南太平洋南极中层水的中尺度特征

The Argo float observations are used to investigate the mesoscale characteristics of the Antarctic Intermediate Water(AAIW) in the South Pacific in this paper. It is shown that a subsurface mesoscale phenomenon is probably touched by an Argo float during the float's ascent-descent cycles and is identified by the horizontal salinity gradient between the vertical temperature-salinity profiles. This shows that the transportation of the AAIW may be accompanied with the rich mesoscale characteristics. To derive the spatial length, time, and propagation characteristics of the mesoscale variability of the AAIW, the gridded temperature-salinity dataset ENACT/ENSEMBLE Version 3 constructed on the in-situ observations in the South Pacific since 2005 is used. The Empirical Mode Decomposition method is applied to decompose the isopycnal-averaged salinity anomaly from26.8 σθ–27.4 σθ, where the AAIW mainly resides, into the basin scale and two mesoscale modes. It is found that the first mesoscale mode with the length scale on the order of 1 000 km explains nearly 50% variability of the mesoscale characteristics of the AAIW. Its westward-propagation speeds are slower in the mid-latitude(around 1cm/s) and faster in the low latitude(around 6 cm/s), but with an increasing in the latitude band on 25°–30°S. The second mesoscale mode is of the length scale on the order of 500 km, explaining about 30% variability of the mesoscale characteristics of the AAIW. Its westward-propagation speed keeps nearly unchanged(around 0.5cm/s). These results presented the stronger turbulent motion of the subsurface ocean on the spatial scale, and also described the significant role of Argo program for the better understanding of the deep ocean.     

西北太平洋红外辐射计海表温度数据交叉比对分析

本文将西北太平洋海域作为研究区域,以2003—2009年的三个海表温度(sea surface temperature,SST)红外产品(AVHRR Pathfinder/NOAA,MODIS/Terra和MODIS/Aqua)为研究对象,分别与Argo浮标数据进行了真实性检验,同时红外产品之间也进行了交叉比对分析。通过评定产品间的差异及使用条件,为融合产品数据源选取和权重分配提供参考依据,用以提高融合产品的数据质量。结果表明,三种红外数据与Argo浮标的平均偏差在±0.2°C之间,均方根误差小于0.8°C,且存在明显的季节性变化,白天的平均偏差均是夏季为正、冬季为负,夜间的平均偏差基本均为负偏差,冬季比夏季的偏差更大,冬季的均方根误差较小;三种红外数据之间的平均偏差在±0.1°C之间,均方根误差小于0.6°C;三个红外产品在空间上均能反映西北太平洋海域的海表温度变化趋势,三个产品之间无明显优劣差异;尽管红外数据的空间覆盖率偏低,但是它提供了高精度和高特征分辨率的数据产品,并弥补了近岸海域缺乏观测数据的不足。     

Observations of Freshening in the Northwest Pacific Subtropical Gyre near Luzon Strait

Argo observations reveal that the salinity in the North Pacific subtropical gyre near Luzon Strait gradually declined by 0.2 (practical salinity scale used) from 2003 to 2007 over a depth range of 100 m to 200 m. Such freshening is also found in the outputs of the Estimating the Circulation and Climate of the Ocean (ECCO) model. The possible mechanisms for the freshening are investigated using the surface freshwater flux (E-P) data, the ECCO outputs and a salt budget equation for the upper ocean. Our analysis indicates that the magnitude of the salinity change caused by the surface freshwater flux anomaly is far smaller than observed, suggesting that the surface freshwater flux anomaly is not sufficient to account for the observed freshening. In fact, the salinity anomaly is closely linked to a pronounced freshening at the northeast corner of the study area from 2003 to 2007. The advection of salinity anomalies in the western North Pacific Ocean between 25°N and 35°N via a southwestward flow in the “C–shaped” region associated with the Kuroshio system is the main mechanism responsible for the observed freshening in the study area.

