基于統(tǒng)計學(xué)方法的HYCOM海洋預(yù)報結(jié)果評價*

鄒穎俊, 王曉春,2, 何賢強

(1.南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.江蘇省海洋環(huán)境探測工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210044；3.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

隨著人類不斷開發(fā)和利用海洋，海洋環(huán)境的預(yù)報越來越受關(guān)注.例如，水產(chǎn)養(yǎng)殖、海洋捕撈、海上航運、港口運作、海上石油和天然氣作業(yè)、海洋旅游等行業(yè)都需要物理海洋要素和生態(tài)要素的預(yù)報，海洋模式是海洋預(yù)報系統(tǒng)的核心組成部分[1].目前較為流行的業(yè)務(wù)化海洋模式有HYCOM、MOM、NEMO、ROMS和POM等，全球海洋模式一般以HYCOM、MOM、NEMO為主，區(qū)域海洋模式以ROMS、POM為主[2].其中,基于HYCOM模式的美國海軍全球海洋預(yù)報系統(tǒng)是比較先進(jìn)且應(yīng)用廣泛的海洋預(yù)報系統(tǒng)[3].HYCOM模式在垂向坐標(biāo)的設(shè)置上具有很大的靈活性[4]，不但適用于深海大洋，也可以用于做近岸模擬，因而有著非常廣泛的應(yīng)用.盧著敏等[5]利用衛(wèi)星的海表面溫度資料對南海區(qū)域HYCOM模式輸出的月平均溫度進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)在淺海區(qū)域相對誤差較大，而在海盆區(qū)域模擬結(jié)果較好.白志鵬等[6]檢驗了HYCOM模式對東海黑潮的模擬能力，結(jié)果表明模式能較好地模擬出東海黑潮PN斷面垂向結(jié)構(gòu)和時空特征.高松等[7]利用HYCOM模式對赤道及北太平洋海表溫度進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明HYCOM模式很好地模擬了赤道及北太平洋的氣候態(tài)海表溫度變化.吳力川等[8]對HYCOM、POM和ROMS海洋模式在南海區(qū)域的適應(yīng)性進(jìn)行比較分析， HYCOM模式在南海區(qū)域的模擬具有一定的優(yōu)勢.

東中國海有長江入?？诖罅康斎耄⑶业匦螐?fù)雜多變，這一區(qū)域海洋環(huán)境的預(yù)報有很大的挑戰(zhàn)性. 但目前卻沒有工作評價這一區(qū)域海洋預(yù)報的精度，給海洋預(yù)報的社會應(yīng)用帶來許多不便.本文利用2015年冬季和2016年夏季東中國海溫度、鹽度的現(xiàn)場觀測資料評價了HYCOM全球海洋預(yù)報系統(tǒng)的初始場及預(yù)報技巧.

1 數(shù)據(jù)資料與方法

1.1 HYCOM海洋預(yù)報系統(tǒng)簡介

HYCOM(hybrid coordinate ocean model)是在邁阿密大學(xué)原有等密度面坐標(biāo)模式MICOM的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新一代原始方程海洋環(huán)流模式[9].HYCOM垂直方向的坐標(biāo)是混合坐標(biāo)，這一混合坐標(biāo)可以在等密度坐標(biāo)、z坐標(biāo)和sigma坐標(biāo)之間轉(zhuǎn)換.等密度坐標(biāo)應(yīng)用于層化明顯的開闊海域，z坐標(biāo)應(yīng)用于層化較弱的海洋混合層上層及層結(jié)不穩(wěn)定的海域，sigma坐標(biāo)應(yīng)用于近岸淺水區(qū)和海底地形起伏較大海域.和傳統(tǒng)的單一垂直坐標(biāo)海洋模式相比，垂向混合坐標(biāo)使得HYCOM的適應(yīng)能力更好，應(yīng)用范圍更廣泛[10-12].美國海軍利用HYCOM模式發(fā)展了一個全球海洋預(yù)報系統(tǒng)，這一系統(tǒng)同化了衛(wèi)星高度計資料、CTD(conductivity-temperature-depth sensor)、XBT(expendable bathythermograph)、Argo浮標(biāo)和glider等多種觀測資料.這一海洋預(yù)報系統(tǒng)的網(wǎng)格點范圍為78.64°S～66°N，180°W～180°E，預(yù)報時效為7 d，水平分辨率是1/12°.大氣強迫場來自于NOGAPS每3 h的大氣輸出場，河流的淡水通量使用了986條河流徑流量的氣候值.

