尹漢軍，謝波濤，黃必桂，朱宇航，彭世球，李毅能，程高磊

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100027；2.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510301；3.北部灣大學(xué) 廣西北部灣海洋災(zāi)害研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西欽州535011；4.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州511458）

0 引言

南海作為我國(guó)最大的邊緣海，地理戰(zhàn)略地位極其重要。南海不僅擁有豐富的油氣、礦產(chǎn)、漁業(yè)等資源，同時(shí)也是連接西北太平洋與印度洋的重要輸運(yùn)通道，其海上航行、漁業(yè)捕撈、工程作業(yè)等活動(dòng)頻繁。但是，受東亞季風(fēng)和黑潮的影響，南海海洋環(huán)境狀況復(fù)雜，海上災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響著我國(guó)在南海諸多活動(dòng)的安全。因此，為了維護(hù)我國(guó)在南海的核心利益，確保我國(guó)在南海海上活動(dòng)的安全，亟需不斷加強(qiáng)南海的海洋環(huán)境保障。

海洋環(huán)境要素對(duì)南海海洋環(huán)境的影響不僅體現(xiàn)在溫鹽流和水位等常規(guī)要素中，更體現(xiàn)在包括溫躍層、溫度鋒和中尺度渦等海洋現(xiàn)象要素中，它們對(duì)海上活動(dòng)的安全保障有著各自的影響。海洋溫躍層是海洋水體溫度在垂向上急劇變化的過(guò)渡層，其分布直接影響著海水的聲吶探測(cè)，進(jìn)而影響海上航行安全；此外，溫躍層與內(nèi)波的關(guān)系十分密切，內(nèi)波作為南海海域較為活躍的海洋現(xiàn)象之一，對(duì)海上工程設(shè)施等有著潛在的巨大破壞力，因此，南海溫躍層也間接影響著南海海上工程設(shè)施的安全。南海溫躍層有著典型的季節(jié)變化特征[1-5]，不同季節(jié)其結(jié)構(gòu)分布差別巨大，因此要消除溫躍層對(duì)南海海洋活動(dòng)安全的負(fù)面影響，必須對(duì)南海溫躍層的時(shí)空分布特征有深入的了解。溫度鋒也是南海特別是其北部海域常見(jiàn)的海洋現(xiàn)象之一。溫度鋒指的是海洋水平方向上毗鄰的溫度明顯不同的兩種或幾種水體之間的狹長(zhǎng)過(guò)渡帶。前人研究表明，南海溫度鋒受風(fēng)應(yīng)力、大尺度環(huán)流和氣候變暖等影響，其分布和出現(xiàn)頻率表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征[6-7]。溫度鋒在陸架海系統(tǒng)中起著重要的作用，并影響著陸架海的生態(tài)環(huán)境、漁業(yè)環(huán)境和區(qū)域氣候[8-9]，在海洋漁業(yè)、環(huán)境保護(hù)、水聲技術(shù)利用等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。中尺度渦是南海海域最重要的海洋現(xiàn)象之一，其在南海海域活動(dòng)頻繁[10-11]。南海中尺度渦在南海海洋動(dòng)量、熱量及其他示蹤物（如葉綠素等）的輸送中起著重要的作用[12]，對(duì)漁業(yè)發(fā)展有著重要的影響；此外，中尺度渦引起的海洋層結(jié)變化也嚴(yán)重影響聲吶水聲探測(cè)和船只的安全航行。綜上所述，南海海洋環(huán)境保障不僅要求獲取準(zhǔn)確的南海常規(guī)海洋要素信息，還需要對(duì)南海的現(xiàn)象要素有精確的感知。

