基于卫星测高与测温的全球海洋表层流产品研制及示范应用

来源 :自然资源部第一海洋研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:banban0802
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海洋表层流(Ocean Surface Current,OSC)通常指海面以下15 m深度处相对稳定的海水流动,表层水体运动及其物质与能量输运在气候变化、污染扩散、渔业、船舶航行等方面具有十分重要的作用。目前主流的表层流遥感产品精度较低且没有利用可逐日覆盖全球的高分辨率海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)信息,高分辨率SST可包含亚中尺度过程,能够提供较小空间尺度信息。为了进一步提高表层流产品的精度且获得丰富的亚中尺度信息,本文以国外主流的基于卫星测高的Glob Current表层流产品为背景流,引入高分辨率海表面温度信息,开展了表层流产品的生成方法研究,分析了表层流产品对SST数据的敏感性,生成了1999-2018年长时间序列的全球海洋表层流网格化产品并利用漂流浮标实测数据进行了产品质量评估,最后开展了表层流产品的示范应用。本文研究内容包括:(1)基于卫星测高与卫星测温数据,开展表层流产品的生成方法研究,给出已知强迫与未知强迫两种情况下的表层流计算方法;(2)基于三种不同空间分辨率SST数据,分析表层流产品对SST的敏感性;(3)基于Glob Current表层流产品与MW SST数据,利用未知强迫的表层流计算方法,生成1999-2018年每日全球海洋表层流网格化产品,并利用漂流浮标现场观测数据对表层流产品进行质量评估;(4)在西北太平洋黑潮(Kuroshio)区域以及东南印度洋澳大利亚西海岸利文流(Leeuwin Current,LC)区域开展表层流产品的示范应用,分析流场及涡动能变化特征。本文主要结论如下:(1)已知强迫的表层流计算方法在弱海表面温度梯度(Sea Surface Temperature Gradient,SSTG)区域可能产生异常流速,而未知强迫的表层流计算方法则成功解决了这一问题,在保持沿等温线切向流速分量不变的同时,沿等温线法向流速分量可获得明显改进。(2)表层流产品精度强烈依赖于SST数据的质量,随着SST分析误差的增大,表层流产品精度降低。在高纬度区域基于MW SST、MWIR SST和OSTIA SST的表层流的纬向分量获得了不同程度的负向改善,MW SST产生了大约-5%的恶化,MWIR SST恶化更加严重,与MWIR SST相比OSTIA SST恶化程度明显降低。整体而言,基于不同SST的表层流获得的改进百分比具有相似的区域差异性,MW SST的表层流区域平均改善水平最高,而OSTIA SST的表层流改善效果最差。在局部区域,高分辨率SST能够为背景流添加小尺度信息,这突出了高分辨率SST数据的局部应用潜力。(3)未知强迫的表层流计算方法能够有效改善海洋表层流,这意味着该方法可用于生成长时间序列的网格化表层流产品,其中海面温度信息在校正背景流方面发挥了巨大作用,SST观测能够提供较小空间尺度的信息,用于弥补测高资料的不足。表层流产品能够充分利用高分辨率SST数据优势,经向分量与纬向分量分别可获得0.7%‐16.5%、0.5%‐6%的改善,并且在赤道带以及西边界流区域获得了较高水平的改善。存在强烈中尺度活动以及强温度梯度区域表层流往往表现更佳,这表明通过引入SST信息生成的表层流产品在海表面温度梯度(SSTG)较强区域能够有效改善基于卫星测高的背景流。(4)基于表层流产品的平均流场可以获取黑潮和LC的流动路径与流速变化规律。黑潮延伸体(Kuroshio Extension,KE)的涡动能(Eddy Kinetic Energy,EKE)在年代际时间尺度上存在着显著的低频振荡,主要表现为狭窄的强稳定急流的“伸长状态”与宽广的不稳定的“收缩状态”之间的振荡。为了更好地监测这两种状态,定义了一种基于黑潮延伸体子区域(32°N-37°N,141°E-149°E)平均涡动能的黑潮指数(Kuroshio Index,KI),用于表征KE区域的长期变化特征。由KI时间序列可知,黑潮延伸体对应的伸长状态时期有2002-2004年、2011年、2015年和2018年,收缩状态时期有1999-2001年和2009年。通过计算黑潮区域多年季节平均的涡动能,发现该区域涡动能还具有夏强冬弱的季节变化特征。黑潮不同流段平均涡动能功率谱分析表明黑潮各流段EKE都存在准10 a的年代际震荡特征。LC区域的分析结果表明,LC与南印度洋逆流(South Indian Countercurrent,SICC)区域具有较高的涡动能水平,LC区域涡动能具有夏弱冬强的季节变化特征,SICC区域涡动能明显滞后于LC。此外,LC与SICC区域最显著的变化周期为1 a和10 a。表层流产品在黑潮和LC区域的示范应用表明该产品提供了良好的全球海洋表层流估计,能够用于全球海洋的上层环流分析研究。
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