基于Argo實測流場數(shù)據(jù)對5套海洋模式產(chǎn)品中赤道太平洋中層流的評估

周永遠(yuǎn)，閆運偉*，邢小罡，柴 扉,3

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.美國緬因大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，緬因州 歐洛諾市 04469)

0 引言

熱帶太平洋海域海氣相互作用強烈，是厄爾尼諾與南方濤動(El Nio & Southern Oscillation, ENSO)、拉尼娜(La Nia)等現(xiàn)象的發(fā)源地[1-3]，對全球氣候變化[4]和全球大洋環(huán)流系統(tǒng)[5]都有重要影響，因此一直以來都是區(qū)域海洋學(xué)研究的熱點[2-12]。過去30 a，隨著衛(wèi)星高度計[8]及大范圍錨系浮標(biāo)[9]觀測數(shù)據(jù)的不斷增多，人們對赤道太平洋上層環(huán)流的基本結(jié)構(gòu)和動力機制已有了非常深刻的認(rèn)識[10-12]。除了上層赤道流系外，熱帶太平洋溫躍層之下(500～3 000 m)也存在平均流速約5 cm/s的赤道中層流(Equatorial Intermediate Currents, EICs)[6]，它對物質(zhì)輸運和能量輸送有非常重要的作用[7]。然而，由于溫躍層以下流場的觀測非常少[13-15]，人們對于赤道太平洋中層流的了解還非常有限。

近年來，隨著計算機科技的迅速發(fā)展，海洋模式也越來越成熟，可以提供三維、高分辨率、長時間序列的大洋流場數(shù)據(jù)，非常有利于開展赤道太平洋中層流的研究。目前已有很多公開的海洋模式產(chǎn)品，例如OFES(Ocean General Circulation Model for the Earth Simulator)[16]、LICOM(LASG/IAP Climate System Ocean Model)[17]、HYCOM(HYbrid Coordinate Ocean Model)[18]、ECCO2(The Estimating the Circulation and Climate of the Ocean, Phase 2)[19]、SODA(Simple Ocean Data Assimilation)[20]等。然而由于缺少觀測數(shù)據(jù)，人們對于這些模式產(chǎn)品中赤道中層流的可靠性并不清楚，亟需評估。

與此同時，國際Argo計劃(Array for real-time geostrophic oceanography)[21]已經(jīng)建立了一個全球范圍的實時海洋立體觀測網(wǎng)。根據(jù)Argo浮標(biāo)的工作原理，可以利用其軌跡資料近似計算出Argo浮標(biāo)所在停留深度(主要為1 000 m)的流場[22-27]，彌補大洋中層流場直接觀測的不足。隨著浮標(biāo)數(shù)據(jù)的不斷增多，利用Argo軌跡計算得到的1 000 m深度流場(下文簡稱Argo流場)已經(jīng)成為研究中層流的重要實測數(shù)據(jù)[27-28]，因此可以用于對模式產(chǎn)品進行評估。

以往也有研究定性地分析了模式產(chǎn)品1 000 m 深度流場與Argo流場的異同，發(fā)現(xiàn)兩者的空間結(jié)構(gòu)存在差異[29]。然而由于沒有進行定量分析，模式流場與Argo流場在空間結(jié)構(gòu)上的差異程度尚不清楚。此外，目前還沒有研究對模式產(chǎn)品赤道太平洋中層流的時間變化特征進行評估。基于此，本文以Argo流場作為實測數(shù)據(jù)，從空間結(jié)構(gòu)特征和時間變化特征兩方面來定量地評估OFES、LICOM、HYCOM、ECCO2和SODA這5套常用海洋模式產(chǎn)品的赤道太平洋中層流，為今后熱帶太平洋中層流的模式數(shù)據(jù)選用提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 Argo軌跡資料反演的1 000 m流場