南海海洋環(huán)境保障研究離不開(kāi)數(shù)據(jù)，特別是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)和高時(shí)空分辨率的海洋數(shù)據(jù)集的支持，數(shù)據(jù)集主要來(lái)自于數(shù)值模式模擬產(chǎn)品和再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品。目前，國(guó)內(nèi)外覆蓋南海區(qū)域的上述產(chǎn)品不少，例如：國(guó)際著名的簡(jiǎn)單海洋數(shù)據(jù)同化（Sample Ocean Data Assimilation，SODA）再分析產(chǎn)品[13-14]，其空間分辨率為1/8°×1/8°，但時(shí)間分辨率僅為5 d；混合坐標(biāo)大洋環(huán)流模式（Hybrid Coordinate Ocean Model，HYCOM）再分析數(shù)據(jù)集[15]的空間分辨率為1/12°×1/12°，時(shí)間分辨率為1 d；國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的中國(guó)海洋 再分析（China Ocean Reanalysis，CORA）v1.0 數(shù)據(jù)產(chǎn)品[16-17]的空間分辨率為1/8°×1/8°，時(shí)間分辨率為1 d；南海海洋再分析（Reanalysis Dataset of the South China Sea，REDOS）v1.0 產(chǎn)品[18]的空間分辨率為1/10°×1/10°，時(shí)間分辨率為1 d；全球高分辨率冰-海耦合再分析產(chǎn)品（CORAv2.0）為國(guó)內(nèi)僅有的含潮再分析數(shù)據(jù)集，空間分辨率為1/12°×1/12°，時(shí)間分辨率為1 d。以上覆蓋南海海區(qū)的數(shù)值產(chǎn)品的空間分辨率皆為渦分辨率，基本滿足南海中尺度海洋現(xiàn)象的分析要求，但大部分?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)間分辨率較粗，且不包含潮強(qiáng)迫，無(wú)法滿足對(duì)南海潮汐和潮流及更小時(shí)間尺度現(xiàn)象的研究需求。

因此，本研究基于區(qū)域海洋模式系統(tǒng)（Regional Ocean Model System，ROMS）構(gòu)建了一套覆蓋南海區(qū)域40 a（1980—2019年）的渦分辨率逐時(shí)溫鹽流數(shù)據(jù)集產(chǎn)品OCEAN_SCS，以支撐南海海洋環(huán)境保障的數(shù)據(jù)需求。通過(guò)與各類實(shí)測(cè)資料對(duì)比，我們前期驗(yàn)證了OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集對(duì)南海海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）、鹽度、流場(chǎng)、海表高度（Sea Surface Height，SSH）和水位的模擬精度[19]。本研究我們將從海洋現(xiàn)象要素（包括季節(jié)性溫躍層、溫度鋒和中尺度渦）的角度對(duì)OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)估，同時(shí)參與對(duì)比的還有包含了資料同化的HYCOM再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

1 數(shù)據(jù)集介紹

1.1 模式介紹與設(shè)置

OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集基于ROMS[20-21]構(gòu)建，版本為法國(guó)發(fā)展研究院（Institut de Recherche pour le Développment，IRD）開(kāi)發(fā)的ROMS_ARGIF 3.3.1[22-23]。模式區(qū)域范圍包括了南海和部分西北太平洋區(qū)域（99°～134°E，1°～30°N，見(jiàn)圖1），水平分辨率為1/10°×1/10°，垂向采用S 坐標(biāo)，分32 層。模式海底地形采用國(guó)際航道測(cè)量組織（International Hydrographic Organization，IHO）提供的15″×15″世界大洋深度 圖（General Bathymetric Chart of the Ocean，GEBCO）2019版數(shù)據(jù)[24]。為了減少大梯度地形對(duì)模式模擬精度的影響，本研究將GEBCO 2019 地形數(shù)據(jù)插值到模式網(wǎng)格點(diǎn)的同時(shí)對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)钠交ＤＪ介_(kāi)邊界方案為適合潮強(qiáng)迫的Flather邊界方案，垂向混合方案采用KPP（K-profile parameterization）方案[25]。模式最大和最小水深分別設(shè)置為5 000 m和10 m，積分時(shí)間步長(zhǎng)為600 s。

圖1 模式區(qū)域范圍和地形Fig.1 The model domain and topography

1.2 數(shù)據(jù)集構(gòu)建

模式側(cè)邊界條件使用的溫鹽流和SSH數(shù)據(jù)來(lái)自SODA[26-28]3.4.2版本每5 d一次的結(jié)果，水平分辨率為0.25°×0.25°。大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)包括10 m風(fēng)場(chǎng)，短波輻射、長(zhǎng)波輻射、海表氣溫、海表濕度、降水率，數(shù)據(jù)源為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的第五代大氣再分析產(chǎn)品ERA5（Fifth Generation ECMWF Atmospheric Reanalysis）[29]每6 h一次的結(jié)果，水平分辨率為0.25°×0.25°。為了提高大氣風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫的精度，本研究將ERA5的10 m風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與HOLLAND[30]模式的經(jīng)驗(yàn)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合作為模式強(qiáng)迫風(fēng)場(chǎng)。大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)通過(guò)塊體公式[31]轉(zhuǎn)化為模式所需風(fēng)應(yīng)力、熱通量和淡水通量，其中風(fēng)應(yīng)力計(jì)算取自PENG等[32]的南海最優(yōu)風(fēng)應(yīng)力拖曳系數(shù)計(jì)算公式。

