变分伴随数据同化在海表面温度预报中的应用研究

将变分伴随数据同化技术应用于海表面温度 (SST)数值预报 .采用中国近海海表面温度短期数值预报模式 ,将船舶测报海表面温度同化到该模型中 ,对SST初始场进行优化 .文中给出了中国近海SST数值预报同化模型 5d试报结果与观测值的比较 ,整个区域的均绝差由同化前的 2 .71℃降至 0 .87℃ ,即变分伴随数据同化对改进SST数值预报的效果是比较明显的 。

太平洋水位站相对海平面升降趋势分析

根据笔者对太平洋２３６个站月平均水位周期成分的分析结果，用周期成分加线性趋势项拟合月平均水位序列．这些站的线性趋势项统计结果表明，若不计海平面的异常升降值，太平洋相对海平面平均上升率为１．１６ｍｍ／ａ．由于陆地沉降不一致等影响，使太平洋相对海平面的升降区域性变化较大．按线性趋势项的正负及海区的地理位置，对包括中国近海、东南亚近海在内的太平洋海平面的升降进行了区别，求出各海区的平均升降率．所得整个太平洋、北美西海岸、南美北部和中部近海、热带太平洋大部及日本群岛近海相对海平面的升降趋势与有关文献的结果基本一致．本文对东亚近海相对海平面的区域平均估计结果是上升的，而Ｂａｒｎｅｔｔ的估计结果趋于下降；

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。

月平均水位周期信号的谱分析和检验方法研究

本文概述了月平均水位周期分析的常用方法、存在的问题及其原因；指出合理地选择信号的周期，是分析月平均水位周期信号和趋势预测的关键。由于这种序列往往存在多个周期信号，它们之间存在非线性效应。为了克服由于边瓣的影响和非线性效应而引入的伪周期和相位显著相关的周期，及其对其他周期信号的抑制，可在二阶谱分析的基础上，对序列反复进行最大熵谱估计、周期显著性检验，并用最小二乘滤波法滤掉最显著的周期成分，即采用混合谱显著周期分析法，依次选取接近实际的信号周期。文中给出了月平均水位二阶谱分析、混合谱信号周期分析以及周期成分加线性趋势项的参数拟合实例。

最大熵谱分析中的置信区间估计和显著性周期检验方法

最大熵谱对隐含周期振动具有较高的分辨力,因而被广泛用来研究海洋时间序列的周期变化特征。在应用最大熵谱时,一般只作定性比较分析,并不给出估计的置信区间和显著周期的统计学检验结果。本文根据 Kro mer(1970)关于最大熵谱估计的期望、方差和自由度的论述,探讨了最大熵谱的置信区间估计扣谱峰的显著性检验方法。

东亚沿岸近期相对海平面的升降趋势

根据东亚沿岸４５个水位观测站的长序列水位资料，用不同的计算区域平均海平面升降的方法，估计了该区海平面升降趋势。结果表明，从本世纪５０年代初至９０年代初，整个海区平均而言海平面呈上升趋势。海平面升降的区域性变化较大：中国沿岸除山东半岛外，其他海区平均是上升的，在日本群岛南部和朝鲜半岛南部沿岸，由几种方法得出的结果多数是上升的，但上升幅度很小。本文对东亚沿岸海平面升降的估计结果与Ｂａｒｎｅｔｔ的相应估计差别较大，其主要原因是Ｂａｒｎｅｔｔ选站较少，且选的站集中在该区南北两端，中间部分无资料；估计方法虽有影响，但属次要的。

太平洋月平均水位周期变化和线性升降趋势

本文分析了太平洋236个水位站的月平均序列,对其中大于45a的序列进行二阶谱和二阶凝聚谱分析,表明这些序列中有的周期成分相位相关性显著.因此采用考虑非线性效应的混合谱分析方法,重复进行谱分析及周期检验和最小二乘滤波、逐次检验并滤掉最显著的周期分量,求得序列中的显著周期.结果表明水位序列的振动周期因站而异,并非固定不变.讨论了准2a大气振动周期、与厄尔尼诺(EI Ni(?)o)事件相关的3～7a周期、太阳黑子、双太阳黑子和25～30a超长振动周期的存在.用显著周期分量加线性趋势项拟合月平均水位序列,结果中国沿海年周期迟角南北分布趋势与太平洋大部分海区的分布趋势几乎相反.在EI Ni(?)o事件影响较大的低纬区,2～7a内各种周期振幅之和与年振幅之比量值>1.0,周期大于8a的振幅之和与年振幅之比量值>0.5,这表明该区月平均水位序列中年振动的主导作用下降,与此对应存在显著的EI Ni(?)o事件周期成分,及准10a和10a以上的长周期振动.若不计海平面异常升降值,太平洋相对海平面平均上升率为1.16mm/a.按线性趋势项的正负及海区的地理位置,对东南亚包括中国沿海在内的太平洋海平面的升降进行了区划,分析了各海区海平面的升降趋势,由于各种因素的影响其结果变化较大.

太平洋几种海面要素的升降趋势及其对海平面上升的影响

对ＣＯＡＤＳ资料中１９５０－１９９２年太平洋４°×８°方区的海水表层温度及海面气温、气压、风速序列数据，进行了时间序列分析。分析结果表明：太平洋海表气温和水温年上升率分别为０．００６３℃·ａ（－１）和０．００２６℃·ａ（－１）。两者的变化趋势在赤道太平洋都有一个年上升率高值区；而在东海以北的西北太平洋广大海区，都有一个年下降率的低值区。西太平洋海面气压呈上升趋势，东太平洋则相反。气温和水温的升降区域分布特征与风速分量增强和减弱的变化趋势有关。文章还指出，中国和日本沿岸今后几十年海平面变化趋势的预测模式，应以太平洋或全球海平面上升趋势的预测为基础，加上本海区海平面的局地变化订正。

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 .