Argo浮標(biāo)是一種自律式拉格朗日剖面觀測浮標(biāo)，它的每個觀測周期分為下潛、中層漂流、上浮和海面漂流4個階段[21]：Argo浮標(biāo)從海面下潛(下潛和上浮速度約10 cm/s)3～4 h后到達(dá)中層漂流深度(赤道太平洋海域76%的Argo浮標(biāo)的中層漂流深度為1 000 m)；并在此深度保持中層漂流一段時間(赤道太平洋海域85%的Argo浮標(biāo)的中層漂流時間為9 d)；之后浮標(biāo)先下潛至2 000 m處，隨后上浮至海表，此過程約需6 h；之后在海面漂流9～12 h(隨著衛(wèi)星通訊技術(shù)的不斷改進，目前新型Argo浮標(biāo)的海表漂流時間僅為0.5～1 h)，期間與衛(wèi)星保持通訊，上傳浮標(biāo)的實時位置信息以及所測數(shù)據(jù)；之后再次下潛，開始下一個觀測周期。根據(jù)Argo浮標(biāo)的工作原理，可以計算出浮標(biāo)在每個觀測周期內(nèi)中性漂流的平均速度，即所在海域1 000 m深度的海水流速。本文采用LEBEDEV et al[25]計算中層流場的近似方法，把Argo浮標(biāo)在下潛前的最后一次衛(wèi)星定位點近似作為中層漂流的起始點(s1,t1)，把浮標(biāo)上浮至海表后的第一次衛(wèi)星定位點近似作為中層漂流的結(jié)束點(s2,t2)，根據(jù)速度公式v=(s2-s1)/(t2-t2)近似地求出Argo浮標(biāo)此次觀測周期中層漂流的平均速度，其中s1和s2是兩個定位點的具體位置，t1和t2是兩個定位點的定位時刻。

上述近似計算方法主要包含兩方面的誤差[22]，一是海面漂流階段的衛(wèi)星定位時滯誤差(如浮標(biāo)上浮至海面一段時間后才會被衛(wèi)星檢測到，等)，二是下潛、上浮階段的流速切變誤差。隨著衛(wèi)星通訊技術(shù)的不斷改進，時滯誤差不斷減小，對結(jié)果的影響可以忽略不計[25]；對于切變誤差，LEBEDEV et al[25]利用Argo軌跡計算出的表層流場對此誤差進行了估算，舍棄切變誤差相對于流速值較大的數(shù)據(jù)，以減小對結(jié)果的影響。此外，夏一凡 等[30]利用OFES模式的三維流場數(shù)據(jù)估算了時滯誤差和切變誤差對流場的影響，結(jié)果顯示這兩項誤差比1 000 m深度的平均流速小了一個量級，因此對中層流場的影響有限。

本文使用了2000年1月至2018年12月熱帶太平洋海域(130°E—85°W，10°N—10°S，以下數(shù)據(jù)皆為同一空間范圍)內(nèi)1 027臺Argo浮標(biāo)(約12.3萬個觀測周期)的軌跡數(shù)據(jù)。浮標(biāo)數(shù)據(jù)來自設(shè)在法國國家海洋研究院的國際Argo數(shù)據(jù)庫(ftp.ifremer.fr/ifremer/argo)。Argo浮標(biāo)觀測周期的總數(shù)量是LEBEDEV et al[25]在相同海域研究的6倍。本文首先采用謝基平[22]提出的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法對Argo浮標(biāo)軌跡資料進行嚴(yán)格篩選;然后利用LEBEDEV et al[25]的近似方法計算出每個觀測周期的1 000 m深度流速，并舍棄切變誤差超過流速值20%的數(shù)據(jù);最后根據(jù)Argo浮標(biāo)的位置和時間信息，將每個觀測周期的流速網(wǎng)格化，得到空間分辨率為1/4°×1/4°的氣候態(tài)年平均流場及2°(經(jīng)度)×1/4°(緯度)的氣候態(tài)月平均流場。

