基于GODAE Ocean View標(biāo)準(zhǔn)的全球海洋環(huán)流預(yù)報(bào)系統(tǒng)評(píng)估

莫慧爾，萬(wàn)莉穎，秦英豪，祖子清，張宇

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081）

1 引言

全球海洋數(shù)據(jù)同化實(shí)驗(yàn)（Global Ocean Data Assimilation Experiment，GODAE）始于1997 年，它是協(xié)調(diào)、促進(jìn)全球與區(qū)域海洋分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展的唯一國(guó)際組織[1]。GODAE OceanView（GOV）是GODAE的繼承和延伸，自2009年成立至今，一直致力于通過(guò)國(guó)際合作繼續(xù)鞏固和推動(dòng)國(guó)際間業(yè)務(wù)化海洋學(xué)的發(fā)展[2-4]。GOV 通過(guò)成立不同的工作組（Task Team）來(lái)聚焦不同的科學(xué)問題，其中相互比較與驗(yàn)證工作組（Intercomparison and Validation Task Team, IVTT）成立于2010 年，旨在協(xié)同推進(jìn)業(yè)務(wù)化海洋學(xué)系統(tǒng)的科學(xué)驗(yàn)證和比較工作。它的活動(dòng)包括制定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估分析和預(yù)報(bào)場(chǎng)、建立全球與區(qū)域的比較計(jì)劃等，在統(tǒng)一框架下用相互比較和定量評(píng)估的方法判斷國(guó)際間海洋分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)的強(qiáng)弱。

GODAE 對(duì)海洋后報(bào)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品的評(píng)估原則包括一致性（Consistency）、質(zhì)量（Quality）和性能（Performance），即驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)果與對(duì)海洋環(huán)流和氣候特征的現(xiàn)有認(rèn)知是否一致，定性分析系統(tǒng)“最優(yōu)值”與海洋真值差異以及每個(gè)系統(tǒng)的短期預(yù)報(bào)能力[5]。所用的比較驗(yàn)證方法基于4 類“標(biāo)準(zhǔn)（Classes）”。Class1—3 標(biāo)準(zhǔn)多應(yīng)用于系統(tǒng)氣候態(tài)和后報(bào)評(píng)估：Class1 標(biāo)準(zhǔn)主要用于評(píng)估相干空間結(jié)構(gòu)或主要流系、海洋鋒和中尺度渦等海洋過(guò)程；Class2標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重與錨定浮標(biāo)時(shí)間序列的對(duì)比以及時(shí)間序列間的統(tǒng)計(jì)分析；Class3標(biāo)準(zhǔn)主要評(píng)估體積輸送、熱輸送和渦動(dòng)動(dòng)能的空間分布和時(shí)間變化。而Class4標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于系統(tǒng)預(yù)報(bào)性能和預(yù)報(bào)技巧評(píng)估，通過(guò)與所有可用的海洋觀測(cè)（現(xiàn)場(chǎng)漂流浮標(biāo)或衛(wèi)星數(shù)據(jù)）的比較，評(píng)估系統(tǒng)的近實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性[6-7]。Class4相互比較框架的建立基于IVTT 參與者的志愿行動(dòng)，即：其中一家業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)收集觀測(cè)數(shù)據(jù)、進(jìn)行質(zhì)量訂正、提供包含觀測(cè)及自身業(yè)務(wù)化海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Operational Ocean Forecast Systems，OOFS）預(yù) 報(bào) 場(chǎng) 的 初 始 文 件（NetCDF 格式）、并上傳到USGODAE 服務(wù)器上，其他參與者下載該初始文件、按照該文件格式將自己的OOFS 預(yù)報(bào)場(chǎng)插值成相似的數(shù)據(jù)文件、再上傳至USGODAE 服務(wù)器。最終，服務(wù)器上包含所有參與Class4 相互比較的OOFS 結(jié)果。目前，英國(guó)氣象局志愿提供海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）、海平面異常（Sea Level Anoma-ly，SLA）和T/S 剖面（Temperature/Salinity Profiles）的初始文件，加拿大環(huán)境中心則提供海冰密集度的初始文件。該數(shù)據(jù)并未對(duì)外公開，僅用于成員間共享。