RÉSUMÉ?[Traduit par la rédaction] Les observations Argo révèlent que la salinité dans le gyre subtropical du Pacifique Nord près du détroit de Luçon a graduellement diminué de 0,2 (en utilisant l’échelle de salinité pratique) entre 2003 et 2007 dans un intervalle de profondeur de 100 à 200 m. Un adoucissement comparable s'observe aussi dans les sorties du modèle ECCO (Estimating the Circulation and Climate of the Ocean). Nous examinons les mécanismes pouvant expliquer l'adoucissement au moyen des données de flux d'eau douce en surface (E–P), des sorties de l'ECCO et de l’équation du bilan du sel pour la couche supérieure de l'océan. Notre analyse indique que l'ampleur du changement de salinité causé par l'anomalie de flux d'eau douce en surface est beaucoup plus petite que ce qui est observé, ce qui suggère que l'anomalie de flux d'eau douce en surface ne suffit pas à expliquer l'adoucissement observé. En fait, l'anomalie de salinité est étroitement liée à un adoucissement prononcé dans le coin nord-est de la zone à l’étude de 2003 à 2007. L'advection des anomalies de salinité dans l'ouest du Pacifique Nord entre 25°N et 35°N par un écoulement vers le sud-ouest dans la région en forme de « C » associée au système du Kuroshio est le principal mécanisme responsable de l'adoucissement observé dans la zone à l’étude.     

Assessing the Application of Argo Profiling Float Data to the Study of the Seasonal Variation of the Hydrological Parameters and the Current Field East of Luzon Strait

The seasonal characteristics of water masses, mixed-layer depth and the current field east of Luzon Strait are studied using Argo profiling float data. Based on data from March 2006 to November 2010, the temperature-salinity relation indicates that the seasonal variation of water masses is not obvious, except that the surface temperature is lower and the salinity is higher in spring and winter; the water masses in other layers change little. The seasonal variation of the mixed-layer depth, which is deepest at over 170 m in winter and shallowest at about 25 m in summer, is also discussed. Based on the P-vector method, multi-year seasonal mean Argo data and Levitus data are used to calculate the respective current fields. The surface geostrophic current derived from altimetric data is compared with those computed from Argo data and Levitus data. It is shown that, the current field computed from Argo data, which shows the Kuroshio and eddies clearly, is similar to that obtained from altimetric data, except that the current speed is less in the former case than in the latter one; this may be related to the scarcity and uneven distribution of Argo floats, the subsequent interpolation and extrapolation errors, the shortcomings of the P-vector method, the lack of a barotropic component in the calculation or the altimetry-derived current error associated with the marine geoid, but the resultant current field is much better than that obtained from Levitus data. Moreover, Argo data have an advantage in that they can be used to derive a three-dimensional current field, whereas the altimetric data can only be used to derive the surface current field. The seasonal variations in the vertical current structure and the Kuroshio transport east of Taiwan Island are also discussed; it is found that the thickness of the northward Kuroshio is about 700 m, and the seasonal zonal variation in the main axis of the Kuroshio is obvious.

RÉSUMÉ?[Traduit par la rédaction] Nous étudions les caractéristiques saisonnières des masses d'eau, la profondeur de la couche de mélange et le champ de courant à l'est du détroit de Luçon à l'aide des données des flotteurs profileurs Argo. D'après les données recueillies entre mars 2006 et novembre 2010, la relation température-salinité indique que la variation saisonnière des masses d'eau n'est pas évidente, sauf que la température de surface est plus basse et la salinité plus élevée au printemps et en hiver; les masses d'eau dans les autres couches changent peu. Nous discutons aussi de la variation saisonnière de la profondeur de la couche de mélange, qui est maximale à plus de 170 m en hiver et minimale à environ 25 m en été. En nous basant sur la méthode des vecteurs P, nous utilisons les données Argo et les données Levitus pluriannuelles de moyennes saisonnières pour calculer les champs de courant respectifs. Nous comparons le courant géostrophique de surface déduit des données altimétriques avec ceux calculés à l'aide des données Argo et des données Levitus. Il apparait que le champ de courant calculé d'après les données Argo, qui montre clairement le Kuroshio et les remous, est semblable à celui obtenu des données altimétriques, sauf que la vitesse du courant est moindre dans le premier cas que dans le dernier; cela peut être lié à la rareté et à la distribution inégale des flotteurs Argo, aux erreurs subséquentes d'interpolation et d'extrapolation, aux faiblesses de la méthode des vecteurs P, au manque d'une composante barotropique dans les calculs ou à l'erreur dans le courant déduit des données altimétriques associée au géoïde marin, mais le champ de courant résultant est bien meilleur que celui obtenu à l'aide des données Levitus. De plus, les données Argo présentent l'avantage de pouvoir être utilisées pour déduire un champ de courant tridimensionnel, alors que les données altimétriques ne permettent que de déduire le champ de courant de surface. Nous discutons aussi des variations saisonnières dans la structure verticale du courant et dans le transport par le Kuroshio à l'est de l’île de Taïwan; nous trouvons que la profondeur du Kuroshio circulant vers le nord est d'environ 700 m et la variation saisonnière zonale dans l'axe principal du Kuroshio est évidente.     