1.2 模式產(chǎn)品1 000 m流場

基于Argo流場，本文對海洋學(xué)研究中廣泛使用的5套海洋模式產(chǎn)品1 000 m深度流場進行了評估。這5套模式產(chǎn)品分別是：日本地球模擬器計算得到的全球長時間序列的渦分辨率海洋模式資料——OFES；由中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室自主開發(fā)的渦分辨率的氣候系統(tǒng)海洋模式輸出數(shù)據(jù)——LICOM；由美國海軍混合坐標(biāo)海洋模式/海軍耦合海洋資料同化系統(tǒng)輸出的渦分辨率的再分析資料——HYCOM；世界洋流實驗計劃中結(jié)合多元觀測和大洋環(huán)流模式研發(fā)的海洋數(shù)據(jù)同化產(chǎn)品——ECCO2；以及美國馬里蘭大學(xué)利用全球簡單海洋資料同化分析系統(tǒng)產(chǎn)生的海洋再分析資料——SODA。5套海洋模式資料的具體信息如表1所示。由于5套模式在垂向深度上的具體分層不同，為了與Argo流場進行比較，根據(jù)赤道中層流的分布特征，本文統(tǒng)一使用流場在900～1 100 m深度范圍的平均流速。

表1 5套模式數(shù)據(jù)介紹Tab.1 The specification of the five models outputs

1.3 時空特征差異的分析方法

本文比較了Argo流場與5套模式流場的赤道中層流在時空特征上的差異。空間特征方面比較了緯向流寬度以及動能在東西向、南北向的空間分布差異。緯向流的寬度利用頻譜分析求得：先求出赤道中層流在緯向上的平均流速，將平均流速的波狀曲線近似看作是正弦函數(shù)，其波長代表兩條相鄰的、流向相反的緯向流的寬度之和，之后對平均流速曲線作快速傅里葉轉(zhuǎn)換，取頻譜分析結(jié)果中最大功率譜密度處對應(yīng)的波長的1/2作為緯向流的寬度。在比較流場動能的空間分布差異時，東西方向上將赤道太平洋平均分為西(131°E—180°E)、中(180°W—130°W)和東(131°W—90°W)3個海盆，分別求出其海域內(nèi)流場的平均動能；南北方向上分別求出赤道太平洋南半球(0°—10°S)和北半球(0°—10°N)流場的平均動能。

時間變化特征方面比較了西、中太平洋赤道中層流的季節(jié)變化趨勢、季節(jié)變化的相位差、相位西傳速度及相位的經(jīng)向結(jié)構(gòu)。首先利用氣候態(tài)月平均數(shù)據(jù)求出流速在時間上的異常值(下文簡稱流速異常值)，然后利用線性插值求出經(jīng)度-時間場(即Hovmoller圖[33])中流速異常值季節(jié)變化的相位西傳路徑，根據(jù)西傳路徑的斜率求出相位西傳速度，不同流場的西傳路徑在時間上的差異即為流場間季節(jié)變化的相位差。之后采用CRAVATTE et al[28]所用的計算方法，利用流速異常值的經(jīng)向分布代表季節(jié)變化的相位的經(jīng)向結(jié)構(gòu)。由于季節(jié)變化相位有西傳特征，因此分別求出每個緯度上沿相位西傳路徑上的流速異常值的平均值，它的經(jīng)向分布即代表赤道太平洋中層流季節(jié)變化的相位的經(jīng)向結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果

由于赤道太平洋1 000 m深度上的氣候態(tài)年平均流場是由緯向流主導(dǎo)的，經(jīng)向流可以忽略不計[28]，因此本文僅比較Argo及5套模式產(chǎn)品中赤道太平洋中層流的緯向分量。

2.1 空間結(jié)構(gòu)特征比較

Argo流場顯示：赤道太平洋中層流(緯向流)存在明顯的條帶狀結(jié)構(gòu)，且東向流與西向流交替分布(圖1a)，這與CRAVATTE et al[28]的結(jié)果一致。赤道太平洋中層流的緯向平均流速分布在±7 cm/s之間(圖2)，東-西向流條帶寬度約為1.5°。此外，中層流的強度存在空間差異：其動能在赤道太平洋西部(6.20 cm2·s-2)大于東部(1.65 cm2·s-2)(圖3a)，在南半球(5.68 cm2·s-2)大于北半球(3.58 cm2·s-2)，表現(xiàn)出西強東弱和南強北弱的空間特征。