參與比較的業(yè)務(wù)化海洋學(xué)系統(tǒng)主要有英國(guó)氣象 局 的FOAM[8]（Forecast Ocean Assimilation Model）、法國(guó)麥卡托中心的PSY3和PSY4[9]、加拿大環(huán)境中心的GIOPS-CONCEPTS[10]（Global Ice Ocean Prediction System-Canadian Operational Net-work of Coupled Environmental Prediction Systems，一 般 簡(jiǎn) 稱“GIOPS”）、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/美國(guó)國(guó)家氣象局/美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（National Centers for Environmental Prediction/National Weather Service/National Oceanic Atmospheric Admins-tration，NCEP/NWS/NOAA）的RTOFS（Real-Time Ocean Forecast System）[11]、澳大利亞氣象局的BLUElink OceanMAPS[12]（The Ocean Model Anal-ysis and Prediction System），國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心自2017 年起也向USGODAE 服務(wù)器上傳Class4 標(biāo)準(zhǔn)下的產(chǎn)品-全球業(yè)務(wù)化海洋學(xué)預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Chinese Global Operational Forecasting System，CGOFS）。

基于GOV-IVTT 的Class4 標(biāo)準(zhǔn)，目前已有不少國(guó)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)開展了全球或區(qū)域的比較。結(jié)果表明沒有一個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在所有變量預(yù)報(bào)中明顯優(yōu)于其他系統(tǒng)，而多系統(tǒng)集合平均的預(yù)報(bào)效果比單個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)要好[6，13-14]。為了解國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心CGOFS 全球海洋環(huán)流預(yù)報(bào)系統(tǒng)的性能，本文基于Class4標(biāo)準(zhǔn)主要評(píng)估了該系統(tǒng)在海表溫度預(yù)報(bào)上的表現(xiàn)。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

21 世紀(jì)初，世界各國(guó)的全球海洋業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，預(yù)報(bào)系統(tǒng)在空間分辨率、同化方法等方面得到了很大改進(jìn)[15]。國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心在“十二五”期間也構(gòu)建了我國(guó)首個(gè)涵蓋全球大洋的一體化全球業(yè)務(wù)化海洋學(xué)預(yù)報(bào)系統(tǒng)CGOFS[16-17]。該系統(tǒng)中的全球海洋環(huán)流預(yù)報(bào)系統(tǒng)以MOM4（Modular Ocean Model Version 4）海洋模式[18]為基礎(chǔ)，耦合SIS（Sea Ice Simulator）海冰模式[19]，采用三極點(diǎn)網(wǎng)格坐標(biāo)，分辨率為1/4°，垂直分層為50 層，225m 以上分辨率為10m，同化方案為三維變分[20-23]。CGOFS 實(shí)時(shí)同化了海表溫度資料（Real Time Global Sea Surface Temperature，TGSST），法國(guó)衛(wèi)星海洋存檔數(shù)據(jù)中心（Archiving，Validation，and Interpolation of Satellite Oceano -graphic，AVISO）的海表高度資料以及Argo 溫鹽剖面等多源觀測(cè)資料。系統(tǒng)自2013年起業(yè)務(wù)化運(yùn)行，采用0.5°分辨率的NCEP 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Global Forecast System，GFS）的海表面風(fēng)場(chǎng)和熱力強(qiáng)迫[24]。這標(biāo)志著我國(guó)海洋預(yù)報(bào)保障能力從近海擴(kuò)展到全球大洋，體現(xiàn)了我國(guó)海洋數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

本文用于比較的預(yù)報(bào)系統(tǒng)FOAM 基于NEMO海洋模式[25]和CICE 海冰模式，水平分辨率為1/4°；PSY3 和PSY4 基于NEMO 海洋模式和LIM2[26]海冰模式，水平分辨率分別為1/4°和1/12°；GIOPS 同樣基于NEMO 海洋模式和CICE 海冰模式，水平分辨率為1/4°；RTOFS基于HYCOM 模式[27]，水平分辨率為1/12°；BLUElink OceanMAPS基于MOM4海洋模式[18]，水平分辨率為1°，澳大利亞周邊加密至0.1°。關(guān)于系統(tǒng)參數(shù)、同化方案和強(qiáng)迫場(chǎng)等詳細(xì)說(shuō)明可參考文獻(xiàn)[6，13-14]。