模式的側(cè)邊界潮強(qiáng)迫采用基于10 個(gè)主要分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4）的調(diào)和常數(shù)計(jì)算的潮位和潮流，數(shù)據(jù)來(lái)自于俄亥俄州立大學(xué)提供的TPXO8 全球潮汐數(shù)據(jù)產(chǎn)品[33]，水平分辨率為1/30°×1/30°。我們將TPXO8數(shù)據(jù)插值到本模式開(kāi)邊界的網(wǎng)格上，然后計(jì)算開(kāi)邊界處的潮汐和潮流預(yù)報(bào)值，并分別加到SODA 數(shù)據(jù)集的SSH 和流場(chǎng)中作為開(kāi)邊界強(qiáng)迫。公式如下：

式中：η為水位/流速的東西（u）/南北（v）分量；A0為平均海面高度，此處設(shè)為0（計(jì)算潮流時(shí)A0也為0）；H和g是分潮水位/流速的振幅和遲角；V0是分潮的格林威治天文初相角，決定推算的起始時(shí)刻；σ為分潮的角速度；下標(biāo)i代表不同的分潮。

OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集在構(gòu)建前需要一個(gè)動(dòng)力平衡的海洋初始場(chǎng)。本研究首先利用SODA 3.4.2 數(shù)據(jù)集和ERA5 數(shù)據(jù)集40 a（1980—2019 年）的氣候態(tài)月平均場(chǎng)對(duì)模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，即“SPIN-UP”過(guò)程，在該過(guò)程中模式不添加潮強(qiáng)迫。經(jīng)過(guò)10 a的“SPIN-UP”模擬，我們獲得了一個(gè)動(dòng)力上相對(duì)穩(wěn)定的海洋初始狀態(tài)場(chǎng)，并基于此初始場(chǎng)進(jìn)行40 a 的真實(shí)模擬。我們將模式模擬輸出的基于sigma 坐標(biāo)的結(jié)果插值到從海表～5 000 m 水深共分為40 層的深度坐標(biāo)中（0 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m、100 m、125 m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m、500 m、600 m、700 m、800 m、900 m、1 000 m、1 250 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m、4 000 m、5 000 m），并按每24 h為一個(gè)數(shù)據(jù)文件以網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式（Network Common Data Form，NetCDF）輸出，從而得到最終的OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集。OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集的詳細(xì)介紹可參考文獻(xiàn)[19] 。

2 海洋現(xiàn)象要素評(píng)估

2.1 溫躍層評(píng)估

2.1.1 評(píng)估方法

溫躍層的評(píng)估主要對(duì)象為OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集多年月平均狀態(tài)場(chǎng)計(jì)算的南海季節(jié)性溫躍層參數(shù)，包括溫躍層上界深度（即溫躍層深度）、溫躍層厚度和溫躍層強(qiáng)度，評(píng)估范圍為99°～122°E，1°～30°N，評(píng)估參照的對(duì)象為前人的研究成果和基于HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算的結(jié)果。季節(jié)性溫躍層的評(píng)估方法如下：首先分別計(jì)算OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集40 a 平均和HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品20 a（1997—2016 年）平均的月平均溫度場(chǎng)，然后針對(duì)每個(gè)月溫度場(chǎng)的每個(gè)水平格點(diǎn)的垂向溫度廓線進(jìn)行溫躍層參數(shù)的判定，最終繪制南海區(qū)域的季節(jié)性溫躍層參數(shù)分布圖，并與前人的研究成果進(jìn)行比較。

