全球海洋Argo网格数据集制作与可靠性验证

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所属分类:物理海洋

无论是常规海洋观测仪器(XBTCTD)还是新颖的自动剖面浮标(广泛应用于国际Argo计划),获取的温、盐度等海洋环境要素都存在一系列的问题。早在20世纪80年代美国的Levitus提出应用客观分析方法将历史上全球海洋常规观测手段获得的散点资料构建成为气候态的网格资料极大推动了世界海洋资料集的应用。针对全球海洋Argo观测计划国际上各种Argo网格数据产品不断被研制成功并公开发布取得了一系列的研究成果极大拓展了Argo 资料的应用领域。

全球海洋Argo网格数据集制作与可靠性验证

由于常规Argo剖面浮标只能观测5m水深以下的剖面资料缺乏表层(05m范围内)观测这就使得目前大部分重构的Argo网格资料要么不包含表层信息要么是通过与其他观测(XBT和船载CTD)资料或反演(如卫星遥感等)数据融合得到表层信息数据质量并不能得到保证。

鉴于此本文拟利用一种简单有效、且易于操作的逐步订正法并结合一种混合层模型构建全球海洋20041月~201712月期间的三维网格温、盐度资料集在物理海洋基础研究和天气/气候业务化预测预报等相关应用中作为数据基础。

全球海洋Argo网格数据集制作与可靠性验证

一、资料来源与使用方法

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本文所使用的原始资料来自中国Argo实时资料中心提供的20042017年全球海洋区域内的Argo温、盐度剖面资料。这些剖面资料全部经过各国Argo资料中心按照国际Argo计划规定的实时质量控制并进行了必要的质量再控制最后有超过140万条温、盐度剖面通过质量再控制作为原始资料用来制作该网格资料集的初始场。

本文利用李宏等改进的Barnes逐步订正法并且利用Argo剖面混合层内温、盐度的线性拟合来反推对应的表层温度和盐度构建了20042017年全球海洋三维网格温、盐度资料集及衍生数据产品。

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二、网格数据制作流程

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全球海洋Argo三维网格温、盐度资料集的制作流程大体上分为以下4个步骤(如图1):

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 1 新版网格资料集构建流程

⑴统一对已经经过质量控制的Argo资料进行必要的质量再控制(1显示的17),并利用线性插值将资料垂向插值到57个标准层然后进行1°×1°区间的资料融合处理。

⑵就上述高质量的温、盐度剖面资料利用最大角度法计算出对应剖面的合成混合层深度并对合成混合层深度内的温、盐度进行线性拟合进而反推出每个剖面的表层温度和盐度。

⑶利用Cressman逐步订正法构建背景场,均采用三次迭代,构建年、季节和月气候态背景场。

⑷以第3步完成的月气候态背景场为对应月份客观分析的初始场再利用改进的Barnes 逐步订正法构建Argo三维网格数据集。

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三、网格数据集可靠性检验

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将得到的全球海洋Argo网格数据集(BOA_Argo)WOA13资料、全球热带锚定浮标观测资料比较可以检验本网格资料集的可靠性。

⒈气候态检验

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 2 全球海洋表层温度大面分布(BOA_Argo资料)

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 3 全球海洋表层盐度大面分布(BOA_Argo资料)

从图23可以看出全球海洋表层温度大致呈纬向带状分布而在经向上即南—北方向上的变化非常明显。高温区(>28°C)主要分布在低纬度(20°S20°N)区域内。自热赤道(平均在7°N附近)向两极温度逐渐降低且在40°S附近为寒暖流的交汇处等温线较为密集温度水平梯度大形成所谓的“极锋”北半球黑潮和湾流所在位置温度梯度较大。两极地区温度分布与纬线几乎平行明显与太阳辐射有直接的关系;BOA_Argo资料反映的全球海洋0m层温度分布特征与WOA13资料反映的温度分布特征(4)较为相似。

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 4 全球海洋表层温度大面分布(WOA13资料)