1.2 觀測資料與方法

現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)來自于“潤江一號”科學(xué)考察船2015年冬季航次和2016年夏季航次，在東中國海的觀測范圍為27°N～34°N，120°E～125°E，觀測時間分別為2015年12月20日至30日和2016年8月3日至13日.在利用CTD數(shù)據(jù)時還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制.質(zhì)量控制分成兩步：第一步是把深度或壓強小于0處所對應(yīng)的CTD數(shù)據(jù)剔除；第二步是把數(shù)據(jù)中與均值相差3倍標(biāo)準(zhǔn)差以上的數(shù)據(jù)剔除.然后將CTD數(shù)據(jù)插值到海洋預(yù)報場的深度上進(jìn)行比較.

式中，ME、RMSE和R分別表示偏差、均方根誤差和相關(guān)系數(shù).

2 HYCOM結(jié)果評價

2.1 初始場評價

2.1.1冬季初始場評價由圖1(a)可以發(fā)現(xiàn)，2015年冬季東中國海海域HYCOM溫度數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合較好，其均方根誤差小于1 ℃(0.76 ℃)，偏差(實測數(shù)據(jù)減模式數(shù)據(jù))接近于零(-0.04 ℃)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.95.而HYCOM鹽度與實測鹽度的相關(guān)性較差(見圖1(b))，其中在高鹽度(深度較深)的海水中兩者存在較高的相關(guān)性，但在低鹽度(深度較淺)海水中表現(xiàn)出模式鹽度偏高；鹽度均方根誤差為1.9 psu，偏差為-0.29 psu，相關(guān)系數(shù)僅有0.56.圖1(c)為2015年冬季HYCOM模式的均方根誤差隨深度的變化，在海水深度到達(dá)35 m以前，溫度均方根誤差比較大，最大值為0.86 ℃，海水深度到達(dá)35 m以后，均方根誤差就變得比較小，整體上來看隨著深度的增加，HYCOM初始場和觀測資料的溫度的均方根誤差變小.從圖1(d)中可以看出，海水深度到達(dá)50 m以前，鹽度的均方根誤差比較大，最大值為2.71 psu，到達(dá)50 m以后，均方根誤差就變得比較小了.整體上來看,隨著深度的增加，HYCOM初始場和觀測資料的鹽度的均方根誤差變小.

2.1.2夏季初始場評價由圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)，2016年夏季東中國海海域HYCOM溫度數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)在高溫(深度較淺)的海水處比較吻合，但低溫(深度較深)的海水處表現(xiàn)出較大差異，其均方根誤差為7.22 ℃，誤差很大，總的偏差(實測數(shù)據(jù)減模式數(shù)據(jù))為-5.52 ℃，相關(guān)系數(shù)為0.28，相關(guān)性很低.HYCOM鹽度與實測鹽度的相關(guān)性也很差(見圖2(b))，其中在高鹽(深度較深)海水中兩者的關(guān)系比較吻合，但在低鹽(深度較淺)的海水中表現(xiàn)出較大差異，鹽度的均方根誤差為3.41 psu，總的偏差為-0.95 psu，相關(guān)系數(shù)僅有0.28.

圖2(c)、2(d)為2016年夏季HYCOM模式的均方根誤差隨深度的變化.從圖2(c)中可以看出：溫度均方根誤差呈現(xiàn)出隨深度的增加而增大的趨勢，最大值為13.8 ℃.而鹽度恰好與之相反，從圖3(d)中可以看出，鹽度的均方根誤差在表層比較大，隨深度的增加而減小.

