海洋表層-次表層反演與重構(gòu)方法概述.pdf

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1、海洋表層一次表層反演與重構(gòu)方法概述閆恒乾1，洪梅p，張韌1，郭曉明27陳建3，王公杰1，鮑森亮1(1．解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院南京市211101；2．國家海洋技術(shù)中心漳州基地籌建辦公室北京市100081；3．應(yīng)用氣象研究所北京市100029)摘要：飛速發(fā)展的衛(wèi)星遙感技術(shù)為海洋學(xué)研究提供了具有較高時空分辨率的表層資料，而海洋表層信息實際上反映了海洋內(nèi)部狀態(tài)。此研究總結(jié)了海洋表層一次表層反演與重構(gòu)方法，將其歸類為模式同化方法、統(tǒng)計重構(gòu)方法以及表面強迫準地轉(zhuǎn)(SQG，SurfaceQuasi—Geostmphic)方法，并對其各自的優(yōu)缺點進行了論述，旨在為海洋信息反演

2、與資料同化和融合工作提供一定的參考。關(guān)鍵詞：海洋資料；表層一次表層反演與重構(gòu)；海洋信息反演觀測資料對于物理海洋學(xué)研究的重要性不言而喻，任何現(xiàn)象的研究都必須利用準確的資料，任何方法的驗證也都必須依靠準確的研究。海洋科學(xué)的發(fā)展總體落后于氣象科學(xué)，其中一個重要的原因就是海洋資料較為匱乏。在氣象學(xué)的研究中，地面自動站等地基觀測系統(tǒng)很容易獲取到連續(xù)的資料，氣象資料無論是在數(shù)量上還是在分辨率上都遠大于海洋資料。由于海洋科學(xué)的發(fā)展很大程度上受制于資料的數(shù)量與質(zhì)量，海洋資料的獲取與處理是海洋科學(xué)中的基礎(chǔ)工作。目前，海洋實測資料的主要來源于3類觀測方式：科學(xué)考察船調(diào)查，浮標(含潛標

3、)觀測以及遙感觀測?？茖W(xué)考察船所獲得的資料可信度高，然而其測得的大面或斷面資料事實上是非同時資料，且海洋調(diào)查的代價過于昂貴，因此海調(diào)資料數(shù)量很少、極其珍貴。浮標(或潛標)觀測不受天氣條件的影響，可以獲得海洋三維溫鹽密等結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的Argo浮標資料已經(jīng)實現(xiàn)了3?！?。的設(shè)計精度(如中國Argo數(shù)據(jù)中心提供的G—Argo溫鹽數(shù)據(jù))，但是由于Argo浮標的下潛周期為大約10d，現(xiàn)有資料的時間分辨率最多能夠達到一周。遙感觀測能夠?qū)崟r、大范圍監(jiān)測海洋表層包括風(fēng)、浪、流、溫度、鹽度、水色以及與海洋生態(tài)有關(guān)的葉綠素濃度等要素的變化。海洋遙感數(shù)據(jù)可達到0．250×0．250的空間

4、分辨率，海表面溫度(SST，SeaSurfaceTemperature)、海表面高度(SSHA，SeaSurfaceHeightAnomaly)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)得到長時間使用，其時間分辨率已由最初的逐周發(fā)展到逐日。隨著2009年和2011年歐洲的土壤濕度和海洋鹽度衛(wèi)星(SMOS，SoilMoistureandOceanSalinity)和美國的寶瓶座鹽度衛(wèi)星(Aquarius／SAC—D)相繼發(fā)射，海表面鹽度(SSS，SeaSurfaceSalinity)數(shù)據(jù)正式投入使用，其資料的時間分辨率逐漸向逐三天發(fā)展。由于衛(wèi)星資料具有較好的時空分辨率以及連續(xù)性，其在海洋研究中

5、利用十分廣泛。收稿13期：2016—08—27基金項目：江蘇省自然科學(xué)基金(BK20161464)和國家自然科學(xué)基金(141375002；41276088)資助。然而，由于海洋內(nèi)部電磁波衰減很快，衛(wèi)星資料無法獲取海洋內(nèi)部的要素結(jié)構(gòu)，利用海表信息反演和重構(gòu)次表層信息成為了一項重要工作。該類工作主要是結(jié)合海表的衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及海洋內(nèi)部的剖面數(shù)據(jù)，利用數(shù)值模式或統(tǒng)計方法等手段，實現(xiàn)由海表信號反演出次表層信號，并重構(gòu)出一套三維溫鹽場。由于海表一次表層反演具有不適定性，即不同的要素剖面可能對應(yīng)同樣的表層信息，該類工作具有較大的難度?，F(xiàn)有研究中，海洋表層一次表層反演與重構(gòu)方法主要

6、有模式同化方法、統(tǒng)計重構(gòu)方法以及表面強迫準地轉(zhuǎn)(SQG)方法3類。本文對3種方法的基本原理加以描述，并對其各自的優(yōu)缺點進行了論述，旨在為從事相關(guān)研究的人員提供一定的參考。1模式同化方法1．1研究進展數(shù)值模式作為制約海洋運動的基本方程組，在物理海洋學(xué)的研究中不可或缺。將不同時空分辨率、不同垂直分層、不同時空分布、不同精度的不同資料通過數(shù)值模式進行融合，就是所謂的資料同化。資料同化的技術(shù)手段由最初的Nudg-ing算法和Cressman連續(xù)訂正算法，到最優(yōu)插值算法(OI，OptimalInterpolation)和后來的三維四維變分(3DVAR，4DVAR)，以及集合

7、卡曼濾波(EnKF)，發(fā)展到現(xiàn)在的集合最優(yōu)插值(EnOI)和集合三維或四維變分(En一3DVAR，En一4DVAR)，已經(jīng)能夠充分考慮背景場的流依賴性等問題，同化效果也越來越好。海面資料是無法直接同化到模式中的，因為模式中各個變量之間相互制約，表層的信息會在模式運轉(zhuǎn)中很快耗散掉。以海表面高度為例，Huributrill早在1986年就將SSHA同化人理想試驗中，并取得了成功。然而Haineseta1．121的同化結(jié)果表明，在模式的調(diào)整位相，海表的壓力信號會迅速耗散掉。事實上，SSHA由海水密度場決定，如果只輸入表層密度，海水密度場造成的壓強梯度力會迅速將SSHA的

8、影響抵消。