人工神经网络在南海近海面气温反演中的应用研究

基于人工神经网络方法,利用海面水温、海面风速以及海面气压反演南海近海面气温,采用的基础数据集是国际综合海洋-大气数据集(International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set,2.4 Release,ICOADS2.4)1981—2008年的观测资料,其中1981—2000年的观测资料用来建立模型,2001—2008年的观测资料用来进行模型检验。采用的人工神经网络方法是引入动量因子并采用批处理梯度下降法的BP(Back propagation)算法。试验结果表明,基于人工神经网络建立的近海面气温反演方法明显优于多元线性回归方法,尤其是在春季和冬季,海面水温、海面风速以及海面气压与近海面气温之间存在较强的非线性关系,人工神经网络的优势更加明显。总体而言,人工神经网络在各月的反演效果较均衡,均方根误差介于1.5—1.8℃之间,平均绝对误差为1.1—1.3℃。     

利用卫星观测海面信息反演三维温度场

基于历史观测的温盐剖面资料,采用回归分析方法统计出海面温度异常、海面动力高度异常与温度剖面异常之间的相关关系;然后利用高分辨率的卫星遥感海表面温度(SST)和卫星观测海面高度(SSH)信息重构了三维海洋温度场。在台湾岛周边海域建立了时间分辨率为天、空间分辨率为0.25°×0.25°的三维温度分析场。通过与实测资料的比较分析,文章所构建的分析场能够较好地描述海洋三维温度场的结构特征,能够较为真实地反映海洋的中尺度变化过程。该分析场可以作为海洋数值模式的初始场,也可以作为伪观测同化到海洋数值再分析和预报系统中,进而改善三维温、盐、流的数值再分析和预报。     

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.     

海洋水温垂直分布数据同化方法研究

以一维海洋水温模型为例,利用伴随法进行海洋观测数据同化试验,以便为水温的数值预报提供较准确的初始场.文中利用泛函的Gâteaux微分和Hilbert空间上伴随算子的概念讨论了连续的伴随模型的建立,并通过选择适当的差分格式离散伴随模型,使其保持连续时的伴随关系,同时给出了水温初始场最优化过程及相应的同化试验数值结果.     

利用伴随法优化非线性潮汐模型的开边界条件Ⅱ.黄海、东海潮汐资料的同化试验

本研究基于最优控制理论,采用变分数据同化法,通过建立伴随模型,把观测资料同化到陆架海域潮汐数值模型中去,优化开边界条件,以便提高数值预报的精度.潮汐模型的控制方程为考虑平流项、非线性底摩擦和侧向涡动粘性项的非线性浅水方程组.在第Ⅰ部分建立伴随模型和进行“孪生”数值试验的基础上,给出利用验潮站的水位资料以及TOPEX/Poseidon卫星测高数据在黄海、东海进行变分数据同化试验的数值结果.试验表明利用上述资料对模型进行变分同化校正是可行的.     

用TOPEX/Poseidon资料研究南海潮汐和海面高度季节变化

采用引入差比关系法对南海TOPEX/Poseidon卫星高度计算资料进行了潮汐分析；根据所得潮汐调和常数对卫星高度计测得的海面高度进行潮汐订证，进而得到南海各季节的海面高度距平。结果表明，南海冬、夏季季风强盛期海面高度距平位相相反，南海中部夏季为正距平，且有2个正距平中心；冬季为负距平，且有2个负距平中心。春、秋季是不同的季风过渡期，海面高度距平分布也明显不同：南海中部春季为正距平，且只有1个正距平中心；秋季为负距平，且只有1个负距平中心。研究表明，长周期分潮Sa和Saa的叠加值可以很好地逼近南海海面高度距平。根据平均海面和海面高度距平得到了合成的海面高度和地转流场，发现南海表层地转流总体上是气旋式的；秋、冬季表层环流的西向强化十分明显，春、夏季较弱；冬季黑潮通过吕宋海峡进入南海北部，夏季基本上没有进入南海。     

海洋三维温盐流数值模拟研究的有关进展和问题

就海洋三维温盐流数值模拟使用的海洋模式和数据同化方法、在中尺度数值预报和再分析中的应用,以及所需支撑条件三方面,简述了国内外研究有关进展和问题。表述了开展大范围分辨中尺度乃至次中尺度涡的高分辨率海洋三维温盐流数值模拟正在研究的有关问题,扼要说明提供相匹配的高性能计算机模拟平台的必要性。初步探讨制约该研究快速发展的有关问题。     

台风期间海洋飞沫对海气湍通量的影响研究

本文以2006年9月日本以南海域的台风YAGI为例,应用黑潮延伸体附近的KEO浮标观测资料,并结合卫星遥感等融合资料,分析海洋飞沫在台风不同发展阶段对海气界面间热量通量和动量通量的影响。首先,定量地分析台风期间海洋飞沫对海气热通量的影响。结果表明,在台风YAGI过境期间,海洋飞沫能够显著地加剧海气界面间的热量交换,尤其是潜热交换。海洋飞沫增加的热通量随着风速的增强而增大,随着波龄的增大而减小。随后,通过动量分析表明,在台风YAGI过境期间,海洋飞沫显著地增强了由大气向海洋的动量转移。当风速达到台风量级后,考虑海洋飞沫所增加的动量通量与界面动量通量大小相当,同时,在此风速条件下,海洋飞沫在海气界面形成极限饱和悬浮层,抑制风到海表面的动量转移,导致海气界面间总的动量通量的增长率随之减小。     

基于CORA资料的中国海海表面温度季节和年际变化特征分析

基于1986-2008年的中国近海及邻近海域再分析产品(CORA),采用经验正交函数分解方法(EOF)分析了海表面温度(SST)的季节及年际变化特征,并用相应的SODA、AVHRR以及Levitus资料对CORA做了对比评估。相比于AVHRR而言,CORA资料SST的偏差和均方根误差均小于SODA,相比Levitus资料而言CORA资料温度盐度的均方根误差随深度的变化皆小于SODA。 CORA与SODA资料相比,两者前3个模态的时空分布大体一致,区别在于CORA资料能更好地反映参量的一些细微特征。结果表明,CORA资料能很好的刻画中国近海SST的季节、年际变化特征,尤其是黑潮流经区域SST的局地变化特征。季节EOF第二模态显示的是SST对由风引起的潜热释放的响应特征。第三模态刻画了冬夏转换季的分布特征,主要揭示了东北-西南走向的锋面特征。SST年际变化与ENSO密切相关,区域平均的南海SSTA与Nino指数的吻合程度CORA优于SODA。     

全球Stokes 漂流的时空分布特征研究

利用海浪模式WWIII(Wave Watch III)2008年的模拟结果对海面Stokes漂流、Stokes输运、Stokes深度以及全球Langmuir数的年平均分布特征和季节平均分布特征分别进行了详细的研究与分析。结果表明,海面Stokes漂流和Stokes输运均呈现高纬度偏大的特征,以南极绕极流海域最为突出。全球大部分海域Stokes漂流影响深度在20 m以内,呈现大洋东部偏大,西部偏小的分布特征。全球大部分海域的混合作用是剪切不稳定性和Langmuir湍效应并存的状态,甚至有些海域是以Langmuir湍效应为主。因此,在进行大尺度的海洋数值模拟时,应该考虑波浪导致的混合效应。