窗口保持动力协调,使模拟结果在该时间窗口内最大程度的靠近观测,同时,得到了最优预报初始场。利用该模式,对两次温带风暴潮过程进行了数值模拟,结果表明:在同化窗口内,同化对模拟精度有明显的提高;结束同化之后,得到的最优预报初始场对临近预报精度也有一定提高。     

南海北部集合卡曼滤波同化SST试验

基于POM(Princeton Ocean Model)建立一个南海北部集合卡曼滤波的同化模式,主要用于卫星海表面温度的同化.模式的平均水平分辨率为5km,垂向分层为20层;侧边界条件嵌套到一个大范围的南海海洋模式,在同化方案上采用一个均方根集合卡曼滤波算法,避免观测的扰动;适当引入局地化算子,消除样本在空间上的虚假相关,同时增加集合样本的自由度.该同化试验同化了2008年夏季6月到7月的GHRSST(Global High-Resolution Sea Surface Temperature),然后采用2008年夏季SCOPE(Northern South China Sea Coastal Oceanographic Process Experiment)航次的温、盐数据对同化结果进行评估.结果表明,相对于未同化模式模拟结果,同化模式温度的改善比较明显,表现在加强了南海北部的上升流,校正了海表温度的偏差,改善了温度的垂向分布.由于集合卡曼滤波是一种多变量调整的同化方法,同化SST不仅能改善表层与次表层的温度分布,而且对流场和盐度的调整也比较明显.     

解析四维集合变分参数优化方法研究

传统的四维变分数据同化方法在同化观测资料的同时可以对数值模式参数进行优化,然而传统的四维变分方法需要针对不同的数值模式编写特有的伴随模式,因此算法的可移植性差,同时计算时耗费大量资源。本文提出了一种新的基于解析四维集合变分的参数优化方法,该方法以迭代搜索得到的模式参数为基准展开扰动并构建样本集合,由此显式地计算协方差矩阵,并得到代价函数极小值的解析解,从而避免了伴随模式的使用。基于Lorenz-63模型对该方法进行单参数和多参数数值试验和优化效果检验,并在不同的同化时间窗口长度和观测采样间隔情况下,采用传统四维变分方法与之进行对比,结果显示,新方法表现出与传统四维变分相同的优化性能,都能有效收敛到真值,而新方法不需要计算伴随模式,可移植性好。本文还测试了不同的集合成员个数和模式参数真值的情况下新方法的同化效果,结果表明,新方法对集合样本个数及模型参数真值不敏感,采用较少的集合样本即可完成数据同化。     

最优插值法及其在热带太平洋海表温度数据同化中的应用

利用M IT gcm模式和最优插值法搭建的同化平台对热带太平洋赤道附近的海表温度SST数据进行了数值同化处理。结果表明,同化处理有效兼顾了模式模拟值和观测值,纠正了模式模拟值出现的误差,数值同化结果更接近于观测值。该同化平台能够更好地反映出SST的分布特征,该同化方法可以有效地对海表数据进行数值预报。     

南海北部海洋四维变分同化试验研究

为了研究四维变分同化方法在南海北部海洋数值预报中的适用性,使用海洋区域模式(ROMS),建立了南海北部海洋资料四维变分同化系统,进行了温盐廓线和海面温度数据同化试验,初步对比分析了三种四维变分实现方法的同化效果。研究结果表明,四维变分同化方法具有较好的同化效果,其中,增量强约束方法(I4DVar)具有较好的稳定性,其稳定性高于4DPSAS和R4DVar。本文研究成果为建立南海业务化海洋四维变分同化及预报系统奠定技术基础。     

Evaluating the contribution of satellite measurements to the re-construction of three-dimensional ocean temperature fields in combination with Argo profiles

Assimilation systems absorb both satellite measurements and Argo observations. This assimilation is essential to diagnose and evaluate the contribution from each type of data to the reconstructed analysis, allowing for better configuration of assimilation parameters. To achieve this, two comparative reconstruction schemes were designed under the optimal interpolation framework. Using a static scheme, an in situ-only field of ocean temperature was derived by correcting climatology with only Argo ...     

南海与周边海域表层塑料颗粒交换的拉格朗日示踪研究

塑料污染已成为国际海洋界关注的海洋环境问题之一。文章探讨海洋环流对南海及其周边海域表层塑料颗粒交换的影响。在南海周边多个海域, 分别在4个季节投放塑料颗粒。一年后, 用拉格朗日颗粒示踪方法考察投放颗粒的运动轨迹和最终停留位置。结果表明, 在秋、冬季, 大部分塑料颗粒会进入南海和爪哇海, 极少部分颗粒北输送到太平洋; 在春、夏季, 仅有部分颗粒进入南海和爪哇海, 而多数颗粒流到太平洋。南海洋流具有季节特征, 塑料颗粒轨迹特征与之较为符合。     

