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热带西太平洋潜标系统的观测优化及其海流同化研究
Alternative TitleInvestigating the optimization of a Western Tropical Pacific moored array and the assimilation of the moored current
刘大年
Thesis Advisor王卫强,舒业强
2018
Degree Grantor南海海洋研究所
Degree Name博士
Degree Discipline物理海洋学
Keyword潜标观测的海流同化,观测优化,集合最优插值,热带西太环流
Abstract热带西太海域拥有世界大洋最为复杂的环流系统,现阶段各类同化系统对于热带西太环流系统的模拟都有一定的误差,各同化系统也都没有同化海流资料。自2013年以来,热带西太潜标阵列被逐渐建立。该潜标观测系统能够提供时间连续的流速廓线资料,是对热带西太观测系统的重要补充,并为同化海流资料、改进热带西太环流系统的模拟能力提供了可能。由于潜标观测的海流资料同化容易被资料中高频信息污染,而且潜标观测水平分辨率低,所以同化难度较大。此前国内外也没有公开发表过关于大洋潜标观测的海流同化研究。为了使同化系统能合理地提取海流多时空尺度的信息,改进该区域环流模拟的可预报性,本文重点围绕潜标阵列的站位优化、潜标观测的海流资料同化方法以及潜标阵列在改进热带西太海洋环流模拟中的作用三个问题开展研究。为了实现对西太环流状态估计的最大化,本文首先探讨了潜标理论最优观测布局。结果显示,监测环流季节内变率的关键区域为印尼贯穿流(ITF)、赤道、北赤道逆流(NECC)的上游和亚热带逆流(STCC)区域。在低频时间尺度上,监测关键区域为STCC、西边界流(WBC),NECC以及赤道潜流(EUC)区域。由于在低频时间尺度上,热带西太各流系之间具有较强的流依赖关系,因此潜标对环流低频变率的监测能力要比其对季节内变率的监测能力更强。但NECC上游、WBC以及STCC区域仍然有相对较大的低频误差残留。其次本文对如何同化潜标观测的海流廓线资料开展了深入研究。为了同化试验的开展,一套西太南海高分辨率资料同化系统被建立。其中系统动力模块为区域海洋模式系统(ROMS)模式,而同化方法采用集合最优插值(EnOI)方法。基于该同化系统开展的潜标观测的海流理想同化试验揭示了在潜标观测的海流同化中观测增量和集合样本在时间尺度上保持一致的重要性。试验结果表明当初始模式误差以中尺度特征为主,海流同化采用季节内带通滤波样本要比采用月平均样本更有效。其原因是通过对样本的季节内带通滤波,样本能够更准确地描述模式的中尺度误差。基于理想试验中对观测增量和集合样本时间尺度需保持一致的认识,在潜标观测的海流真实同化试验中,由于海流实际模拟中主要存在低频时间尺度误差,因此,仅90天低通滤波的观测流速被同化到模式中。为了匹配低频观测信息,样本也相应地进行了90天的低通滤波。而对背景场采用了与低频时间尺度相应的表征空间尺度滤波,进一步减小了高分辨率模式下背景场高频噪音对于低频流场同化的破坏。进而实现了模式对于潜标观测的海流低频时间尺度信息的有效提取。初步完成了确立主流系三维结构的目标。最后为了评估热带西太潜标阵列相对于其他传统观测系统在热带西太海洋状态估计及可预报性中的作用,本文开展了一系列观测系统同化试验。结果显示,温盐剖面资料的同化对于改进海洋温盐场结构的模拟是不可缺少的,同时可以显著改善SLA低频时间尺度的模拟。SLA同化进一步地改进温跃层的结构,同时对热带西太海域SLA季节内信号的模拟作用巨大。同化海表面温度(SST)的作用则主要表现在混合层。热带西太潜标观测的海流同化对大尺度环流的模拟有重要的补充作用。相对于传统观测系统同化,在其基础上再同化潜标系统海流廓线后,潜标位置800m以浅的流速残留误差从0.062m/s降低至0.036m/s。EUC、NECC以及NEC等流系的主轴位置和强度得以矫正。与此同时,潜标系统海流同化也可以一定程度地对温盐场进行合理调整。通过OSCAR数据以及独立潜标(未被同化)的观测检验,表明了同化信息可以随背景流场向下游有效传播。借助对热带西太各类观测系统同化的结果,我们再现了观测期间(2014年11月至2015年12月)热带西太主流系的空间结构及其季节性变化。试验期间EUC强度春强秋弱(68 Sv至 52.57 Sv)。而位于142°断面的NECC强度春弱秋强(40.66 Sv至54.91 Sv)。在春季,由于棉兰老顶(MD)开始衰减,NECC位置位于一年中的最北端。SEC向北拓展的同时向下延伸,阻碍NECC以及EUC之间的联系。秋季, MD开始发展,NECC位置位于一年中的最南端。EUC强度减弱,建立起了比春季更松散的温跃层。NEC垂向结构较复杂,强度春强秋弱 (68 Sv-52.57 Sv)。 其下方有较强的东向潜流系统,该潜流系统阻碍了NEC在100m以深的经向连续性。
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.scsio.ac.cn/handle/344004/18025
Collection学位论文(博士)
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GB/T 7714
刘大年. 热带西太平洋潜标系统的观测优化及其海流同化研究[D]. 南海海洋研究所,2018.
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