论文部分内容阅读
摘 要：本文采用四维同化数据（4D-Var）对奥陆湾的水体性质进行研究和分析，利用温度平面图和盐度平面图比较分析了奥陆湾四季海洋物理环境的变化和特点，为分析奥陆湾水体物理环境变化提供了一定的理论依据。
关键词：四维同化数据；物理环境变化；奥陆湾
位于日本本州北部的半封闭湾的奥陆湾，栖息着多种海洋生物，近年来随着奥陆湾附近人口的增多，津轻暖流温度和盐度的变化和降水等气象因素的影响，奥陆湾内的物理环境也发生了相应的改变。鉴于四维同化数据兼具了卫星数据和模型数据的优点，它可为海洋物理环境的研究提供有力的支撑。
1. 研究区域
奥陆湾是位于日本本州北部的半封闭湾，它位于40.7°-42.7°N，139°-142.7°。面积大约为15.8×102km2，全湾的平均深度为40m左右。根据奥陆湾深度的不同可以将它分成两部分，即东湾和西湾。
2. 数据
4D—VRA是三维变分在时间维上的推广。这里使用京都大学的Nakada Satoshi[1]应用OGCM模型（Ocean General Circulation Model）反演出的2008-2011年的四维变量数据（4D-Var）数据[2][3]。模型的适用范围在北太平洋（125°E-160°E，25°N-50°N）。经度的水平分辨率为1/6°，纬度的水平分辨率 1/8°。从海表面2m开始，到500m为止，共78层。同化技术关键的问题是如何使同化窗口内的模拟值与观测值之间的差异达到最小，也就是使价值函数J达到最小值，观测资料和背景场的价值函数如下：
第一项表示了观测数据与OGCM模型数据的差异。在此研究中，也是为了方便运算，我们做了进一步的简化，把海面温度（SST）和海面高度（SSH）的观测误差分别近似为1℃和25cm。第二项为背景场的价值函数，用来表示当前预报值的误差。
B = D1/2 C D1/2
在此项研究中，背景误差协方差矩阵被定义为对角矩阵D和相关系数矩阵C的乘积。四维同化数据的基本方法是把海洋内物理量的变动看成是一系列变量的函数。运用模型，通过不断的调整初始条件使价值函数达到最小，从而获得四维同化观测数据和最优的初始场。
3. 研究结果
春季（3月、4月、5月）和冬季（12月、1月、2月）表层水温约13℃，表层西湾的温度约14℃，表层东湾的温度约12℃。底层水温约11℃，底层西湾温度约12℃，底层东湾温度约10℃。春季表层的盐度约34.16，只是表层的一些特殊位置盐度略低（约34.0）。底层盐度与表层相似，约34.20。湾内密度的变化范围δt=26.0-26.3，湾内水的密度自西向东铅直均质增大。夏季（6月、7月、8月）和秋季（9月、10月、11月）表层的水温约22℃，此时东湾和西湾的温度基本一致，底层的水温约为20℃。表层的盐度约为33.4，底层的盐度约34.0，无论是表层还是底层，此时东湾和西湾的盐度基本一致。湾内密度δt=23.6-25.0，密度值由表层至底层逐渐均匀而稳定的增加，此时东湾和西湾的密度分层一致且连续。
4. 总结与讨论
本研究主要应用四维同化数据4D-Var，对2010年奥陆湾的物理环境变化做了数据的统计计算以及比较分析，得出不同季节的海洋物理环境的变化：春季和冬季表层水温不高，但由于受到津轻暖流的影响并且此影响波及到底层，使得表层和底层的西湾水的温度均高于东湾。表层和底层的盐度均较高，只是表层的一些特殊位置盐度略低。湾内水的密度较大，由于对流的影响，湾内水的密度自西向东铅直均质增大。夏季和秋季由于气温的升高，海表与海底的温差增大，并达到一年中的最大值。津轻暖流的温度与湾内水相比略低，西湾由于受津轻暖流的影响较大，所以东湾的水温高于西湾。但津轻暖流的作用并没有影响到底层，底层东西湾温差不大。由于大量冰雪融水和降水的进入，致使海表至海底的盐度差也随之增大。由于蒸发量增大，导致降水量也随之增大，淡水的大量注入引起海表盐度的整体降低。此时流入湾内的津轻暖流盐度较高，西湾的盐度高于东湾。冰雪水和降水的稀释作用很难到达底层，所以底层的盐度比表层高。由于温度从表面至底层逐层递减，使得密度由表层至底层逐渐增加且均匀而稳定，此时东西湾的密度截面也开始连续。■
参考文献
[1] Nakada， S.， Ishikawa， Y.， Awaji， T.， In， T.， Koyamada， K.， Watanobe， M.， Okumura， H.， Nishida， Y. Saitoh， S-I.， 2013. An integrated approach to the heat and water mass dynamics of a large bay：High-resolution simulations of Funka Bay， Japan. Journal of Geophysical Research： Oceans 118，1-18.
[2] Toyoda， T.， Awaji， Ishikawa， Y.， Nakamura， T.，2004.Preconditioning of winter mixed layer in the formation of North Pacific Eastern subtropical mode water. Geophys.Res.Lett.31，L17206 Art.No.