3 數(shù)據(jù)及方法

系統(tǒng)評(píng)估所用的觀測(cè)海表溫度來(lái)自USGODAE的現(xiàn)場(chǎng)漂流浮標(biāo)（網(wǎng)址：http://www.usgodae.org/cgibin / datalist. pl? dset=fnmoc_obs_sfcobs&summary=Go），全球溫度的空間分布如圖1a 所示。大部分浮標(biāo)點(diǎn)分布于南北緯60°之間，浮標(biāo)點(diǎn)個(gè)數(shù)每天變動(dòng)，約為20,000～30,000萬(wàn)個(gè)（見圖1b）。與來(lái)自先進(jìn)的沿軌掃描輻射計(jì)（Advanced Along-Track Scanning Radiometer，AATSR）和先進(jìn)的微波掃描計(jì)（Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth，AMSR-E）海表溫度的誤差對(duì)比分析表明，USGODAE 現(xiàn)場(chǎng)漂流浮標(biāo)的海表溫度觀測(cè)不確定性約為0.2 ℃[28]。除英國(guó)氣象局FOAM 系統(tǒng)外，其他系統(tǒng)均未同化該觀測(cè)資料，所以可利用這個(gè)相對(duì)獨(dú)立的海表溫度觀測(cè)資料來(lái)檢驗(yàn)評(píng)估預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)技巧。

圖1 USGODAE現(xiàn)場(chǎng)表層漂流浮標(biāo)

本文CGOFS的評(píng)估時(shí)間段為2015年1月1日—2017 年12 月31 日。系統(tǒng)采用IVTT Class4 標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)估方法，在全球平均標(biāo)準(zhǔn)下評(píng)估業(yè)務(wù)化系統(tǒng)的技巧及性能表現(xiàn)。所用的統(tǒng)計(jì)量包括偏差（Bias）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、異常相關(guān)（Anomaly Correlation，AC）以及用延續(xù)性預(yù)報(bào)場(chǎng)（Persistence）和氣候態(tài)場(chǎng)（Climatology）構(gòu)造的兩個(gè)技巧評(píng)分（Skill Score）。公式如下：

偏差：

均方根誤差：

異常相關(guān)：

式中：F為預(yù)報(bào)值；O為觀測(cè)值；C為氣候態(tài)。技巧評(píng)分：

式中：延續(xù)性預(yù)報(bào)場(chǎng)是由預(yù)報(bào)場(chǎng)前移1 d 并插值到觀測(cè)點(diǎn)得到；氣候態(tài)場(chǎng)由《世界海洋圖集2001》（World Ocean Atlas 2001，WOA01）月平均場(chǎng)插值得到[29]。當(dāng)參考場(chǎng)（Reference）為延續(xù)性預(yù)報(bào)場(chǎng)時(shí)，技巧評(píng)分為延續(xù)性預(yù)報(bào)技巧（Persistence Skill Score，PSS）；當(dāng)參考場(chǎng)為氣候態(tài)場(chǎng)時(shí)，技巧評(píng)分為氣候態(tài)預(yù)報(bào)技巧（Climatology Skill Score，CSS）。

4 結(jié)果

將多個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)與同一觀測(cè)資料對(duì)比，既可了解預(yù)報(bào)系統(tǒng)本身預(yù)報(bào)精度，也可以進(jìn)行各個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的橫向?qū)Ρ确治?。?是各預(yù)報(bào)系統(tǒng)SST 預(yù)報(bào)的RMSE 隨預(yù)報(bào)天數(shù)的變化。結(jié)果表明，英國(guó)氣象局預(yù)報(bào)系統(tǒng)FOAM 預(yù)報(bào)前4 d 的RMSE 值最小，但其誤差增長(zhǎng)較大，預(yù)報(bào)6 d 后誤差增長(zhǎng)百分比達(dá)61.1%。這可能因?yàn)镕OAM 系統(tǒng)是所有系統(tǒng)中唯一直接同化了USGODAE 現(xiàn)場(chǎng)漂流浮標(biāo)觀測(cè)的SST，隨著預(yù)報(bào)天數(shù)增長(zhǎng)，該觀測(cè)資料帶來(lái)的同化增益必然降低。從表1 中可見，積分5 d 后，加拿大的GIOPS 系統(tǒng)的誤差甚至少于FOAM 系統(tǒng)。相對(duì)于FOAM系統(tǒng)，其他預(yù)報(bào)系統(tǒng)誤差較大，但誤差增長(zhǎng)百分比較低，一般在10%左右。國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心CGOFS系統(tǒng)的第1 d誤差為0.65 ℃左右，7 d誤差增長(zhǎng)為13%，預(yù)報(bào)精度在參與評(píng)估的多個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中處于中等水平。