2.2 預(yù)報結(jié)果評價

2.2.1冬季預(yù)報結(jié)果評價圖3為2015年冬季HYCOM預(yù)報溫度與實測溫度的相關(guān)系數(shù)及均方根誤差隨預(yù)報時效的變化.從圖3(a)中可以看出隨著預(yù)報時效從超前1 d到7 d，相關(guān)系數(shù)從0.95左右降低到0.85左右.均方根誤差也有相應(yīng)的特征，隨著預(yù)報時效的增長，模式預(yù)報結(jié)果與觀測之間的均方根誤差越來越大，說明模式預(yù)報時效增加時，預(yù)報的精度將逐漸降低.與溫度的情形不同，HYCOM對鹽度的預(yù)報精度隨預(yù)報時效的變化不大，從圖3(b)可以看出，隨著預(yù)報時效的增長，相關(guān)系數(shù)變化不是很大，基本在0.55之間波動，均方根誤差的變化也不大，誤差在1.9 psu周圍浮動.通過與圖3(a)的對比可知：HYCOM對溫度的預(yù)報能力比HYCOM對鹽度的預(yù)報能力要好.

2.2.2夏季預(yù)報結(jié)果評價圖4為2016年夏季HYCOM預(yù)報溫度的能力隨預(yù)報時效的變化.從圖4(a)可以看出HYCOM預(yù)報溫度與實測溫度的相關(guān)系數(shù)為0.25～0.3，相關(guān)性比較低，并隨著預(yù)報時效從超前1 d到7 d，相關(guān)系數(shù)稍微有些下降，而均方根誤差為7～8 ℃.隨著預(yù)報時效的增長，HYCOM預(yù)報溫度與實測溫度之間的均方根誤差稍微有些增大，整體來看，2016年夏季，HYCOM對東中國海海溫的預(yù)報效果不如冬季的效果.與溫度的情形相似，HYCOM預(yù)報鹽度的能力隨預(yù)報時效的變化不大，從圖4(b)可以看出,隨著預(yù)報時效增長，HYCOM預(yù)報鹽度與實測鹽度相關(guān)系數(shù)變化不大，基本在0.3左右波動，它們之間的均方根誤差為3～3.5 psu.

3 結(jié)論與討論

本研究利用東中國海2015年冬季及2016年夏季現(xiàn)場觀測資料評價了HYCOM海洋預(yù)報系統(tǒng)初始場的精度與預(yù)報技巧，結(jié)論如下：(1) HYCOM初始場在冬季的精度要高于夏季，鹽度初始場在冬季的均方根誤差為1.9 psu，夏季的均方根誤差為3.14 psu.溫度初始場在冬季的均方根誤差為0.76 ℃，在夏季卻高達(dá)7.22 ℃.無論冬、夏季，模式初始場在垂直方向上都混合均勻，不能再現(xiàn)東中國海層結(jié)的季節(jié)變化.在冬季，溫度及鹽度的均方根誤差隨深度的增加而減小.在夏季，溫度均方根誤差隨深度的增加而增大，而鹽度均方根誤差隨深度的增加而減小.(2) HYCOM對冬季溫度的預(yù)報效果較好，隨著HYCOM預(yù)報時效增加，預(yù)報的精度將逐漸降低.與溫度的情形不同，HYCOM對鹽度的預(yù)報精度隨時間變化不大.夏季時，HYCOM對溫度的預(yù)報效果與HYCOM對鹽度的預(yù)報效果都比冬季差.這是由于HYCOM的預(yù)報結(jié)果很大程度上決定于初始場條件，冬季的初始場以及同化數(shù)據(jù)質(zhì)量均高于夏季，所以預(yù)報效果冬季會比夏季好一些.造成一個海洋預(yù)報系統(tǒng)初始場及預(yù)報的誤差往往是多方面的，如模式的分辨率，模式采用的地形資料，模式采用的大氣強迫場，如何考慮長江沖淡水及潮汐作用，等等.目前在HYCOM海洋預(yù)報系統(tǒng)中考慮了氣候狀況的河流淡水影響，并且在近海同化的資料主要為衛(wèi)星遙感資料.這些都會影響這一海洋預(yù)報系統(tǒng)在東中國海的預(yù)報精度.