本研究中季節(jié)性溫躍層各個(gè)參數(shù)的定義如下：當(dāng)一條垂向溫度廓線某一段的垂向梯度≥臨界值時(shí),則將該段定義為季節(jié)性溫躍層,以該段的頂部水深為季節(jié)性溫躍層深度,該段的垂向范圍為季節(jié)性溫躍層厚度。當(dāng)水深>200 m 時(shí)，臨界值設(shè)為0.05 ℃/m；水深≤200 m時(shí)，臨界值設(shè)為0.2 ℃/m[4,34]。季節(jié)性溫躍層強(qiáng)度則定義為溫躍層整層的垂向溫度梯度[35]。

2.1.2 評(píng)估結(jié)果

圖2 為基于OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集計(jì)算的多年平均態(tài)1 月和7 月的南海季節(jié)性溫躍層深度、厚度和強(qiáng)度的水平分布。從圖2a、2b 可以看到，南海季節(jié)性溫躍層深度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征。冬季，溫躍層深度呈現(xiàn)出由東南（約30 m）—西北（約90 m）變深的分布趨勢(shì)，且區(qū)域邊界處的溫躍層深度梯度較大，同時(shí)，在呂宋島和加里曼丹島西北海域各出現(xiàn)一低值區(qū)（小于30 m）；而夏季，溫躍層深度全場(chǎng)平均值明顯低于冬季，且呈現(xiàn)出由西北（約10 m）—東南（約30 m）變深的分布趨勢(shì)，其高值區(qū)和低值區(qū)由貫穿海盆東北—西南方向的分界線隔開(kāi)。與前人基于觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的計(jì)算結(jié)果相比[4]，OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集模擬的南海季節(jié)性溫躍層深度不論是量值上還是時(shí)空分布特征上都十分相似。圖2c、2d 為OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集模擬的多年平均態(tài)1月和7月的南海季節(jié)性溫躍層厚度，從圖中可以看出，溫躍層厚度的空間分布形態(tài)與溫躍層深度相似。冬季，溫躍層厚度基本在100 m 左右，且呈現(xiàn)由西北—東南遞增的變化趨勢(shì)；而夏季，溫躍層深度的分布同樣由貫穿海盆東北—西南方向的分界線隔開(kāi)，呈現(xiàn)西北部低值區(qū)和東南部高值區(qū)的分布狀態(tài)，整體量值大于冬季。OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集模擬的季節(jié)性溫躍層厚度與前人的模式模擬結(jié)果[5]在時(shí)空分布形態(tài)上也十分相似，但量值偏小。南海夏季季節(jié)性溫躍層強(qiáng)度整體小于冬季（見(jiàn)圖2e、f），冬季，溫躍層強(qiáng)度高值區(qū)位于海盆中部深水區(qū)，而夏季溫躍層強(qiáng)度空間分布與冬季相反，高值區(qū)位于海盆周?chē)懠軈^(qū)，這種分布形態(tài)也與前人的模式模擬結(jié)果相似[5]。

圖2 OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集多年月平均態(tài)1月與7月的南海季節(jié)性溫躍層深度、厚度和強(qiáng)度水平分布圖Fig.2 Climatological distributions of depth,thickness and strength of seasonal thermocline in the SCS in January and July from the OCEAN_SCS dataset

圖3 為基于HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品的南海季節(jié)性溫躍層深度、厚度和強(qiáng)度的水平分布計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，季節(jié)性溫躍層各參量在空間分布上與OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集的計(jì)算結(jié)果較為一致，但溫躍層深度和厚度量值稍大于OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集的計(jì)算結(jié)果，溫躍層強(qiáng)度量值則與OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)。

2.2 溫度鋒評(píng)估

2.2.1 評(píng)估方法

我們對(duì)OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集多年季節(jié)平均狀態(tài)場(chǎng)的溫度鋒分布和月平均狀態(tài)場(chǎng)的溫度鋒出現(xiàn)頻率分布進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估范圍同溫躍層。評(píng)估參照對(duì)象為基于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）發(fā)布 的 AVHRR （Advanced Very High Resolution Radiometer）V2 格點(diǎn)化衛(wèi)星SST 產(chǎn)品和HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算的溫度鋒以及前人的研究成果。評(píng)估方法為：首先分別計(jì)算OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集40 a平均的季節(jié)平均SST 場(chǎng)、HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品20 a（1997—2016 年）平均的季節(jié)平均SST 場(chǎng)和AVHRR V2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品多年（1982—2013 年）平均的季節(jié)平均SST 場(chǎng)，然后基于溫度鋒的判定方法和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比；另外，基于OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)了40 a的月平均SST 場(chǎng)溫度鋒出現(xiàn)的概率空間分布，并與前人的研究成果進(jìn)行對(duì)比。