表1 各預(yù)報(bào)系統(tǒng)SST預(yù)報(bào)1—7 d的RMSE（單位：℃）及誤差增長(zhǎng)百分比

本文分析了CGOFS 全球海洋環(huán)流預(yù)報(bào)系統(tǒng)的SST 預(yù)報(bào)與多個(gè)系統(tǒng)的相互比較情況，以下是對(duì)CGOFS SST 預(yù)報(bào)的詳細(xì)評(píng)估。CGOFS 系統(tǒng)的預(yù)報(bào)偏差隨預(yù)報(bào)時(shí)間變化偏差平均值為負(fù)（見圖2a），且隨預(yù)報(bào)時(shí)間呈略微下降趨勢(shì)，絕對(duì)偏差增大。這說(shuō)明：總體而言CGOFS全球預(yù)報(bào)的SST總體較觀測(cè)偏冷，且預(yù)報(bào)技巧隨天數(shù)增加略微下降。從系統(tǒng)預(yù)報(bào)偏差隨時(shí)間變化可以看出，系統(tǒng)偏差值約在-0.4～0.2 ℃之間，以負(fù)偏差為主；而2016 年5—12 月間存在與其他時(shí)段不同的正偏差（見圖2b）。數(shù)值預(yù)報(bào)的誤差主要分系統(tǒng)性誤差和非系統(tǒng)性誤差。系統(tǒng)性誤差和模式性能有關(guān)，例如模式動(dòng)力過(guò)程、分辨率和參數(shù)化等；非系統(tǒng)性誤差是模式以外的原因造成的。因此，初步判斷2016 年5—12 月間的正偏差是由于非系統(tǒng)性誤差造成的，即觀測(cè)誤差以及強(qiáng)迫場(chǎng)誤差等。我們將進(jìn)一步針對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)誤差的來(lái)源進(jìn)行詳細(xì)分析，以期為改善數(shù)值預(yù)報(bào)和提高數(shù)值預(yù)報(bào)質(zhì)量提供重要參考。

CGOFS 全球海洋環(huán)流預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)第1 d 的RMSE 值約為0.65 ℃（見圖3），隨預(yù)報(bào)天數(shù)增長(zhǎng)，預(yù)報(bào)誤差呈增大趨勢(shì)。由預(yù)報(bào)的RMSE隨時(shí)間變化也可以看出，除少數(shù)天數(shù)外，預(yù)報(bào)的RMSE 范圍多在0.5～0.7 ℃左右，系統(tǒng)在某些天數(shù)的最大均方根誤差達(dá)1 ℃左右。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，誤差可能與外部強(qiáng)迫有關(guān)。

圖2 CGOFS全球海洋環(huán)流預(yù)報(bào)系統(tǒng)SST偏差

圖3 CGOFS全球海洋環(huán)流預(yù)報(bào)系統(tǒng)SST的均方根誤差

AC 刻畫的是預(yù)報(bào)異常與觀測(cè)異常的相關(guān)性。AC 常用于驗(yàn)證數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的結(jié)果，AC 值越接近1越佳，但AC對(duì)預(yù)報(bào)偏差不敏感，好的AC不能保證預(yù)報(bào)精度更高。CGOFS 預(yù)報(bào)第1 d 的AC 平均值在0.75 左右（見圖4），隨積分天數(shù)的增長(zhǎng)下降至0.65左右；預(yù)報(bào)的AC 隨時(shí)間的變化也表明預(yù)報(bào)與觀測(cè)相關(guān)的范圍在0.6～0.8左右。

圖4 CGOFS全球海洋環(huán)流預(yù)報(bào)系統(tǒng)的SST異常相關(guān)

為了解CGOFS 環(huán)流系統(tǒng)在全球各區(qū)域的預(yù)報(bào)誤差，根據(jù)IVTT Class4標(biāo)準(zhǔn)劃分了全球大洋各海盆（見表2）。圖5 為系統(tǒng)預(yù)報(bào)第1 d 在不同海域的RMSE，其中北大西洋和北太平洋的RMSE 值與全球相當(dāng)，約為0.65 ℃左右；南大西洋誤差最大，約為0.68 ℃；赤道太平洋誤差最小，約0.38 ℃。

圖5 CGOFS全球海洋環(huán)流預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)第1 d在不同海域的RMSE