利用TOPEX/Poseidon卫星高度计资料提取黄海、东海潮汐信息的研究

为了更好地利用卫星测高数据分析黄海和东海的潮汐特性 ,对 1 993— 1 999年期间的TOPEX/Poseidon测高数据进行了质量控制和共线平差处理。在此基础上 ,在黄海、东海选取了 1 738个测高点 ,用最小二乘拟合法计算出 1 2个分潮的调和常数。计算得出的M2 和m1分潮的调和常数 ,在交叉点评估的内符精度振幅分别为 2 4cm和 0 8cm ,迟角分别为 2 3°和2 5°。测高点与附近验潮站的这两个分潮结果相比 ,振幅的均方根误差小于 4cm ,而迟角相差较大。这可能与验潮站的地理环境因素有关。用卫星测高数据算得的调和常数绘制的主要分潮特性图与现有常规观测得到的相应图进行了比较 ,在外海深水区两者符合较好 ;近岸由于卫星测高误差较大 ,所以两者符合差。

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。

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正,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Ssa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。

引入差比关系法分析西北太平洋TOPEX/POSEIDON卫星高度计测高数据

TOPEX/POSEIDON(T/P)卫星高度计数据信息中存在周期成分混淆问题 .对其中的一类混淆引入差比关系方法对混淆的分潮进行分离 .卫星轨道交叉点资料包括升轨和降轨资料 ,资料量比沿轨点资料多 1倍 ,经分析发现 :在已有为期 6a多的观测资料时间序列中 ,在沿轨处混淆的分潮如K1和SSA在交叉点处不再混淆 ,可以直接分离 .因此首先对交叉点资料进行调和分析 .然后由交叉点的分析结果得到分潮间的差比关系 ,处理到相近的沿轨点处 ,从而得到沿轨点的调和常数 .用引入差比关系方法 ,对西北太平洋海区 6a多的T/P卫星高度计资料进行了潮汐分析 ,并与沿岸及岛屿验潮站资料进行了比较 ,所得结果较满意 .

利用卫星测高技术监测海平面变化

利用 1 993～ 1 999年期间的 T/ P测高数据计算了东中国海 1 1个潮汐调和常数值 ,其振幅精度优于± 4cm;利用 Topex卫星测高数据 ,以优于± 7cm的精度监测了 1 997年太平洋的厄尔尼诺过程 ;利用 T/ P数据分析了全球和中国海海平面季节性变化 ,全球海平面季节变化趋势是第一、四季度上升 ,第二、三季度下降 ;而中国海则相反 ,第一、四季度下降 ,第二。

台湾以东黑潮锋时空分布及形成机制研究

海洋锋是重要的海洋现象,具有重要的研究意义。尽管台湾以东与黑潮之间表层无明显的锋区,但在水下却常年存在较强的海洋锋,这一现象的研究至今尚少见,本研究采用再分析手段,系统分析了温度锋时空变化规律及其形成变化机制。

台湾以东黑潮锋的中尺度过程研究

采用海洋再分析结果,研究了海洋涡旋和锋面波动对台湾以东黑潮锋的影响,结果表明,Rossby波第一斜压模态形成的冷涡（暖涡）,减弱（增强）台湾以东黑潮温度锋强度,减小（加大）锋的宽度。在再分析结果中,捕获到1991年1-2月台湾以东的一次黑潮锋面波动。锋面波动的波槽（波脊）到达时,该温度锋强度减弱（增强）,宽度和厚度减小（增大）。对前人的与线性基态方程相对应的锋面波动扰动态能量诊断方程进行了拓展,推导出与非线性基态方程相对应的扰动态能量诊断方程。之后,使用上述扰动态能量诊断方程,初步分析了该锋面波动的能量来源,发现正压不稳定的贡献与斜压不稳定的贡献比K-H不稳定大1~2个数量级,而斜压不稳定的贡献约为正压不稳定的5倍,因此该锋面波动基本上由斜压不稳定性提供能量。

关于二阶伴随模型的理论研究

Ｈｅｓｓｅ矩阵－目标函数关于控制变量的二阶偏导数形成的矩阵，在变分数据同化过程中以及敏感性分析等方面起着重要的作用；它可以通过建立数学模型的一阶和二阶伴随模型求得．以浅水方程模型为例，利用泛函的Ｇａｔｅａｕｘ微分和Ｈｉｌｂｅｒｔ空间上伴随算子的概念，导出了一阶和二阶伴随模型并由此得到Ｈｅｓｓｅ矩阵．改进了 Ｚｈｉ Ｗａｎｇ等（ １９９２）建立的二阶伴随模型理论．

数据同化在海洋数值产品制作及预报中的应用研究

讨论了海洋中数据同化的目的、意义、各种数据同化方法、国内外发展现状及其在海洋数值产品制作及预报中的应用.文中还介绍了数据同化方法中的客观分析法和伴随法的原理,结合海洋中的实际问题进行了数据同化试验,给出了相应的同化试验结果,并讨论了二阶伴随理论.

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Gateaux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．

海水温度垂直分布预报数据同化的离散伴随算子法

以一维水温模型为例 ,利用伴随算子法进行海洋观测数据同化 ,以便给水温的数值预报提供一个较准确的初始场。讨论了离散伴随算子法的思想 ,最优化过程 ,计算水温方程和伴随方程的差分格式 ,并图示描述水温场的初始猜测和同化后的分布。