溫度鋒的判定采用水平溫度梯度法[36-38]，即首先計(jì)算區(qū)域內(nèi)格點(diǎn)的SST 水平梯度GM，然后選取溫度梯度大于臨界值的格點(diǎn)作為溫度鋒點(diǎn)，臨界值等值線包圍的GM 大于臨界值的區(qū)域則作為溫度鋒區(qū)。這里，我們選擇0.03 ℃作為溫度鋒判定的GM臨界值[7]。GM計(jì)算方法為：

式中：T表示SST，x和y分別表示經(jīng)向和緯向方向坐標(biāo)。

2.2.2 評(píng)估結(jié)果

圖4 為 基 于OCEAN_SCS 數(shù) 據(jù) 集、HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品和AVHRR V2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算的SST水平梯度及溫度鋒區(qū)分布。從圖中可以看出，基于OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集計(jì)算的SST水平梯度和溫度鋒區(qū)分布特征為：①南海溫度鋒主要分布于南海北部沿岸，且冬夏季季風(fēng)期SST 水平梯度整體大于春秋季季風(fēng)轉(zhuǎn)換期（見(jiàn)圖4a、4d、4g、4j）；②冬季受東北季風(fēng)影響，低溫的南海沿岸流從東北流向西南，在南海北部沿岸形成顯著的溫度鋒區(qū)（見(jiàn)圖4a）；③夏季受西南季風(fēng)影響，南海北部的溫度鋒區(qū)主要集中在粵西沿岸和海南島沿岸（見(jiàn)圖4g）。基于HYCOM再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品（見(jiàn)圖4b、4e、4h、4k）與OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集（見(jiàn)圖4a、4d、4g、4j）計(jì)算的SST水平梯度的空間分布和量值都極為相似?？紤]到HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品同化了包括衛(wèi)星觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的SST數(shù)據(jù)，因此，該結(jié)果表明OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集對(duì)南海溫度鋒的空間分布和量值的模擬精度較高。與基于OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集計(jì)算的SST水平梯度相比（見(jiàn)圖4a、4d、4g、4j），基于AVHRR V2數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算的結(jié)果（見(jiàn)圖4c、4f、4i、4l）在時(shí)空分布上與之相似，但梯度量值明顯弱于前者。這可能是由于AVHRR V2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的水平分辨率較低（1/4°×1/4°），SST水平分布較為平滑導(dǎo)致的。

圖4 基于OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集、HYCOM再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品多年季節(jié)平均態(tài)和AVHRR V2 SST數(shù)據(jù)集計(jì)算的4個(gè)季節(jié)的SST水平梯度及鋒區(qū)分布Fig.4 Climatological spatial distributions of Oceanic Zones and horizontal gradients of SST in four seasons based the OCEAN_SCS dataset，the HYCOM reanalysis dataset and the AVHRR V2 SST dataset

圖5 為基于OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集計(jì)算的南海北部月平均場(chǎng)的溫度鋒出現(xiàn)頻率空間分布。由于南海溫度鋒主要分布在南海北部沿岸，且為了更直觀地與前人的計(jì)算結(jié)果[7,37]進(jìn)行比較，本文只展示了南海北部（105°～122°E，17°～30°N）的溫度鋒概率空間分布。從圖中可以看出，OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集計(jì)算的溫度鋒出現(xiàn)頻率空間分布同樣表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征。冬季，溫度鋒出現(xiàn)區(qū)域分布在整個(gè)南海北部沿岸，且出現(xiàn)頻率較高，近岸區(qū)域的溫度鋒出現(xiàn)頻率超過(guò)70%（見(jiàn)圖5a）；夏季，溫度鋒出現(xiàn)的區(qū)域主要集中于粵西和海南島沿岸以及臺(tái)灣島西部海域，出現(xiàn)頻率較冬季低（見(jiàn)圖5c）；春秋季為季風(fēng)轉(zhuǎn)換區(qū)，其中春季溫度鋒出現(xiàn)頻率分布與冬季相似，但量值小于冬季，秋季溫度鋒出現(xiàn)頻率最?。ㄒ?jiàn)圖5b、5d）。該結(jié)果表明，基于OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集計(jì)算的溫度鋒頻率時(shí)空分布與前人基于衛(wèi)星觀測(cè)SST 計(jì)算的結(jié)果十分相似[7,37]，OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集對(duì)南海溫度鋒的模擬效果較好。