A Time-Averaged Covariance Method in the EnKF for Argo Data Assimilation

In the ensemble Kalman filter (EnKF), ensemble size is one of the key factors that significantly affects the performance of a data assimilation system. A relatively small ensemble size often must be chosen because of the limitations of computational resources, which often biases the estimation of the background error covariance matrix. This is an issue of particular concern in Argo data assimilation, where the most complex state-of-the-art models are often used. In this study, we propose a time-averaged covariance method to estimate the background error covariance matrix. This method assumes that the statistical properties of the background errors do not change significantly at neighbouring analysis steps during a short time window, allowing the ensembles generated at previous steps to be used in present steps. As such, a joint ensemble matrix combining ensembles of previous and present steps can be constructed to form a larger ensemble for estimating the background error covariance. This method can enlarge the ensemble size without increasing the number of model integrations, and this method is equivalent to estimating the background error covariance matrix using the mean ensemble covariance averaged over several assimilation steps. We apply this method to the assimilation of Argo and altimetry datasets with an oceanic general circulation model.

Experiments show that the use of this time-averaged covariance can improve the performance of the EnKF by reducing the root mean square error (RMSE) and improving the estimation of error covariance structure as well as the relationship between ensemble spread and RMSE.

RÉSUMÉ [Traduit par la rédaction] Dans le filtre de Kalman d'ensemble (EnKF), la taille de l'ensemble est l'un des facteurs clés qui ont une influence importante sur la performance d'un système d'assimilation de données. Il faut souvent choisir une taille d'ensemble assez petite à cause des limites des ressources informatiques, ce qui biaise souvent l'estimation de la matrice de covariance de l'erreur de fond. Cette question revêt une importance particulière pour l'assimilation des données Argo, qui fait souvent appel à des modèles de pointe très complexes. Dans cette étude, nous proposons une méthode de covariance moyennée dans le temps pour estimer la matrice de covariance de l'erreur de fond. Cette méthode suppose que les propriétés statistiques des erreurs de fond ne changent pas de façon importante d'une étape d'analyse à la suivante durant un court laps de temps, ce qui permet d'utiliser dans les étapes courantes les ensembles générés aux étapes précédentes. Ainsi, on peut construire une matrice d'ensembles conjoints combinant les ensembles des étapes précédentes et courantes pour former un plus grand ensemble dans le but d'estimer la covariance de l'erreur de fond. Cette méthode peut accroître la taille de l'ensemble sans augmenter le nombre d'intégrations du modèle; elle équivaut à estimer la matrice de covariance de l'erreur de fond en utilisant la covariance moyenne de l'ensemble calculée sur plusieurs étapes d'assimilation. Nous appliquons cette méthode à l'assimilation des ensembles de données Argo et d'altimétrie avec un modèle de circulation océanique générale.

Des essais montrent que l'emploi de cette covariance moyennée dans le temps peut améliorer la performance de l'EnKF en réduisant l’écart-type et en améliorant l'estimation de la structure de la covariance de l'erreur de même que la relation entre l'étalement et l'écart-type l'ensemble.     

