張志遠(yuǎn)，林士偉，鐘建，王燕，肖斌，王關(guān)鎖

（1.中國人民解放軍91001部隊，北京100161；2.自然資源部第一海洋研究所，山東青島266061）

1 引言

隨著軍事活動和海洋深海作業(yè)的不斷開展，水下海洋環(huán)境保障的需求越來越強(qiáng)烈，其中，水下溫鹽分布和溫鹽躍層是非常重要的保障要素，上升流和中尺度渦等海洋現(xiàn)象在溫度和鹽度分布中都有明顯的表征，并對躍層分布產(chǎn)生顯著的影響，進(jìn)而形成復(fù)雜的躍層類型。研究海洋中的上升流現(xiàn)象，并及時給出準(zhǔn)確的預(yù)報信息，是海洋環(huán)境預(yù)報中非常重要的環(huán)節(jié)之一。上升流會將海洋下層豐富的礦物質(zhì)帶到上層，引起魚蝦等動植物大量繁殖，極大地增強(qiáng)海洋有機(jī)物的初級生產(chǎn)力。從全球來看，比較大的上升流區(qū)都是重要的漁場。因此，針對上升流區(qū)域的水文特征和形成原因開展分析，后期利用數(shù)值預(yù)報和衛(wèi)星遙感資料開展研究，將成為海洋研究工作的重點[1-5]。

海洋中的上升流是由表層流場產(chǎn)生水平輻散造成的從底層沿直線上升的海流，是一種常見的海水運動。風(fēng)吹走表層水，下面的水就會上升予以補(bǔ)充，表層以下的海水，會由于表層流場的水平輻散而做上升流動；反之，表層流場的水平輻合會使海水由海面做鉛直下降的流動，這種海流被稱為下降流。上升流和下降流統(tǒng)稱為升降流，是組成海洋環(huán)流的重要部分，與海流水平運動共同構(gòu)成總環(huán)流[1-2]。盡管上升流流速比水平流流速小幾個量級，但由于它會引起海洋上層（混合層）的攪拌，因此一直是大家研究的重點。

海南島以東（瓊東）沿岸海域位于南海北部陸架區(qū)，受季風(fēng)和地形等多種因素影響，多在每年4—9月出現(xiàn)上升流現(xiàn)象。謝玲玲等[6]和吳日升等[7]分別從不同角度研究了瓊東上升流的分布區(qū)域和形成機(jī)制，分析其基本水文特征、年際差異以及風(fēng)場和地形等影響因素的作用，并對比了近年沿岸上升流的前沿進(jìn)展。舒業(yè)強(qiáng)等[8]總結(jié)了黑潮入侵南海、季風(fēng)和地形等因素在南海北部陸架陸坡流系中的影響。

隨著數(shù)值預(yù)報技術(shù)的發(fā)展，郭飛等[9]和經(jīng)志友等[10]利用數(shù)值模式后報方法對瓊東上升流進(jìn)行了分析刻畫，雖然分辨率較粗，但也印證了上升流的存在和分布特點。本文以業(yè)務(wù)化運行的高分辨率海浪-潮流-環(huán)流耦合數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)（The First Institute of Oceanography Coordinate Ocean Model，F(xiàn)IOCOM）[11-12]產(chǎn) 品為主體，提取瓊東海溫和海流預(yù)報數(shù)據(jù)，分析瓊東上升流情況，并結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析其分布規(guī)律，印證數(shù)值模式對瓊東上升流的預(yù)報效果。

2 瓊東區(qū)域地形特點

南海北部陸架區(qū)是我國華南大陸向南海自然延伸的部分，陸架區(qū)的海底地形線與東北-西南向的海岸線大致平行，并由岸邊向海盆以0.03′左右的地形坡角緩傾。陸架海底的水深向外緣增大到230 m左右時，海底地形發(fā)生明顯變化，其坡度陡增轉(zhuǎn)為大陸坡。瓊東海域200 m等深線與50 m等深線接近，最近距離只有60 km左右，陸架外深層低溫水很容易接近岸邊并上升。