圖1 Argo與5套模式(OFES、LICOM、HYCOM、ECCO2和SODA)赤道太平洋1 000 m深度氣候態(tài)年平均緯向流Fig.1 Climatology averaged zonal currents of Argo and five models outputs (OFES, LICOM, HYCOM, ECCO2 and SODA) at the depth of 1 000 m (正值代表東向流，負(fù)值代表西向流，下同。) (The positive value represents the east flow and the negative value represents the west flow, the same as below.)

與Argo流場相似，5套模式產(chǎn)品的赤道太平洋中層流也都呈現(xiàn)出東-西向流交替分布的條帶狀結(jié)構(gòu)(圖1b～1f)。但5套模式中東-西向流的強度和寬度有所不同(圖2)。就強度而言，HYCOM和SODA與Argo接近，而其他3套模式明顯較小。為進一步定量比較，本文計算了赤道太平洋中層流的平均動能，其中Argo流場是4.67 cm2·s-2，HYCOM和SODA流場與Argo流場接近，分別是4.60 cm2·s-2和3.58 cm2·s-2，而其他3套模式流場比Argo流場弱，平均動能大約是Argo流場的1/10(表2)。就緯向流寬度而言，OFES和ECCO2流場與Argo流場接近(約1.5°)，而其他3套模式流場相對較大(大于2.0°，表2)。

圖2 Argo及5套模式赤道太平洋中層緯向流的緯向(131 °E—90 °W)平均Fig.2 Zonally averaged zonal folw (131 °E-90 °W) of Argo and five models outputs at 1 000 m depth

表2 Argo與5套模式流場赤道中層流的特征對比Tab.2 Characteristics of Equatorial Intermediate Currents in Argo and five models outputs

此外，本文比較了Argo與5套模式平均動能在赤道西、東太平洋以及南、北太平洋的空間分布特征。在東—西方向上，5套模式赤道中層流都存在與Argo流場一致的西強東弱特征(圖3a)。在南—北方向上，HYCOM、ECCO2和SODA模式存在與Argo流場一致的南強北弱特征，而另外2套模式?jīng)]有此特征(圖3b)。

圖3 Argo及5套模式流場在東、西(a)和南、北(b)赤道太平洋的平均動能Fig.3 The average kinetic energy in western-eastern(a) and northern-southern(b) equatorial Pacific basins of Argo and five models outputs flow fields

綜上所述，5套模式產(chǎn)品的赤道太平洋中層流都有與Argo流場一致的東-西向流交替分布的條帶狀結(jié)構(gòu)特征；但緯向流的強度和寬度存在差異，其中HYCOM和SODA流場的強度與Argo流場接近，OFES和ECCO2流場的寬度與Argo流場接近。此外，5套模式赤道中層流都存在與Argo流場一致的西強東弱特征，HYCOM、ECCO2和SODA流場存在與Argo流場一致的南強北弱特征。

2.2 時間變化特征比較

Argo流速異常值的經(jīng)度-時間圖(圖4a～4c)顯示赤道中層流在西、中太平洋存在明顯的季節(jié)變化，且季節(jié)變化信號有向西傳播的特征，即相位西傳。這與CRAVATTE et al[28]的分析結(jié)果一致，其研究發(fā)現(xiàn)此西傳信號與年周期Rossby波的傳播特征一致(圖4a～4c中虛線)。此外，赤道中層流季節(jié)變化的相位存在關(guān)于赤道對稱的經(jīng)向結(jié)構(gòu)(圖5)：在2°N—6.5°N及2°S—7.5°S范圍內(nèi)流速異常值為正值，最大值(3 cm/s)位于4°N和4°S附近;在2°N—2°S范圍內(nèi)流速異常值為負(fù)值，最小值(-6 cm/s)位于赤道上。

