Toward development of the 4Dvar data assimilation system in the Bering Sea:reconstruction of the mean dynamic ocean topography

The Bering Sea circulation is derived as a variational inverse of hydrographic profiles（ temperature and salinity） , atmospheric climatologies and historical observation of ocean curents. The important result of this study is estimate of the mean climatological sea surface height （SSH） that can be used as a reference for satellite altimetry sea level anomaly data in the Bering Sea region. Numerical experiments reveal that, when combined with satellite altimetry, the obtained reference SSH effectively constrains a realistic reconstruction of the Amukta Pass circulation.

卫星重力场模型在海洋环流分析中的应用

本文选用GOCE、GRACE和DGM 3种地球重力场模型,以及卫星测高获取的平均海面高模型,计算了4个模型下的地转流并进行对比,结果表明:用GOCE重力场模型比用GRACE重力场模型计算的地转流中长波精度有一定提高,能展现出尺度更小、细节更丰富的地转流;利用移去恢复法可使全球稳态海面动力地形(MDT)的高频信息得到有效恢复,可显著提升地转流的细节特征。

联合卫星重力和卫星测高数据确定稳态海洋动力地形

新一代卫星重力探测任务GRACE大大提高了地球重力场模型中长波分量的精度，使得联合卫星测高平均海面分离更精细稳态海洋动力地形成为可能。本文利用T／P（1994年～2003年）和JASON-1（2003年～2005年）卫星测高数据确定了全球30’×30’平均海面高；基于重力场模型WHU-GM-05，计算得到对应于海面高的GRACE海洋大地水准面格网值；利用“移丢恢复法”和高斯滤波求得全球稳态海面地形。与EGM96、Ri005、ECCO和GGM02模型进行比较，检验结果表明GRACE任务有效的改善了海洋大地水准面的精度，使得稳态海洋动力地形能够呈现更多细部。

由GOCE引力场模型和CNES-CLS2010平均海面高计算的稳态海面地形

利用欧空局发布的三组GOCE引力场模型及CNES-CLS 2010平均海面高数据,计算得到了全球的稳态海面地形,进而得到了全球地转流速度图.在此基础上重点对黑潮进行了对比分析.结果表明:GOCE不同组解的稳定性较好,所计算的稳态海面地形的差异基本在厘米量级内,这间接表明了GOCE引力场模型提供的大地水准面的精度达到了厘米量级.此外,通过将GOCE与GRACE相应结果进行对比发现,GOCE可提供更多的局部信息,特别是对于流速快、水流窄的边界流,如黑潮、墨西哥湾流等,GOCE所得结果更加清晰,速度也更精确.

基于区域滤波的GOCE稳态海面动力地形和地转流

基于频域法,利用最新的GOCE卫星重力场模型和卫星测高数据计算了稳态海面动力地形.结合海洋表层漂流浮标的观测结果,对稳态海面动力地形进行了最优空间滤波尺度分析,给出了区域、纬度带和全球稳态海面动力地形的最优空间滤波尺度因子.在此基础上,给出了全球和区域地转流.结果表明:在中高纬度和全球区域,可以分别获得空间尺度优于102km和127km的稳态海面动力地形信息.与海洋表层漂流浮标对比可知,在强流区域,采用稳态海面动力地形得到的地转流速可以解释观测浮标流速的70%;在中高纬度区域,由GOCE重力场得到的地转流略优于对应的GRACE结果;在近赤道区域,由GOCE重力场得到的地转流精度略低于对应的GRACE结果;在北大西洋和阿古拉斯强流区域,由GOCE得到的地转流场明显优于对应的GRACE结果,其精度分别提高了16%和24%.

同化卫星高度计观测对CAS-ESM-C上层海洋温度模拟的改进

为有效改进中国科学院地球系统模式气候分量系统(CAS-ESM-C)对年际海洋变化信号的模拟,利用集合最优插值同化方法(ensemble optimal interpolation,EnOI)将海表高度(sea surface height, SSH)数据同化入CAS-ESM-C。通过对比3种不同来源的平均动力地形(mean dynamic topography, MDT)数据对SSH同化性能的影响,筛选出针对CAS-ESM-C海洋资料同化最优的MDT。在此基础上,实施了1994-2000年的SSH观测同化试验,检验其对CAS-ESM-C海洋状态模拟的改进效果。结果表明,正是由于海洋上层(温跃层以内)的温度变化与SSH有着较强的动力相关性,同化SSH观测可以显著地改进CAS-ESM-C对海洋上层温度变化、海气耦合循环和物理过程的模拟。0~400 m全球平均的均方根误差能控制在1.0℃以内;温跃层深度附近的改进效果最为显著;热带太平洋上层海洋热含量的年际变化以及赤道太平洋地区海温年际异常演变明显优于仅同化海表温度(sea surface temperature, SST)的改进效果。由此可以得到,同化SSH改进了CAS-ESM-C对海洋上层年际变率的模拟,为下一步利用CAS-ESM-C开展短期气候预测奠定了基础。

利用最新GOCE重力场模型确定南极绕极流

利用最新的纯GOCE重力场模型GO_CONS_GCF_2_TIM_R4及由多源多代卫星测高数据确定的精细平均海平面高模型WHU2009,基于地转平衡方程确定了南极绕极流,其流幅的变化趋势与由海洋实测数据获取的SAF和PF锋面保持一致。将其分别与GRACE、多源数据同化模型CNES-CLS09和NOAA海洋实测数据结果进行了比较分析,结果表明,确定南极绕极流在u、v方向与海洋实测结果差异分别为10.1cm/s和5.3cm/s;在大尺度上,结果与同化模型和实测数据结果具有较好的一致性,明显优于GRACE结果,并且在大陆沿岸附近海域略优于多源数据同化模型CNES-CLS09;此外,利用本结果还可有效探测威德尔旋回和罗斯旋回等中尺度涡。

利用卫星大地测量技术研究海面动力地形及地转流的进展

随着卫星大地测量技术的发展,平均海平面高度与大地水准面资料的分辨率和精度得到大幅提高,这为确定高精度高分辨率的海面动力地形提供了条件,进而也促进了海面动力地形及地转流研究的发展.本文从数据资料、计算方法、空间尺度分析、误差分析及多源数据融合五个方面总结了目前利用卫星大地测量技术研究海面动力地形及地转流的进展.在此基础上,对目前该研究中存在的问题进行了分析,并对该研究今后的重点发展方向进行了展望.

GOCE卫星数据确定的全球稳态海面地形和海表地转流

利用GOCE卫星235天的观测数据恢复了200阶次的重力场模型SWJTU-GO01S,结合欧空局提供的最新GOCE重力场模型和CNES-CLS 2011平均海面高模型,计算了全球稳态海面地形和海表地转流,并采用GRACE模型、多源数据同化模型和海洋浮标观测数据对GOCE模型的计算结果进行对比分析.结果表明:由于重力场模型精度和分辨率较高,GOCE计算结果所需的滤波半径小于GRACE结果;GOCE和GRACE模型的计算结果与CNES-CLS09稳态海面地形差异的RMS分别为6 cm和7 cm左右;与海洋浮标实测数据对比发现,GOCE和GRACE的计算结果与实测数据差异明显,但GOCE的计算结果优于GRACE结果,而SWJTU-GO01S与DIR-R4和TIM-R4模型在全球范围内具有较好的一致性.整体而言,GOCE比GRACE数据的计算结果可以反映更小尺度地转流,且计算的精度更高;海洋环流结果和水准数据的对比表明SWJTU-GO01S与DIR-R4和TIM-R4模型的精度符合性较好,三者计算的地转流精度基本相当.