圖5 基于OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集月平均態(tài)計(jì)算的4個(gè)季節(jié)溫度鋒出現(xiàn)頻率空間分布Fig.5 Climatological spatial distribution of the seasonal thermal frontal probability in four seasons based on the OCEAN_SCS dataset

2.3 中尺度渦評(píng)估

2.3.1 評(píng)估方法

海洋中尺度渦的生成、運(yùn)動(dòng)和消亡是海洋最復(fù)雜的動(dòng)力過(guò)程之一，相關(guān)物理機(jī)制目前尚未完全清楚。在缺少資料同化的條件下，現(xiàn)有的數(shù)值模式對(duì)海洋中的中尺度渦個(gè)例還不能作出準(zhǔn)確的模擬。因此，本研究針對(duì)南海中尺度渦的統(tǒng)計(jì)性評(píng)估，即通過(guò)統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)南海中尺度渦的個(gè)數(shù)、生命長(zhǎng)度、半徑、相對(duì)渦度、旋轉(zhuǎn)速度、移動(dòng)速度和海表渦動(dòng)能等，驗(yàn)證OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集對(duì)南海中尺度渦的模擬效果。評(píng)估對(duì)比參考的對(duì)象為HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品和哥白尼海洋服務(wù)中心（Copernicus Marine Service）提供的包括多衛(wèi)星融合的海表高度異常（Sea Level Anomaly，SLA）網(wǎng)格化數(shù)據(jù)（空間分辨率為1/4°×1/4°），時(shí)間分辨率都是1 d，評(píng)估區(qū)域?yàn)?9°～122°E，1°～30°N，評(píng)估時(shí)段為2007—2016年共10 a。

中尺度渦的探測(cè)方法為：首先，將OCEANS_SCS 數(shù)據(jù)集或HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品的日平均SSH 減去對(duì)應(yīng)月的多年月平均SSH，得到各自的日平均SLA 場(chǎng)；接著，將各自的日平均SLA場(chǎng)插值到1/4°×1/4°的網(wǎng)格中，并利用地轉(zhuǎn)流計(jì)算公式算出各自的地轉(zhuǎn)流場(chǎng)。計(jì)算方法如下：

式中：g表示重力加速度；f表示科氏參數(shù)；x和y分別表示經(jīng)向和緯向方向坐標(biāo)。最后，將OKUBOWEISS（OW）方法[39]分別應(yīng)用到OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集或HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品中，探測(cè)各自的中尺度渦信息。OW 方法首先定義一個(gè)判別參數(shù)W[40-41]：

式中：u和v分別代表地轉(zhuǎn)流場(chǎng)的東西和南北分量。接著將參數(shù)W小于2e×10-12/s2的區(qū)域定義為渦旋區(qū)域[42]。最后，將不符合如下參數(shù)范圍的渦旋剔除：渦旋半徑范圍為30～400 km；渦旋振幅不小于0.02 m；渦旋生命長(zhǎng)度不短于5 d。