Current Observations of Internal Tides and Parametric Subharmonic Instability in Luzon Strait

Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) measurements of the velocity structure in the thermocline in Luzon Strait are presented. The statistics for current, vertical variation of the inertia-gravity waveband, parametric subharmonic instability (PSI), and current shear are analyzed. It was found that 1) barotropic flow primarily consists of a nearly circular mixed tide. Diurnal tides are strongest and show smooth variance with a fortnightly spring-neap cycle, indicative of the astronomical tide-generating force. However, the semi-diurnal band power exhibits a high-frequency oscillation as a result of non-linear interactions. The high-frequency band power with high values during the spring tide oscillates with the tidal cycle. Near-inertial wave motions showing random variance may be caused by changes in the wind forcing at the sea surface or by random forcing. 2) Baroclinic velocities exhibit strong shear structure. The observed large changes in the amplitude of the baroclinic velocity and the limited vertical extent of the high-velocity cores may be interpreted as internal wave beams that pass through the observed water column. Semi-diurnal tides are dominant in the baroclinic velocity. Kinetic energy spectra also revealed that additional peaks were centred at sum-tidal-inertial interaction frequencies (such as M₂ ?+?f) and difference-interaction frequencies (such as M₂ ???f). The spectral exponent of the baroclinic velocity is ω^?α (1?<?α?<?3). 3) Strong non-linear interactions among internal waves exist, and the semi-diurnal (M₂) component plays a key role in these interactions. Bicoherence analysis showed that M₂/2 waves were non-linearly coupled with the dominant M ₂ internal tide. 4) The polarization relations were used to diagnose observational internal tidal motions. Diurnal waves propagate to the east-northeast, and the semi-diurnal–diurnal waves propagate westward. In the case of diurnal tides, the minor to major axis ratio is different from the expected value of f/ω_{K 1} because of the deviation of inclinations, whereas, for semi-diurnal tides, it is close to the expected value of f/ω _M2 at depths from 30 to 150 m.

RÉSUMÉ?[Traduit par la rédaction] Nous présentons les mesures de la structure des vitesses dans la thermocline faites par profileur de courant à effet Doppler (ADCP) dans le détroit de Luçon. Nous analysons les statistiques sur le courant, la variation verticale de la gamme d'ondes d'inertie-gravité, l'instabilité subharmonique paramétrique (PSI) et le cisaillement du courant. Il ressort que 1) l’écoulement barotrope consiste principalement en une marée mixte presque circulaire. Les marées diurnes sont les plus fortes et présentent une variance régulière dans un cycle vives-eaux mortes-eaux de deux semaines qui révèle la nature astronomique de la force qui produit les marées. Cependant, la puissance de bande semi-diurne affiche une oscillation de haute fréquence causée par des interactions non linéaires. La puissance de bande de haute fréquence avec des valeurs élevées durant les vives-eaux oscille avec le cycle des marées. Les mouvements des ondes quasi inertielles affichant une variance aléatoire peuvent être dus à des variations dans le forçage par le vent à la surface de la mer ou à un forçage aléatoire. 2) Les vitesses baroclines exhibent une structure fortement cisaillée. Les changements marqués observés dans l'amplitude des vitesses baroclines et l'extension verticale limitée des c?urs de vitesse élevée peuvent être interprétés comme des faisceaux d'ondes internes qui traversent la colonne d'eau observée. Les marées semi-diurnes sont dominantes dans les vitesses baroclines. Les spectres d’énergie cinétique ont aussi révélé que des crêtes additionnelles étaient centrées aux fréquences d'interaction cumulative marée-inertie (comme à M₂ ?+?f) et aux fréquences d'interaction différentielle (comme à M₂ ???f). L'exposant spectral de la vitesse barocline est ω^?α (1?<?α?<?3). 3) Il existe de fortes interactions non linéaires entre les ondes internes et la semi-diurne (M₂) joue un rôle clé dans ces interactions. L'analyse de bicohérence a montré que les ondes M₂/2 étaient non-linéairement couplées avec la marée interne dominante M₂ . 4) Nous avons utilisé les relations de polarisation pour diagnostiquer les mouvements de marée internes déduits des observations. Les ondes diurnes se propagent vers l'est-nord-est et les ondes semi-diurnes se propagent vers l'ouest. Dans le cas des marées diurnes, le rapport de l'axe secondaire à l'axe principal diffère de la valeur attendue (f/ω_{K 1} ) à cause de l’écart des inclinaisons alors que pour les marées semi-diurnes, il est proche de la valeur attendue (f/ω _M2 ) à des profondeurs de 30 à 150 m.     

