有關(guān)東海黑潮多元資料同化綜述

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1、有關(guān)東海黑潮多元資料同化綜述13海洋1班周娟伶摘要資料同化口J理解為兩層基本含義：一是合理利用各種不同精度的非常規(guī)資料使其與常規(guī)觀測資料融合為有機(jī)的整體，為數(shù)值預(yù)報(bào)提供更好的初始場；二是綜合利用不同時(shí)次的觀測資料，將這些資料屮所包含的時(shí)間演變信息轉(zhuǎn)化為要素場的空間分布狀況。本文將用資料同化的具體方法處理黑潮和黑潮延伸體的觀測資料來展現(xiàn)資料同化方法的作用以及其優(yōu)點(diǎn)。不同的數(shù)據(jù)類型用不同的方法，并且通過改進(jìn)，可獲得與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)誤差相對小的結(jié)果。關(guān)鍵字資料同化；海洋觀測數(shù)據(jù)；資料同化實(shí)驗(yàn)；誤差分析資料同化(DataAssim

2、ilation，也叫數(shù)據(jù)同化)，初來源于為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)提供必要的初值，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為能夠冇效利用大量多源非常規(guī)資料的一種新穎技術(shù)手段，它不僅可以為海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模式提供初始場，還可以構(gòu)造海洋再分析資料集，為海洋觀測計(jì)劃和數(shù)值預(yù)報(bào)模式物理量及參數(shù)等捉供設(shè)計(jì)依據(jù)(李宏,許建平2011)。目前的資料同化方法根據(jù)其理論原理可分為兩類，一類是基于統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論的，如最優(yōu)插值、卡爾曼濾波(KalmanFilter,KF)、擴(kuò)展卡爾曼濾波(ExtendKaimanF訂ter,EKF)、集合卡爾曼濾波(EnKF)等；另外一類是基于優(yōu)控制的

3、(也有稱變分的)，如三維變分(3DimensionalVariation,3D-Var)、四維變分(4D-Var)等［1］。具體在海洋科學(xué)屮的應(yīng)用是根據(jù)一定的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)和方法，將不同時(shí)間、不同窄間、采用不同觀測手段獲得的觀測資料與數(shù)學(xué)模型有機(jī)結(jié)合，納入統(tǒng)一的分析與預(yù)報(bào)系統(tǒng)，使得數(shù)值預(yù)報(bào)模式不斷吸收消化觀測資料,建立模型與資料相互協(xié)調(diào)的優(yōu)化關(guān)系，使計(jì)算分析結(jié)果的誤差最小，從而模式狀態(tài)越來越接近真實(shí)大氣和海洋的過程［2］o目前，海洋衛(wèi)星的快速發(fā)展使得海洋觀測數(shù)據(jù)大幅增多，所捉供實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在海洋大尺度運(yùn)動和中尺度過

4、程等研究中得到了廣泛應(yīng)用?海面衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要包括海表面溫度(SST)和海表面高度(SSH)/海面高度異常(SM)等，曲于這些數(shù)據(jù)局限在海洋表面，無法直接反映三維海洋的狀況，而數(shù)據(jù)同化是連接觀測數(shù)據(jù)與數(shù)值模式的橋梁.大量研究表明觀測數(shù)據(jù)的同化能有效優(yōu)化海洋數(shù)值模式的三維海洋的模擬結(jié)果，同時(shí)也可為海洋和氣候的預(yù)測捉供合理的初始場(Ezer和Mellor,1994;Zhang和Rosati,2010;Yin等，2010,2012;Ratheesh等，2012)［3］。陳輝等人(2015)基于地球系統(tǒng)模式FTO-ESM的海洋衛(wèi)

5、星資料模式，設(shè)計(jì)了集合調(diào)整Kalman濾波(EAKF)同化方案并開展了海洋衛(wèi)星資料同化實(shí)驗(yàn).設(shè)計(jì)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)包括1組控制實(shí)驗(yàn)和4組同化實(shí)驗(yàn).控制實(shí)驗(yàn)由一組初始場各不相同的模式組成，將FIO-ESM模式積分1年;同化實(shí)驗(yàn)則在積分過程中不斷對海洋模式分量進(jìn)行海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)同化.前2組同化實(shí)驗(yàn)分別對衛(wèi)星海面高度異常(SM)和一衛(wèi)星海面溫度(SST)數(shù)據(jù)進(jìn)行同化，后2組實(shí)驗(yàn)中SLA和SST均加入同化，但兩種數(shù)據(jù)同化順序不同.為了檢驗(yàn)同化過程對氣候模式中海洋模擬的影響，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與再分析數(shù)據(jù)集EN3進(jìn)行了對比分析.與海洋模式不同，耦合

6、模式在海面的動量和熱量通量是由耦合過程實(shí)時(shí)計(jì)算得出，耦合模式中多變量之間的約朿關(guān)系更接近實(shí)際的物理過程.海洋衛(wèi)星資料EAKF同化整體顯著改善TF10-ESM中海洋模式分量的模擬結(jié)果，尤其在1000m以淺效果更為顯著?不同類型的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的同化效果在深度上有所不同，SST的改善效果在表層附近較大，而SLA則對次表層改善較大，且在深層SLA的改善大于SST.聯(lián)合SLA和SST同化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均比單獨(dú)同化一-類數(shù)據(jù)的效果更佳，但不同順序?qū)@2種數(shù)據(jù)進(jìn)行同化的差異不顯著。從該實(shí)驗(yàn)可以看出，同化的效果表明了同化系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性［4

7、］。王青等人（2011）將優(yōu)插值法與赤潮數(shù)值模型相結(jié)合，針對時(shí)空分辨率不統(tǒng)一的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及海洋常規(guī)調(diào)查數(shù)據(jù)，進(jìn)行了東海赤潮高發(fā)區(qū)海表溫度場及海表營養(yǎng)鹽濃度場的數(shù)據(jù)同化研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了該海區(qū)春季赤潮過程的數(shù)值模擬研究。數(shù)據(jù)同化結(jié)果顯示，優(yōu)插值數(shù)據(jù)同化方法不僅在一定程度上修正了海表溫度場模擬結(jié)果的誤差，尤具體現(xiàn)在對赤潮藻的生長影響較大的溫度區(qū)段18—20°C等值線的南移，而且較為明顯地優(yōu)化了研究海域海表營養(yǎng)鹽濃度場，使模擬結(jié)果更加接近觀測值。對比赤潮過程數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在未加同化情況下，海區(qū)赤潮藻并未形成大規(guī)模赤

8、潮，并且消散較快；而在加入同化后，研究海域交替出現(xiàn)了硅藻及甲藻的大范圍赤潮，赤潮生消過程與現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)分析結(jié)果較為一致。耦合了優(yōu)插值數(shù)據(jù)同化方法的赤潮數(shù)值模型，由于具有改進(jìn)海洋環(huán)境背景場的優(yōu)勢，因此可以在赤潮預(yù)報(bào)預(yù)警工作中得到較好應(yīng)用［5］。鄭沛楠等人（2014）基于同化再分析產(chǎn)品研究東屮國海海洋鋒季節(jié)變化特征。同化