為了更好地理解預(yù)報(bào)系統(tǒng)的性能，需要將預(yù)報(bào)場(chǎng)準(zhǔn)確性與參考場(chǎng)作對(duì)比。在IVTT Class4框架下，有兩個(gè)參考場(chǎng)，分別為延續(xù)性預(yù)報(bào)場(chǎng)和氣候態(tài)場(chǎng)，所以根據(jù)定義，可構(gòu)造兩個(gè)技巧評(píng)分，分別為PSS和CSS。圖6 和圖7 分別為相對(duì)于延續(xù)性預(yù)報(bào)場(chǎng)和氣候態(tài)預(yù)報(bào)場(chǎng)的技巧評(píng)分。對(duì)于延續(xù)性預(yù)報(bào)而言，CGOFS 的PSS 大于零，并隨預(yù)報(bào)天數(shù)增加而下降。這說(shuō)明CGOFS 系統(tǒng)預(yù)報(bào)的SST 準(zhǔn)確性比它自身的延續(xù)性場(chǎng)要好（見圖6a）。另外該系統(tǒng)在南北緯40°間大部分范圍內(nèi)對(duì)SST 延續(xù)性預(yù)報(bào)技巧比全球其他區(qū)域更高，而在南極繞極流地區(qū)的預(yù)報(bào)技巧較低（見圖6b）。同樣，相對(duì)于氣候態(tài)預(yù)報(bào)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，CGOFS的氣候態(tài)技巧也為正值，系統(tǒng)預(yù)報(bào)理論上應(yīng)比氣候態(tài)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，CSS 較高區(qū)域位于北太平洋西部、赤道太平洋中西部以及北大西洋中高緯地區(qū)（見圖7）。

圖6 CGOFS全球海洋環(huán)流預(yù)報(bào)系統(tǒng)的延續(xù)性預(yù)報(bào)技巧

圖7 CGOFS全球海洋環(huán)流預(yù)報(bào)系統(tǒng)的氣候態(tài)預(yù)報(bào)技巧

5 結(jié)論及討論

本文基于IVTT Class4的觀測(cè)資料和標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估了國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心中等分辨率業(yè)務(wù)化全球海洋環(huán)流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)CGOFS。綜上可知，CGOFS 的SST 預(yù)報(bào)RMSE 范圍在0.65～0.73 ℃，在多個(gè)國(guó)際業(yè)務(wù)化系統(tǒng)中預(yù)報(bào)精度處于中間位置。全球整體預(yù)報(bào)偏差約為-0.1 ℃，預(yù)報(bào)較觀測(cè)偏冷。預(yù)報(bào)與觀測(cè)的相關(guān)性可高達(dá)0.6～0.8。且無(wú)論對(duì)于延續(xù)性預(yù)報(bào)場(chǎng)還是氣候態(tài)場(chǎng)而言，其技巧評(píng)分皆為正值，說(shuō)明該系統(tǒng)可用來(lái)進(jìn)行表層海表溫度的預(yù)報(bào)。

值得注意的是，英國(guó)氣象局FOAM 系統(tǒng)預(yù)報(bào)的誤差增長(zhǎng)率雖遠(yuǎn)高于其他幾個(gè)系統(tǒng)，但由于其是唯一同化了USGODAE 準(zhǔn)實(shí)時(shí)觀測(cè)SST 的系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)同化的SST 特征隨著模式積分而丟失，但仍可維持其預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)誤差小于其他大部分預(yù)報(bào)系統(tǒng)，這充分說(shuō)明了近實(shí)時(shí)觀測(cè)對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)的重要性。

另外，PSY3 和PSY4 是麥卡托中心基于同一海洋模式、同樣強(qiáng)迫場(chǎng)、同化同樣的觀測(cè)資料，但分辨率不同的兩套業(yè)務(wù)系統(tǒng)，分辨率提高在預(yù)報(bào)中的優(yōu)勢(shì)并沒有得到很好的體現(xiàn)。Class4標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估所用的觀測(cè)資料是否可以抓住中尺度渦的變化特征？是否可以用來(lái)評(píng)估渦分辨率系統(tǒng)對(duì)中尺度渦的模擬以及現(xiàn)有的Class4標(biāo)準(zhǔn)是否能適用于高分辨率系統(tǒng)中中尺度渦預(yù)測(cè)能力的評(píng)估還需進(jìn)一步研究。目前，國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心基于海洋模式NEMO 研發(fā)的高分辨率全球海洋環(huán)流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)已業(yè)務(wù)化運(yùn)行，我們未來(lái)將對(duì)高分辨率對(duì)大洋環(huán)流預(yù)報(bào)的影響開展進(jìn)一步評(píng)估。