圖4 Argo及5套模式流速異常值在4 °N(左),赤道(中)和4 °S(右)處的經(jīng)度-時間圖Fig.4 Monthly anomalies of Argo and five models outputs flow field at 4 °N(left panel), equator(middle panel) and 4°S(right panel) (圖中虛線為季節(jié)變化信號在經(jīng)度-時間場中的西傳路徑，虛線的斜率代表西傳速度。) (Dashed line in every subgraph stands for the westward propagation path of the phase of seasonal variation, their slope represents the velocity of westward propagation.)

除HYCOM流場外，其他4套模式的流場在西、中太平洋都有與Argo流場一致的季節(jié)變化特征(圖4d～4r)。本文進一步定量比較了Argo與5套模式赤道西、中、東太平洋的平均流速異常值。在赤道太平洋西部，5套模式流場的季節(jié)變化與Argo流場基本相同(圖6a)，與Argo流場的相關(guān)系數(shù)都大于0.89(表2)。在赤道太平洋中部，HYCOM流場沒有明顯的季節(jié)變化特征(圖6b)，其他4套模式流場的季節(jié)變化特征與Argo流場基本相同，且與Argo流場的相關(guān)系數(shù)都大于0.81(表2)。在赤道太平洋東部，Argo與5套模式流場的季節(jié)變化特征都不明顯(圖略)。

在相位的西向傳播方面，除HYCOM外的4套模式流場(圖4d～4r)中都有這一特征。本文進一步定量比較了相位的西傳速度及相位差，就西傳速度而言，除HYCOM外的其他4套模式流場都與Argo流場接近(表2)。就相位而言，ECCO2和SODA流場與Argo流場接近，OFES和LICOM滯后Argo流場1～3個月(表2)，而HYCOM西傳信號與Argo不一致(圖4j～4l)，無法比較兩者的相位差。

圖5 Argo及5套模式沿季節(jié)變化信號西傳路徑上 的平均流速異常值的經(jīng)向結(jié)構(gòu)Fig.5 The meridional structure of the velocity anomalies averaged along the propagation path of the seasonal variation signal in Argo and five models outputs flow fields

在相位的經(jīng)向結(jié)構(gòu)方面，除HYCOM外的4套模式流場的經(jīng)向結(jié)構(gòu)都與Argo流場非常接近(圖5)，且與Argo流場之間的相關(guān)系數(shù)都大于0.92(表2)。雖然OFES、LICOM和SODA的流速異常值在4°N處稍微大于4°S處，但經(jīng)向結(jié)構(gòu)在整體上仍然關(guān)于赤道近似對稱。HYCOM的流速異常值在2°S—4°S范圍內(nèi)為負(fù)值，在2°N—4°N范圍內(nèi)為正值，其經(jīng)向結(jié)構(gòu)關(guān)于赤道不對稱，與Argo流場存在顯著的差異。

(a)赤道太平洋西部(140°E-180°E,1°N-1°S)

(b)赤道太平洋中部(180°E-130°W,1°N-1°S)

綜上所述，除HYCOM外的4套模式赤道太平洋中層流都存在顯著的季節(jié)變化特征，且季節(jié)變化的相位、相位的西傳速度及相位的經(jīng)向結(jié)構(gòu)都與Argo流場接近。

3 討論

3.1 水平分辨率對流場模擬的影響

OFES和LICOM數(shù)據(jù)的水平分辨率為1/10°×1/10°，HYCOM的為1/12°×1/12°，這3套模式數(shù)據(jù)的水平分辨率較高，而ECCO2和SODA數(shù)據(jù)的水平分辨率分別為1/4°×1/4°和1/2°×1/2°，水平分辨率較低。評估結(jié)果顯示，高水平分辨率模式(OFES、LICOM及HYCOM)對赤道太平洋中層流的模擬效果反而沒有低水平分辨率模式(ECCO2和SODA)的好。其可能原因是：維持赤道太平洋中層流的能量來自海表[34]，而模式的水平分辨率高意味著能量在海表的耗散較多，因此自海表向下傳播的能量少，導(dǎo)致中層流的模擬效果不理想。同時，由于赤道太平洋中層流是大尺度環(huán)流，低水平分辨率模式(ECCO2和SODA)足以模擬出赤道太平洋中層流的時空特征。