Typical Surface Seasonal Circulation in the Indian Ocean Derived from Argos Floats

This study investigates the surface circulation in the Indian Ocean using Argos float data over the period 1979-2011.The Argos observations manifest some new phenomena.The climatological annual mean circulation shows that the surface current becomes much stronger after turning around in shore in the western Indian Ocean.In the tropical Indian Ocean,the Great Whirl(GW) to the east of Somalia develops quickly in spring(April-May) as the monsoon reverses to move northward,becoming strongest in summer(June-September) and disappearing in autumn(October-November).The west end of the Agulhas retroflection can reach 18°E,and it exhibits a seasonal variation.At approximately 90°E,the Agulhas Return Current combines with the eastward South Atlantic Current and finally joins the Antarctic Circumpolar Current.     

The Impact of “Bad” Argo Profiles on Ocean Data Assimilation

Recent studies have found cold biases in a fraction of Argo profiles (hereinafter referred to as bad Array for Real-time Geostrophic Oceanography (Argo) profiles) due to the pressure drifts during 2003 and 2006. These bad Argo profiles have had an important impact on in situ observation-based global ocean heat content estimates. This study investigated the impact of bad Argo profiles on ocean data assimilation results that were based on observations from diverse ocean observation systems, such as in situ profiles (e.g., Argo, expendable bathythermograph (XBT), and Tropical Atmosphere Ocean (TAO), remote-sensing sea surface temperature products and satellite altimetry between 2004 and 2006. Results from this work show that the upper ocean heat content analysis is vulnerable to bad Argo profiles and demonstrate a cooling trend in the studied period despite the multiple independent data types that were assimilated. When the bad Argo profiles were excluded from the assimilation, the decreased heat content disappeared and a warming occurred. Combination of satellite altimetry and mass variation data from gravity satellite demonstrated an increase, which agrees well with the increased heat content. Additionally, when an additional Argo profile quality control procedure was utilized that simply removed the profiles that presented static unstable water columns, the results were very similar to those obtained when the bad Argo profiles were excluded from the assimilation. This indicates that an ocean data assimilation that uses multiple data sources with improved quality control could be less vulnerable to a major observation system failure, such as a bad Argo event.     

全球实时海洋观测网(Argo)与上层海洋结构、变异及预测研究

围绕国家重点基础研究发展计划项目“基于全球实时海洋观测计划(Argo)的上层海洋结构、变异及预测研究”,首先介绍Argo这一新型全球海洋观测网给海洋和大气科学带来的发展机遇以及我们面临的挑战,接着阐述项目重点研究区域西北太平洋和热带印度洋—太平洋的国内外进展,最后给出了项目的关键科学问题和主要研究内容。     

Seasonal variations of the upper ocean in the western north pacific observed by an argo float

A seasonal evolution of surface mixed layer in the western North Pacific around 24°N between 143°E and 150°E was observed by using an Argo float for more than 9 months, from December 2001 through August 2002. The result showed that the mixed layer deepened gradually in the first two months. It reached its maximum depth of about 130 m at the end of January, after which the mixed layer varied largely and sometimes the pycnocline below the mixed layer was much weakened until the summer mixed layer formed in late April. The thin surface mixed layer was maintained during the rest of the observation period. Heat budget analysis suggests that the vertical and horizontal temperature advections are the two most dominant terms in the heat balance in the upper layer on time scales from a few days to a month. The vertical motions that are possibly responsible for the vertical temperature advection are discussed.