第33卷第6期
海洋学报
Vol 33, No 6
201年11月
ACTA OCEANOLOGICA SINICA
November 2011
卫星高度计资料在三维海温和盐度数值预报中的应用
李云12,万莉额1,刘钦政
(1.国家海洋环境预报中心国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室,北京100081;2,中国科学院大气物理
研究所,北京100029)
摘要:隨着卫星遥感观测技术的发展,越来越多的卫星观测资料被应用于数值模式的同化研究中
基于国家海洋环境预报中心西北太平洋三维温盐流预报系统,利用法国CLS中心的轨高度计资
料的海表面高度异常的融合数据,结合基于三维变分的 OVALS( ocean variational analysis sy
tem)同化系统,在垂向将海面高度资料反为温盐痳线后进行水平面上的温度和盐度同化,研究
卫星商度计资料在三维海温和盐度媺值预报中的作用,结果表明,加入高度计资料同化的预报结果
好于未使用同化的预报结果,这说明高度计资料同化对短期数值预报结果的改进是有效的。
关键词:高度计资料;同化;海洋变分分析系统;数值预报
中图分类号:P731.3
文献标志祃:A
文章编号:0253-4193《2011)06-0064-09
引言
仅改变海表高度而不考虑表层信息向下投影对原始
方程模式的约束是不够的,因此现在通行的作法
随着空间科学技术的进步,地球轨道卫星的出之一是通过海面高度场与海水密度场的联系来反演
现使人们研究海洋的手段也有了突飞猛进的发展。出海水的温度场和盐度场,然后对温盐场进行同化
地球轨道卫星所携带的各种遥感仪器,使在不同空例如在欧洲中期数值预报中心( ECMWA),温盐场
间尺度同步观测海洋成为可能,卫星高度计则是其是通过垂直改变其廓线来调整的?;美国国家环境
中的一种山。1992年8月美国与法国合作发射了预测中心(NCEP)使用一个三维变分(3D-VAR)
TTOPEX/ Poseidon卫星及其雷达高度计系统,为适方法通过同化卫星高度计和海温来调整温盐。
应全球主要大洋在地球上的分布观関,卫星轨道高Maes提出了一种估计温盐廓线的方法,它是通过
度达到1336km,轨道倾角达到66°;2001年12月,把观测到的海面变率、海表温度和盐度从诸多模态
作为T/P的后续卫星-- Jason-1海面高度观测卫中分离出来来实现的;Maes等的用耦合的温一盐
星一发射成功;2008年6月由法国航天局、EOF模态和温度观测廓线来再现盐度变率,又通过
NASA,欧洲气象卫星组织( Eumetsat)和美国国家增添高度计数据拓展了上述方法?;Han等们提出
海洋大气管理局(NOAA)合作发射成功 Jason2海了一个把温一盐关系作为弱约束的三维变分同化方
洋观测卫星,接替已经运行了7a的 Jason-1卫星来案;中国科学院大气物理研究所开发了一个基于三
研究地球海洋与气候
维变分同化的海洋资料同化系统 OVALS( ocean
卫星高度计能在全球范围内全天候、多次重复 variational analysis system),它考虑了背景场误差
地提供海洋表面的高程变化的测量值,已经在理论的垂直相关性和非线性温盐关系,可以通过同化高
上达到了对海洋进行实时预报观测的要求,但是仅度计资料来调整模式的温度和盐度场,高山等?
收慎日期:201-01-11:修订日期:2011-05-21
甚金项目:国家科技支撑计划(2006BAC03B00)总装装备预先研究项目(51322050202)国家自然科学基金青年基金(41006016)
作者简介:李云(1981-),男,浙江省荷州市人,在职博士,助理研究员,主要从事三维温誌流预报与同化技术研究。 E-mail:: liyu(@ refo.gow.cmn
万方数据
6期李云等:卫星高度计资料在三维海温和盐度数值预报中的应用
将该同化系统用于模拟中尺度涡现象。
目前国内外对高度计反演温盐同化的应用多3同化系统
中在较大尺度的海洋现象的研究中,在短期数值预
本文使用的三维变分(3DVAR)同化模块是基
报中的应用研究工作涉及较少,本文的工作主要是于大气物理研究所①VALS海洋资料同化系统研制
利用国家海澣环境预报中心西北太平洋三维温盐流的,它可以同化卫星高度计资料,萁控制变量为温度
预报模式与大气物理研究所 OVALS同化系统相结和盐度场(即同化时调整温度和盐度〉,利用三维变
合,同化法国CLS( Collecte Localisation Satellites)分方法在垂直方向上同化高度计资料,得到温度和
中心的沿轨高度计资料的海表面高度异常融合数盐度垂直分布,这类似从一个高度计资料“反演”温
据,通过同化前后的比较,研究卫星高度计资料对三度和盐度的垂直廓线,然后将“反演”的温盐“伪观
继海温和盐度模拟及预报精度的羏响。
测”数据在每一水平层上进行最优插值得到三维的
2海洋模式
温盐分析场。
3.1同化资料
国家海洋环境预报中心的西北太平洋区域三维
卫星高度计资料采用法国CLS中心提供的混
海温和海流预报系统是基于POM( Princeton ocean合卫星资料集,它是 TOPEX/ Poseidon, J ason-1Ja
mode)研制的,在原模式基础上对浅水区处理、海son2等卫星高度观测数据的融合产品。TOPX
表动力和热力条件处理、波浪作用等方面进行了发
Poseidon卫星是继卫星 Seasat, geosat,ERS-2和
展。模拟区域的范围东西为99°~150°E,南北为
GFO之后由美国宇航局和法國航天局1992年联合
2°~45"N,包括了中国海全海域、日本海的大部分和
发射的,其轨道周期为10d,主要用于研究全球洋流
西北太平洋的大部分;模式采用经纬度网格划分方
及其变化的精确测量海面高度的卫星。T/P卫星
案,水平分辦率为15×15';垂自方向采用σ坐标
分为不等距的15层,前6层分层较密,值分别为高度计可以提供全球海洋的海面地形,每次海面高
度的观测精度为3~5cm,重复周期为9.9156d。
0,-0.011,一0.023,-0.045,-0.091,-0.182),
后9层按等σ值平均分配,最大水深限定为
之后又发射了 l ason-1和 Jason2卫星来持续T/P
4000m,从而使模式最上层厚度不大于5m;时间
卫星的观测时间序列。海面高度的起伏与海流运动
积分采用内外模分解算法,外模时间步长为155,内和温盐效应有紧密的联系。因此,对于海面高度资
模时间步长为600;模式的温盐背景场采用全球简料采用三维变分的同化方案,在垂直方向上将海面
单同化分析数据SODA( Simple Ocean Data Assim
高度资料反演为温盐廓线,然后利用最优差值进行
lation)0.5°×0.5°×0层的三维温度盐度月平均水平面上的温度和盐度同化。
资料,利用双线性插值方法计算得到模式阿格上的3.2垂向上的湿度和盐度麻线反演
月平均气候温盘场,每天的预报采用热启动方案,以
在每一个有高度计观测的水平点求下面代价函
前一天模式的分析结果作为当日模式运行的初始条数的最小值
件,进行时间尺度为1d的同化分析计算,获得预报
I(T, S)=(T-T1B7T--TH)+
的初始场:
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