南海屬于典型的熱帶季風(fēng)氣候，風(fēng)向明顯隨季節(jié)變化。冬季，寒冷的氣流沿蒙古高壓的東部邊緣襲向海面，自北向南按順時針方向偏轉(zhuǎn)，盛行東北風(fēng)。夏季，溫暖的氣流沿印度低壓邊緣自南向北按逆時針方向偏轉(zhuǎn)，盛行西南風(fēng)。2018年南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間異常偏晚，結(jié)束時間偏早，強(qiáng)度異常偏強(qiáng)。6月中上旬201804號臺風(fēng)“艾云尼”從南向北進(jìn)入瓊東上升流區(qū)域并反復(fù)徘徊，在廣東徐聞、海南海口和廣東陽江3次登陸，7月中下旬201809號臺風(fēng)“山神”從東向西橫切瓊東上升流區(qū)域，7月18日05時（北京時，下同）前后在海南萬寧登陸。謝玲玲等[13]對臺風(fēng)過境時海表溫度響應(yīng)的研究表明，臺風(fēng)速度、強(qiáng)度和進(jìn)入上升流區(qū)域路徑的角度等對海洋上層升溫、降溫和保持不變等各種情況有不同影響。因此，本文為了更好地分析數(shù)值預(yù)報模擬單純上升流的效果，避開上述兩個時段，選擇7月上半月提取數(shù)值預(yù)報和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析比較。

3 衛(wèi)星遙感分析

目前，海洋資料的獲取主要有現(xiàn)場觀測和遙感兩種手段?，F(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)主要是點、線觀測，覆蓋范圍小，數(shù)量有限。隨著海洋遙感衛(wèi)星技術(shù)的充分發(fā)展，遙感手段因其覆蓋范圍廣、時間連續(xù)和時效性強(qiáng)等優(yōu)點，已經(jīng)成為海洋資料獲取的重要手段。針對海表溫度的觀測主要有微波和紅外觀測兩種方式，因兩種技術(shù)體制在觀測方式、分辨率和受天氣影響等方面互為補(bǔ)充，因此國內(nèi)外組織或?qū)＜乙劳行l(wèi)星資料開展了海表溫度融合數(shù)據(jù)研究，其中全球海洋同化試驗計劃（Global Ocean Data Assimilation Experiment，GODAE）中的高分辨率海表溫度試驗計劃（GODAE High-Resolution Sea Surface Temperature，GHRSST）近10 a發(fā)布了大量產(chǎn)品[14-15]。多源融合遙感觀測海表溫度數(shù)據(jù)，成為研究瓊東上升流的重要衡量手段。

本文利用美國遙感系統(tǒng)研究公司的海表溫度融合產(chǎn)品（Remote Sensing System_MicroWave-infrared optimally interpolated Surface Sea Temperature，RSS_MWSST）和英國氣象局（Met Office）發(fā)布的海表溫度融合產(chǎn)品（Operational SST and sea Ice Analysis，OSTIA）資料[16]作為對比數(shù)據(jù)（見表1）。MW_IR產(chǎn)品是基于最優(yōu)插值技術(shù)利用微波和紅外遙感產(chǎn)品生產(chǎn)制作的，空間分辨率9 km，時間分辨率1 d（網(wǎng)址：ftp://ftp.remss.com/sst/daily/mw_ir/v05.0/）。OSTIA數(shù)據(jù)融合了衛(wèi)星資料、浮標(biāo)和船舶觀測海溫等資料，利用二維變分技術(shù)融合，空間分辨為6 km，時間分辨率1 d（網(wǎng)址：http://opendap.jpl.nasa.gov/opendap/OceanTemperature/ghrsst/data/L4/GLOB/UKMO/OSTIA/）。

表1 本文使用的GHRSST發(fā)布的海表溫度融合產(chǎn)品

本文選取2018年7月1日、5日、10日和14日4 d的兩類衛(wèi)星資料，該區(qū)域海表溫度融合產(chǎn)品效果如 圖1所 示。M180701、M180705、M180710和M180714分別是MW_IR數(shù)據(jù)4 d的海表溫度效果，O180701、O180705、O180710和O180714分 別 是OSTIA數(shù)據(jù)4 d的海表溫度效果。從兩類衛(wèi)星融合產(chǎn)品刻畫的上升流將冷水帶到海表面冷水區(qū)分布的范圍和溫度差來看，2018年7月瓊東上升流現(xiàn)象非常明顯。