2.3.2 評(píng)估結(jié)果

表1 為 基 于OCEAN_SCS 數(shù) 據(jù) 集、HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品和衛(wèi)星觀測(cè)SLA 數(shù)據(jù)產(chǎn)品識(shí)別的南海渦旋相關(guān)參數(shù)對(duì)比。這其中，基于OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集識(shí)別出了1 240 個(gè)渦旋，包括氣旋渦和反氣旋渦各620 個(gè)；基于HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品識(shí)別出了1 315 個(gè)渦旋，包括748 個(gè)氣旋渦和567 個(gè)反氣旋渦。兩套數(shù)據(jù)產(chǎn)品的氣旋渦與反氣旋渦個(gè)數(shù)相當(dāng)，這與林鵬飛等[43]和CHEN 等[44]的結(jié)論一致?；谛l(wèi)星觀測(cè)SLA數(shù)據(jù)產(chǎn)品識(shí)別出的渦旋數(shù)量（1 720個(gè)）明顯大于基于OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集識(shí)別出的渦旋數(shù)量，而其渦旋的平均生命長(zhǎng)度（25.4 d）小于基于OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集識(shí)別出的渦旋（28.9 d）。因此可以看出，相對(duì)于衛(wèi)星觀測(cè)，OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集模擬的中尺度渦生命周期更長(zhǎng)，個(gè)數(shù)更少，這可能是由于用于構(gòu)建OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集的數(shù)值模式對(duì)中尺度渦的耗散機(jī)制模擬不夠準(zhǔn)確，其模擬的中尺度渦難以耗散。另一方面，OCEAN_SCS 模擬的海表渦動(dòng)能（1.81×109m4/s2）與HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品的海表渦動(dòng)能（0.97×109m4/s2）明顯大于衛(wèi)星觀測(cè)SLA 數(shù)據(jù)產(chǎn)品模擬的海表渦動(dòng)能（0.56×109m4/s2），這主要是由于衛(wèi)星觀測(cè)SLA 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的水平分辨率較低，其SLA 較為平滑。OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集與HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品模擬的渦旋半徑也稍大于衛(wèi)星觀測(cè)SLA 數(shù)據(jù)產(chǎn)品識(shí)別的渦旋半徑。除此之外，3 種數(shù)據(jù)在中尺度渦相對(duì)渦度、旋轉(zhuǎn)速度和移動(dòng)速度等方面的模擬結(jié)果都較為接近（見(jiàn)表1）。圖6 為3 種數(shù)據(jù)探測(cè)的渦旋各參量的分布圖，從圖中可以看出，相較OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集，基于HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品探測(cè)的渦旋各參數(shù)（除相對(duì)渦度）都更貼近于衛(wèi)星觀測(cè)，這主要得益于HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品同化了衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)；而OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集探測(cè)的渦旋相對(duì)渦度分布優(yōu)于HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其他參量的分布則與之相當(dāng)。

表1 OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集、HYCOM再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品和衛(wèi)星觀測(cè)資料探測(cè)的2007—2016年間中尺度渦參數(shù)對(duì)比Tab.1 The comparison of mesoscale eddy parameters during 2007—2016 from the OCEAN_SCS dataset,the HYCOM reanalysis dataset and satellite observations

圖6 OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集、HYCOM再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品和衛(wèi)星觀測(cè)資料探測(cè)的2007—2016年間南海中尺度渦海表渦動(dòng)能（a）、渦度（b）、旋轉(zhuǎn)速度（c）、半徑（d）和移動(dòng)速度（e）對(duì)比Fig.6 The comparison of the sea surface eddy kinetic energy(a),vorticity(b),rotational speed(c),radius(d)and propagation speed(e)of mesoscale eddies in the SCS during 2007—2016 from the OCEAN_SCS dataset,the HYCOM reanalysis dataset and satellite observations

3 結(jié)論

本文基于ROMS 模式構(gòu)建了一套覆蓋南海區(qū)域40 a 渦分辨率的逐時(shí)溫鹽流數(shù)值產(chǎn)品OCEAN_SCS，并利用獨(dú)立觀測(cè)資料、HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品和前人的研究成果對(duì)比評(píng)估了OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集對(duì)南海區(qū)域海洋現(xiàn)象要素（包括溫躍層、溫度鋒和中尺度渦）的模擬效果。

從南海季節(jié)性溫躍層參數(shù)（包括溫躍層深度、厚度和強(qiáng)度）的對(duì)比結(jié)果可以看出，OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集模擬的南海季節(jié)性溫躍層深度不論是量值還是時(shí)空分布都與前人基于觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果十分吻合；對(duì)于南海季節(jié)性溫躍層厚度，OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集的模擬結(jié)果與前人的模式模擬結(jié)果在時(shí)空分布形態(tài)上相似，但量值偏小。OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集模擬的南海季節(jié)性溫躍層強(qiáng)度時(shí)空分布形態(tài)也與前人的模式模擬結(jié)果相似。HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算的季節(jié)性溫躍層各參量在空間分布上與OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集的計(jì)算結(jié)果也較為一致，但其溫躍層深度和厚度量值稍大于OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集的計(jì)算結(jié)果。