3.2 垂向分辨率對流場模擬的影響

HYCOM模式數(shù)據(jù)的垂向?qū)訑?shù)為40層，小于其他4套模式數(shù)據(jù)(50～55層之間，見表1)，而這一差異主要體現(xiàn)在次表層之下(圖7)。在100～2 000 m深度范圍內(nèi)，OFES和ECCO2數(shù)據(jù)的垂向?qū)訑?shù)有27層，LICOM和SODA數(shù)據(jù)分別有29和23層，而HYCOM模式只有15層。評估結(jié)果顯示(表2)，除HYCOM外的4套模式赤道太平洋中層流都存在與Argo流場一致的季節(jié)變化特征。這可能是因為HYCOM模式的低垂向分辨率影響了年周期Rossby波在垂向上的傳播，進而影響赤道太平洋中層流的模擬效果。因此，在構(gòu)建模式模擬赤道太平洋中層流時，應(yīng)盡可能采用高垂向分辨率的網(wǎng)格。

圖7 5套模式的垂向分層Fig.7 Vertical stratification of five models outputs

3.3 數(shù)據(jù)同化對流場模擬的影響

本文選取的5套數(shù)據(jù)中，OFES和LICOM流場是模式直接輸出的結(jié)果，而HYCOM、ECCO2和SODA數(shù)據(jù)則是在模式輸出的基礎(chǔ)上經(jīng)過溫鹽數(shù)據(jù)同化的結(jié)果。評估結(jié)果表明，同化后的流場中赤道太平洋中層流都存在與Argo一致的南強北弱特征，而未經(jīng)同化的流場中則沒有這一特征，說明溫鹽數(shù)據(jù)同化可能會改進赤道中層流在空間分布特征上的模擬效果。其可能的原因是：維持赤道太平洋中層流的能量來自海表[34]，而溫鹽數(shù)據(jù)同化會改善模式中0～2 000 m深度范圍內(nèi)的垂向密度層結(jié)，使得能量在垂向上的傳播更準(zhǔn)確，最終使赤道太平洋中層流的模擬效果更好。

4 結(jié)論

本文以Argo軌跡資料計算的赤道太平洋1 000 m深度流場作為實測數(shù)據(jù)，從赤道太平洋中層流的空間結(jié)構(gòu)特征和時間變化特征兩方面對5套常用海洋模式產(chǎn)品(OFES、LICOM、HYCOM、ECCO2和SODA)進行了評估。Argo流場中，赤道太平洋中層流存在明顯的條帶狀結(jié)構(gòu)，東向流與西向流交替分布，且緯向流表現(xiàn)出明顯的西強東弱和南強北弱特征。此外，太平洋中層流存在顯著的季節(jié)性變化，季節(jié)變化的相位有西傳的特征且在經(jīng)向上關(guān)于赤道對稱。評估結(jié)果表明，SODA數(shù)據(jù)的赤道太平洋中層流與實測流場最接近，各方面特征都與實測流場基本一致；其次是ECCO2數(shù)據(jù)，除其流場動能約為實測流場的1/10外，其他各方面特征都與實測流場一致；OFES、LICOM和HYCOM數(shù)據(jù)中赤道中層流的模擬效果比SODA和ECCO2差，但都能模擬出條帶狀結(jié)構(gòu)及西強東弱的特征。

5套模式基本配置的比較結(jié)果顯示，對于構(gòu)建模擬赤道太平洋中層流模式，應(yīng)盡可能采用高垂向分辨率的網(wǎng)格。此外，溫鹽數(shù)據(jù)同化也可能會改善赤道太平洋中層流的模擬效果。