圖1 瓊東區(qū)域MW_IR和OSTIA海表海溫衛(wèi)星融合產(chǎn)品分布圖

4 數(shù)值預(yù)報分析

本文采用業(yè)務(wù)化運行的FIOCOM基于浪致混合理論[11]，實現(xiàn)了海浪和環(huán)流耦合的海洋動力學(xué)框架，有效解決了上層海洋湍流混合嚴(yán)重不足這一長期困擾海洋模式發(fā)展的科學(xué)難題，突破了浪潮流耦合和自主資料同化系統(tǒng)構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)，有效提升了對上層海洋環(huán)境的預(yù)報能力。

4.1 預(yù)報模式

4.1.1 FIOCOM全球耦合海洋模式

該全球耦合海洋模式水平分辨率達(dá)到0.1°，水平方向采用三極網(wǎng)格實現(xiàn)完整全球模擬，垂向采用Z坐標(biāo)，垂向?qū)ι蠈?0 m進(jìn)行了加密，平均分辨率5 m，表層垂向分辨率最高達(dá)到2 m。加密后模式垂向共分54層，最大水深5 500 m。環(huán)流模式初始場由WOA09（World Ocean Atlas 2009）氣候態(tài)數(shù)據(jù)的溫度和鹽度插值得到，通過將浪致混合系數(shù)（Bv）疊加在KPP（K-Profile Parameterization）方案計算的混合系數(shù)中實現(xiàn)海浪-環(huán)流耦合[17]，采用正壓潮流混合參數(shù)化方案[18]，水平摩擦采用Smagorinsky雙調(diào)和水平摩擦方案[19]。

4.1.2 地形數(shù)據(jù)處理

上升流在很大程度上受地形影響，本系統(tǒng)所含的全球潮預(yù)報對地形也非常敏感，因此構(gòu)建該業(yè)務(wù)化預(yù)報系統(tǒng)時，針對ETOPO1和GEBCO（General Bathymetric Chart of the Oceans）等多種水深數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和平滑，采用Blackman徑向濾波器構(gòu)造模式地形[20]。

4.1.3 海洋耦合模式同化

穩(wěn)定的海洋預(yù)報業(yè)務(wù)化系統(tǒng)需要以強(qiáng)大和完善的資料同化系統(tǒng)為前提，尹訓(xùn)強(qiáng)[21]為FIOCOM耦合模式構(gòu)建了高效并行的海洋觀測數(shù)據(jù)集合調(diào)整卡爾曼濾波（Ensemble Adjustment Kalman Filter，EAKF）同化系統(tǒng)。該同化系統(tǒng)將模式的集合運行和EAKF同化并行實現(xiàn)，解決了高分辨率高頻次模式同化計算規(guī)模的瓶頸；另外，該系統(tǒng)還分別針對Argo等垂向剖面數(shù)據(jù)和海洋融合數(shù)據(jù)兩類數(shù)據(jù)設(shè)計相應(yīng)的同化處理過程，實現(xiàn)全要素的海洋觀測數(shù)據(jù)同化。

4.2 和4.3節(jié)將FIOCOM數(shù)值預(yù)報結(jié)果與衛(wèi)星遙感融合產(chǎn)品和美國混合坐標(biāo)模式HYCOM（HYbrid Coordinate Ocean Model）數(shù)值預(yù)報結(jié)果[22]進(jìn)行對比，分析FIOCOM數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品對瓊東上升流的預(yù)報能力。