[3] Nakamura， T.， Toyoda， Ishikawa， Y.， Awaji， T.， 2006.Effects of the tidal mixing at the Kuril Straits on the North Pacific ventilation： adjustment of the intermediate layer revealed from numerical experiments. J.Geophys.Res.111，C04003 Art.No.
关键词：四维同化数据；物理环境变化；奥陆湾
位于日本本州北部的半封闭湾的奥陆湾，栖息着多种海洋生物，近年来随着奥陆湾附近人口的增多，津轻暖流温度和盐度的变化和降水等气象因素的影响，奥陆湾内的物理环境也发生了相应的改变。鉴于四维同化数据兼具了卫星数据和模型数据的优点，它可为海洋物理环境的研究提供有力的支撑。
1. 研究区域
奥陆湾是位于日本本州北部的半封闭湾，它位于40.7°-42.7°N，139°-142.7°。面积大约为15.8×102km2，全湾的平均深度为40m左右。根据奥陆湾深度的不同可以将它分成两部分，即东湾和西湾。
2. 数据
4D—VRA是三维变分在时间维上的推广。这里使用京都大学的Nakada Satoshi[1]应用OGCM模型（Ocean General Circulation Model）反演出的2008-2011年的四维变量数据（4D-Var）数据[2][3]。模型的适用范围在北太平洋（125°E-160°E，25°N-50°N）。经度的水平分辨率为1/6°，纬度的水平分辨率 1/8°。从海表面2m开始，到500m为止，共78层。同化技术关键的问题是如何使同化窗口内的模拟值与观测值之间的差异达到最小，也就是使价值函数J达到最小值，观测资料和背景场的价值函数如下：
第一项表示了观测数据与OGCM模型数据的差异。在此研究中，也是为了方便运算，我们做了进一步的简化，把海面温度（SST）和海面高度（SSH）的观测误差分别近似为1℃和25cm。第二项为背景场的价值函数，用来表示当前预报值的误差。
B = D1/2 C D1/2
在此项研究中，背景误差协方差矩阵被定义为对角矩阵D和相关系数矩阵C的乘积。四维同化数据的基本方法是把海洋内物理量的变动看成是一系列变量的函数。运用模型，通过不断的调整初始条件使价值函数达到最小，从而获得四维同化观测数据和最优的初始场。
3. 研究结果
春季（3月、4月、5月）和冬季（12月、1月、2月）表层水温约13℃，表层西湾的温度约14℃，表层东湾的温度约12℃。底层水温约11℃，底层西湾温度约12℃，底层东湾温度约10℃。春季表层的盐度约34.16，只是表层的一些特殊位置盐度略低（约34.0）。底层盐度与表层相似，约34.20。湾内密度的变化范围δt=26.0-26.3，湾内水的密度自西向东铅直均质增大。夏季（6月、7月、8月）和秋季（9月、10月、11月）表层的水温约22℃，此时东湾和西湾的温度基本一致，底层的水温约为20℃。表层的盐度约为33.4，底层的盐度约34.0，无论是表层还是底层，此时东湾和西湾的盐度基本一致。湾内密度δt=23.6-25.0，密度值由表层至底层逐渐均匀而稳定的增加，此时东湾和西湾的密度分层一致且连续。
4. 总结与讨论
本研究主要应用四维同化数据4D-Var，对2010年奥陆湾的物理环境变化做了数据的统计计算以及比较分析，得出不同季节的海洋物理环境的变化：春季和冬季表层水温不高，但由于受到津轻暖流的影响并且此影响波及到底层，使得表层和底层的西湾水的温度均高于东湾。表层和底层的盐度均较高，只是表层的一些特殊位置盐度略低。湾内水的密度较大，由于对流的影响，湾内水的密度自西向东铅直均质增大。夏季和秋季由于气温的升高，海表与海底的温差增大，并达到一年中的最大值。津轻暖流的温度与湾内水相比略低，西湾由于受津轻暖流的影响较大，所以东湾的水温高于西湾。但津轻暖流的作用并没有影响到底层，底层东西湾温差不大。由于大量冰雪融水和降水的进入，致使海表至海底的盐度差也随之增大。由于蒸发量增大，导致降水量也随之增大，淡水的大量注入引起海表盐度的整体降低。此时流入湾内的津轻暖流盐度较高，西湾的盐度高于东湾。冰雪水和降水的稀释作用很难到达底层，所以底层的盐度比表层高。由于温度从表面至底层逐层递减，使得密度由表层至底层逐渐增加且均匀而稳定，此时东西湾的密度截面也开始连续。■
参考文献
[1] Nakada， S.， Ishikawa， Y.， Awaji， T.， In， T.， Koyamada， K.， Watanobe， M.， Okumura， H.， Nishida， Y. Saitoh， S-I.， 2013. An integrated approach to the heat and water mass dynamics of a large bay：High-resolution simulations of Funka Bay， Japan. Journal of Geophysical Research： Oceans 118，1-18.
[2] Toyoda， T.， Awaji， Ishikawa， Y.， Nakamura， T.，2004.Preconditioning of winter mixed layer in the formation of North Pacific Eastern subtropical mode water. Geophys.Res.Lett.31，L17206 Art.No.
[3] Nakamura， T.， Toyoda， Ishikawa， Y.， Awaji， T.， 2006.Effects of the tidal mixing at the Kuril Straits on the North Pacific ventilation： adjustment of the intermediate layer revealed from numerical experiments. J.Geophys.Res.111，C04003 Art.No.