全球海洋表层盐度分布特征:大西洋盐度最高自赤道向两极地区盐度呈现“马鞍形”的双峰分布特征即南北副热带为高盐区最高盐度为37.5psu以上赤道附近区域为低盐区自副热带向两极盐度逐渐降低。太平洋盐度次之自赤道向两极盐度同样呈现“马鞍形”的分布特征太平洋最高盐度为36.5psu以上(但不超过37psu)

同温度分布相似在南北半球40°附近的寒暖流交汇处盐度水平梯度也比较大形成“极锋”至两极海域盐度降低到34psu以下这与极地海区结冰、融冰的影响有密切关系。印度洋海域盐度则最低但自赤道向两极同样为“马鞍形”的分布特征且南半球40°S 海域盐度锋面特征最为显著。盐度的地域性分布特征较为明显与降水和蒸发有密切的关系。除了等盐线更为光滑外WOA13资料提供的全球海洋盐度分布(5)BOA_Argo资料别无两样。可以看出BOA _Argo网格资料集与WOA13反映的表层温、盐度大面分布特征较为相似但相比之下WOA13资料更为光滑BOA_Argo网格资料揭示的分布特征比WOA13资料更细致。

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5 全球海洋表层盐度大面分布(WOA13资料)

⒉锚碇浮标观测资料检验

考虑时间和空间上的连续性选取全球热带锚定浮标观测阵(简称GTMBA)的温度和盐度剖面观测资料进一步检验BOA_Argo网格资料集的可靠性。GTMBA主要包括位于印度洋的非洲-亚洲-澳大利亚季风分析和预报研究阵列(RAMA),位于太平洋的热带大气海洋观测系列(TAO/TRITON)及位于大西洋的预报和研究锚锭阵列(PIRATA)

作为代表在太平洋(P站:0°N,147°E),选取了一个点来进行对比分析。但锚碇浮标资料本身由于锚碇浮标起伏不定、浮标故障或其他问题会导致观测深度不一以及某些年份的观测值缺失等。为此我们尽量选取垂直深度较深且时间上能够覆盖20041月~201712月期间的锚碇浮标温、盐度观测资料。

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6 太平洋海域P站温度时间序列变化

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 7 太平洋海域P站盐度时间序列变化

6和图7分别为BOA_Argo和锚碇浮标在赤道太平洋海域P位置上从海表到700m深度范围内的温、盐度垂直分布时间范围为20041月~201712月。由图可见自表层到中层Argo与锚碇浮标反映的信号较为一致但锚碇浮标资料的等值线更为光滑 这可能与资料来源有关。

BOA_Argo为逐月资料而锚碇浮标的原始资料为逐日的将锚碇浮标资料取平均得到对应的逐年逐月资料这样的处理相当于对锚碇浮标资料进行了平滑导致等值线分布比较光滑。另外在其他GTMBA 站位上BOA_Argo的结果与锚定浮标的观测结果也较一致。

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四、结束语

全球海洋Argo网格数据集制作与可靠性验证

全球海洋Argo网格资料集(BOA _Argo)2012年第一版发布以来已经连续发布了7年。随着时间的推移和观测资料的不断增加对每年重构的网格资料集采用的数据处理流程、重构方法所使用的参数、全球海洋的范围和垂向层数等都有一些不同和改进。本版资料集在以上版本的基础上调整了水陆点文件(不包括南海、日本海、地中海、墨西哥湾与加勒比海等主要边缘海);其次表层温、盐度的计算方法也做了改进之前使用的混合层模型采用了零阶近似(表层温、盐度等于混合层内温、盐度平均值),本次采用一阶近似(表层温、盐度通过混合层内温、盐度线性插值得出),有效地减小了表层温、盐度的误差从而改善了资料集在表层的准确性。

原文始发于微信公众号(溪流之海洋人生):海洋技术▏全球海洋Argo网格数据集制作与可靠性验证

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