4.2 溫度場預(yù)報分析

FIOCOM是業(yè)務(wù)化連續(xù)運行的，而本文主要對比的衛(wèi)星遙感融合產(chǎn)品均為無云且覆蓋全海域的逐日數(shù)據(jù)，為了時空尺度匹配基本一致，本文選取00時開始的0～24 h的海表溫度日平均預(yù)報結(jié)果進(jìn)行對比。參照胡曉悅等[23]的分析結(jié)論，在南海及周邊海域針對融合海表溫度產(chǎn)品與現(xiàn)場海表溫度驗證的相關(guān)性、均方根誤差和偏差分析中，OSTIA的準(zhǔn)確性最高。本文以O(shè)STIA融合產(chǎn)品作為基準(zhǔn)，以圖1黑色方框為界，選取該區(qū)域內(nèi)3種產(chǎn)品的海溫數(shù)據(jù)（剔除水深小于20 m的數(shù)據(jù)），分析FIOCOM預(yù)報、HYCOM預(yù)報、MW_IR融合產(chǎn)品與OSTIA融合產(chǎn)品的誤差分布情況。

4.2.1 平面分布

本節(jié)針對第3部分衛(wèi)星資料選取的時間段，選取2018年7月1日、5日、10日和14日4 d的海表溫度日平均預(yù)報結(jié)果進(jìn)行對比（見圖2）。F180701、F180705、F180710、F180714分別是FIOCOM數(shù)據(jù)7月1日、5日、10日和14日4 d的海表溫度效果，H180701、H180705、H180710、H180714分 別 是HYCOM數(shù)據(jù)7月1日、5日、10日和14日4 d的海表溫度效果。從圖2中可以明顯看出，在預(yù)報的時間段內(nèi)FIOCOM和HYCOM的瓊東上升流都非常明顯。與圖1的MW_IR和OSTIA衛(wèi)星融合產(chǎn)品對比來看，F(xiàn)IOCOM預(yù)報的瓊東上升流的范圍和溫度差與衛(wèi)星遙感融合產(chǎn)品更接近，范圍主要在18.5°～20.5°N，112.5°E以西海域，數(shù)值預(yù)報效果與柴扉等[7]利用實測和物理海洋機(jī)理分析的結(jié)果非常一致。

圖2 瓊東區(qū)域FIOCOM和HYCOM海表海溫預(yù)報分布圖

從瓊東海域20 m深海水溫預(yù)報看（見圖3），瓊東和廣東西部冷水區(qū)相連，這與許金電等[24]指出的瓊東和粵西沿岸上升流區(qū)域并非相互獨立，20 m層已經(jīng)連成一片，且瓊東沿岸上升流的強(qiáng)度比粵西地區(qū)強(qiáng)等分析結(jié)果非常一致。

圖3 瓊東海域20 m深海水溫預(yù)報

4.2.2 平面分布定量分析

選取2018年7月1—15日FIOCOM預(yù)報、HYCOM預(yù)報、MW_IR融合和OSTIA融合4類產(chǎn)品的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量比較。經(jīng)統(tǒng)計，F(xiàn)IOCOM/OSTIA的均方根誤差為0.63，HYCOM/OSTIA的均方根誤差為0.68，F(xiàn)IOCOM的預(yù)報準(zhǔn)確性稍好，并且15 d內(nèi)相對比較穩(wěn)定。MW_IR在該海域和OSTIA吻合較好，沒有太大偏差（見圖4）。

圖4 7月1—15日FIOCOM、HYCOM、MW_IR與OSTIA均方根誤差比分析圖

4.2.3 剖面垂向分布

本文選取2018年7月8日24～48 h的海溫預(yù)報平均值作為比對基礎(chǔ)，選取研究區(qū)域內(nèi)如下4個剖面（經(jīng)度取陸地到112°E）：A（20°N斷面）、B（19.5°N斷面）、C（19°N斷面）和D（18.5°N斷面）。從圖5可以看出，瓊東上升流區(qū)域0～100 m海水的抬升趨勢非常明顯，海表冷水區(qū)和暖水區(qū)溫度差比較劇烈，基本都在2～3℃，圖6c顯示最為強(qiáng)烈。在110.7°E，19°N區(qū)域，對比HYCOM在這4個斷面的抬升情況（見圖6），結(jié)果非常近似。