南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统研制

本文主要介绍了南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的研制概况。预报区域为99°E~135°E，15°S~45°N，包括渤海、黄海、东海和南海及其周边海域。为了给耦合预报模式提供较准确的预报初始场，在预报开始之前，分别进行了海浪模式和海洋模式的前24小时同化后报模拟。海浪模式和海洋模式都采用了集合调整Kalman滤波同化方法，海浪模式同化了Jason-2有效波高数据；海洋模式同化了SST数据、MADT数据和ARGO剖面数据。为了改进海洋温度和盐度的模拟，我们在海洋模式的垂向混合方案中引入波致混合和内波致混合的作用。预报系统的运行主要包括两个阶段，首先海浪模式和海洋模式进行了2014年1月至2015年10月底的同化后报模拟，强迫场源自欧洲气象中心的六小时的再分析数据产品。然后耦合预报系统将同化后报模拟的结果作为初始场进行了14个月的耦合预报。预报产品包括大气产品（气温、风速风向、气压等）、海浪产品（有效波高和波向等）、海流产品（温度、盐度和海流等）。一系列观测资料的检验比较表明该大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的预报结果较为可靠，可以为南海及周边海洋资源开发和安全保障提供数据和信息产品服务。     

中国近海潮汐响应峰值估算的数值模拟

A numerical method is designed to examine the response properties of real sea areas to open ocean forcing. The application of this method to modeling the China’s adjacent seas shows that the Bohai Sea has a highest peak response frequency(PRF) of 1.52 d-1; the northern Yellow Sea has a PRF of 1.69 d-1; the Gyeonggi Bay has a high amplitude gain plateau in the frequency band roughly from 1.7 to 2.7 d-1; the Yellow Sea(including the Gyeonggi Bay), the East China Sea shelf and the Taiwan Strait have a common high amplitude gain band with frequencies around 1.76 to 1.78 d-1 and are shown to be a system that responds to the open ocean forcing in favor of amplifying the waves with frequencies in this band; the Beibu Gulf, the Gulf of Thailand and the South China Sea deep basin have PRFs of 0.91, 1.01 and 0.98 d-1 respectively. In addition, the East China Sea has a Poincare mode PRF of 3.91 d-1. The PRFs of the Bohai Sea, the northern Yellow Sea, the Beibu Gulf and the South China Sea can be explained by a classical quarter(half for the Bohai Sea) wavelength resonance theory. The results show that further investigations are needed for the response dynamics of the Yellow Sea-East China Sea-Taiwan Strait system, the East China Sea Poincare mode, the Taiwan Strait, and the Gulf of Thailand.     

The model of tracing drift targets and its application in the South China Sea

A Leeway-Trace model was established for the traceability analysis of drifting objects at sea. The model was based on the Leeway model which is a Monte Carlo-based ensemble trajectory model, and a method of realistic traceability analysis was proposed in this study by using virtual spatiotemporal drift trajectory prediction. Here,measured data from a drifting buoy observation experiment in the northern South China Sea in April 2019,combined with surface current data obtained from the finite volu...     

南海环流的三维数值模拟

本文采用Backhaus的三维海流模式,运用半隐式及C-网格方法求解基本方程,对南海各季的平均海流流场进行了数值模拟。将模拟结果与已有的研究结果进行比较,其主要流系基本上是相符的,夏季表层基本上为一反气旋型环流;冬季则转变成气旋型;在冬季,从50m层起开始显露出“南海暖流”的存在。这些表明南海海流的某些主要特征基本上已经被此模型成功地再现出来,同时此模型又给出了垂直方向各层的海流情况,在目前尚缺乏深层实测海流资料的情况下,上述深层海流的模拟结果有一定参考意义。     

2015年6月南海北部陆坡气旋-反气旋涡对陆坡水文和环流影响的观测

利用2015年6月南海北部现场观测的水文数据,结合卫星高度计资料,分析了2015年6月13日—28日南海北部陆坡在气旋涡-反气旋涡的双涡结构影响下的水文和环流特征。结果表明,2015年6月南海北部陆坡调查海区表层50 m以浅盐度存在NE—SW向低盐区,表层盐度最小值低于32,这表明南海北部陆坡存在跨陆架海水输送。在观测期间,南海北部陆坡调查海区受气旋涡和反气旋涡双涡结构影响,使得南海北部陆坡表层100 m以浅存在跨陆坡流,流速最大值出现在两涡交汇区域。此外,通过潜标连续海流资料,发现南海北部陆坡环流呈现了“深入浅出”(100 m以深层为向岸的入侵、以浅层为离岸的出流)的“两层结构”。     

南海北部陆缘地热状态及其成因探讨

对收集、整理的462组大地热流和地温梯度数据进行统计分析,结果表明南海北部陆缘具有普遍偏高的大地热流和地温梯度,大地热流总体表现为由陆架向洋盆方向递增的趋势。海底热流资料经稳态温度场计算南海北部随深度变化的热流和温度分布,获取热居里面深度,与地磁资料反演的居里面深度进行对比,发现南海北部中、下陆坡磁居里面深度浅于热居里面深度,处于地热不平衡状态。通过对地壳结构、拉张因子、莫霍面埋深、断裂带及火山活动的综合分析,表明南海北部陆缘地热状态受控于地壳拉张减薄和莫霍面抬升的构造格局,裂后晚期局部岩浆活动对地热状态亦有影响。