與基于HYCOM再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算的SST水平梯度相比，基于OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集的計(jì)算結(jié)果的空間分布和量值都極為相似?？紤]到HYCOM再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品同化了包括衛(wèi)星和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的SST數(shù)據(jù)，因此，該結(jié)果表明OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集對(duì)南海溫度鋒空間分布和量值的模擬精度較高。與基于OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集計(jì)算的SST 水平梯度相比，基于AVHRR V2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算結(jié)果的分布與之相似，但量值明顯更小，這可能是由于AVHRR V2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品水平分辨率（1/4°×1/4°）較低，其SST的水平分布較為平滑。從月平均溫度鋒的出現(xiàn)頻率空間分布圖可以看出，OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集模擬的溫度鋒表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，其在冬夏季風(fēng)盛行季出現(xiàn)的頻率較高，分布范圍較廣，而在春秋季風(fēng)轉(zhuǎn)換季出現(xiàn)的頻率較低，分布范圍主要集中于近岸海域。這種時(shí)空分布特征與前人基于衛(wèi)星觀測(cè)SST數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算的結(jié)果也十分相似。

對(duì)OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集模擬的南海中尺度渦的評(píng)估主要為統(tǒng)計(jì)性的，評(píng)估參考的對(duì)象為基于HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品和衛(wèi)星觀測(cè)SLA 數(shù)據(jù)產(chǎn)品識(shí)別的中尺度渦。評(píng)估結(jié)果表明，OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集模擬的南海中尺度渦在數(shù)量上明顯小于基于衛(wèi)星觀測(cè)SLA 數(shù)據(jù)產(chǎn)品識(shí)別的中尺度渦，而在渦旋的平均生命長(zhǎng)度上則大于后者。這可能是由于OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集構(gòu)建所用的數(shù)值模式對(duì)中尺度渦的耗散機(jī)制模擬不夠準(zhǔn)確，其模擬的中尺度渦難以耗散。此外，在渦旋的半徑和海表渦動(dòng)能的模擬上，OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集的模擬結(jié)果都偏大，但兩套資料在渦旋相對(duì)渦度、旋轉(zhuǎn)速度和移動(dòng)速度等方面的對(duì)比都比較接近。由于HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品同化了衛(wèi)星高度計(jì)資料，因此其在渦旋各參量（除相對(duì)渦度）分布的模擬上更接近衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果，而OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集探測(cè)的渦旋各參量分布也與之相當(dāng)。

通過(guò)以上評(píng)估結(jié)果可以看出，OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集總體對(duì)南海季節(jié)性溫躍層、溫度鋒和中尺度渦的模擬效果較好，與前人的研究成果和國(guó)際主流HYCOM 再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品的計(jì)算結(jié)果也較為相符，僅在中尺度渦數(shù)量、生命周期、半徑和海表渦動(dòng)能的模擬上與觀測(cè)稍有偏差。中尺度渦的準(zhǔn)確模擬對(duì)于現(xiàn)有海洋模式仍是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，在沒(méi)有資料同化的前提下，目前的模擬結(jié)果也是可以接受的。 另一方面，本文的評(píng)估對(duì)象主要是OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集模擬的海洋現(xiàn)象要素的氣候月平均態(tài)，因此，本文的評(píng)估結(jié)果僅反映了OCEAN_SCS數(shù)據(jù)集對(duì)氣候態(tài)尺度的海洋現(xiàn)象要素的模擬精度。在未來(lái)的工作中，我們將收集更多的觀測(cè)，進(jìn)一步評(píng)估OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集對(duì)特定時(shí)刻海洋現(xiàn)象要素時(shí)空分布與變化的模擬精度。本文的研究結(jié)果表明OCEAN_SCS 數(shù)據(jù)集基本能夠?yàn)檫M(jìn)一步研究南海季節(jié)性溫躍層、溫度鋒和中尺度渦的生消變化規(guī)律等提供數(shù)據(jù)支撐，可用于更全面地研究南海的海洋環(huán)境特征，服務(wù)于南海海洋環(huán)境保障工作。

致謝：感謝南海海洋研究所的高性能計(jì)算中心為本文數(shù)值模擬提供的技術(shù)支持。