圖6 HYCOM瓊東上升流區(qū)預(yù)報斷面圖

為定量比較上升流抬升強(qiáng)度，本文以圖5中A、B、C和D 4條斷面為基準(zhǔn)，提取FIOCOM和HYCOM兩個模式7月8日24～48 h預(yù)報和7月9日OSTIA融合產(chǎn)品作比較。從表2的比較結(jié)果可以看出，與OSTIA融合產(chǎn)品相比，兩種模式產(chǎn)品預(yù)報的冷水區(qū)海面溫度極差（即斷面水溫最大值減最小值）均較大，相比而言FIOCOM效果較好。

圖5 FIOCOM瓊東上升流區(qū)預(yù)報斷面圖

表2 FIOCOM和HYCOM兩種模式產(chǎn)品與OSTIA融合產(chǎn)品斷面海面溫度極差比較（單位：℃）

4.3 流場預(yù)報效果分析

瓊東上升流會受季風(fēng)和?？寺τ绊?。本文選取上升流區(qū)域周邊的清瀾海洋站，統(tǒng)計得出2018年7月上半月在未受臺風(fēng)影響的情況下，平均的近海面風(fēng)向均為南向或西南向，15 d內(nèi)逐小時出現(xiàn)風(fēng)速＞2 m/s的南風(fēng)或西南風(fēng)的概率為87%?？梢婏L(fēng)向與岸線大致平行，離岸的?？寺斔蜁股蠈雍Ｋx岸運動，同時為維持質(zhì)量守恒，上層的海水輻散迫使底層海水向上涌升補(bǔ)償，從而形成上升流。以7月4日FIOCOM海流預(yù)報數(shù)據(jù)為分析對象，提取20.3°N斷面的流速分量u的分布，結(jié)果如圖7所示。

圖7 20.3°N斷面的流速分量u的分布圖

由圖7可以看出，F(xiàn)IOCOM數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品清晰刻畫了上升流的特征，沿東西方向的流速分量u在上升流域的淺表層構(gòu)成了明顯的離岸流，即埃克曼輸送，與海洋下層形成的向岸流互為補(bǔ)充，形成一個循環(huán)。

4.4 模式誤差分析及改進(jìn)

盡管與HYCOM模式結(jié)果和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)相比，F(xiàn)IOCOM可以較好地刻畫2018年7月上半月瓊東上升流區(qū)域位置和水體特征等上升流特征，但依然存在上升流抬升強(qiáng)度偏大的問題。目前采用Lee等[19]的潮混合方案，該方案對于近岸潮混合過程的刻畫有待進(jìn)一步改進(jìn)。下一步將采用由引潮勢驅(qū)動實現(xiàn)全球潮波直接模擬的方式引入潮致混合效應(yīng)，預(yù)期將對潮混合過程有改進(jìn)作用，進(jìn)而改善上升流的模擬效果。

5 小結(jié)

本文采用業(yè)務(wù)化運行的浪潮流耦合模式FIOCOM對2018年7月上半月瓊東上升流進(jìn)行分析研究，并與美國全球混合坐標(biāo)模式HYCOM數(shù)據(jù)以及MW_IR和OSTIA兩類衛(wèi)星遙感融合資料進(jìn)行比較。分析結(jié)果表明：

（1）FIOCOM模式較好地刻畫了2018年7月上半月瓊東上升流區(qū)域的位置以及海洋表層和次表層海區(qū)低溫分布，表層離岸流與下層向岸流形成循環(huán)等陸架區(qū)上升流特征。

（2）兩個模式數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感融合資料對比的海溫預(yù)報均方根誤差表明，業(yè)務(wù)化運行的FIOCOM模式對2018年7月上半月瓊東上升流預(yù)報準(zhǔn)確性優(yōu)于HYCOM結(jié)果。

（3）FIOCOM和HYCOM兩個模式與同期MW_IR、OSTIA兩類衛(wèi)星遙感融合資料相比，冷水區(qū)分布預(yù)報效果較好。對應(yīng)的4個斷面對比看，海表溫度梯度差基本在2～3℃，甚至超過4℃。與遙感海表溫度實測相比，不論是FIOCOM或HYCOM，模式預(yù)報的上升流抬升強(qiáng)度皆偏大，造成冷水區(qū)溫度偏低，這是后續(xù)海洋模式優(yōu)化需要進(jìn)一步解決的問題。