基于Argo实测流场数据对5套海洋模式产品中赤道太平洋中层流的评估

周永远，闫运伟*，邢小罡，柴 扉,3

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；2.自然资源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.美国缅因大学 海洋科学学院，缅因州 欧洛诺市 04469)

0 引言

热带太平洋海域海气相互作用强烈，是厄尔尼诺与南方涛动(El Nio & Southern Oscillation, ENSO)、拉尼娜(La Nia)等现象的发源地[1-3]，对全球气候变化[4]和全球大洋环流系统[5]都有重要影响，因此一直以来都是区域海洋学研究的热点[2-12]。过去30 a，随着卫星高度计[8]及大范围锚系浮标[9]观测数据的不断增多，人们对赤道太平洋上层环流的基本结构和动力机制已有了非常深刻的认识[10-12]。除了上层赤道流系外，热带太平洋温跃层之下(500～3 000 m)也存在平均流速约5 cm/s的赤道中层流(Equatorial Intermediate Currents, EICs)[6]，它对物质输运和能量输送有非常重要的作用[7]。然而，由于温跃层以下流场的观测非常少[13-15]，人们对于赤道太平洋中层流的了解还非常有限。

近年来，随着计算机科技的迅速发展，海洋模式也越来越成熟，可以提供三维、高分辨率、长时间序列的大洋流场数据，非常有利于开展赤道太平洋中层流的研究。目前已有很多公开的海洋模式产品，例如OFES(Ocean General Circulation Model for the Earth Simulator)[16]、LICOM(LASG/IAP Climate System Ocean Model)[17]、HYCOM(HYbrid Coordinate Ocean Model)[18]、ECCO2(The Estimating the Circulation and Climate of the Ocean, Phase 2)[19]、SODA(Simple Ocean Data Assimilation)[20]等。然而由于缺少观测数据，人们对于这些模式产品中赤道中层流的可靠性并不清楚，亟需评估。

与此同时，国际Argo计划(Array for real-time geostrophic oceanography)[21]已经建立了一个全球范围的实时海洋立体观测网。根据Argo浮标的工作原理，可以利用其轨迹资料近似计算出Argo浮标所在停留深度(主要为1 000 m)的流场[22-27]，弥补大洋中层流场直接观测的不足。随着浮标数据的不断增多，利用Argo轨迹计算得到的1 000 m深度流场(下文简称Argo流场)已经成为研究中层流的重要实测数据[27-28]，因此可以用于对模式产品进行评估。

以往也有研究定性地分析了模式产品1 000 m 深度流场与Argo流场的异同，发现两者的空间结构存在差异[29]。然而由于没有进行定量分析，模式流场与Argo流场在空间结构上的差异程度尚不清楚。此外，目前还没有研究对模式产品赤道太平洋中层流的时间变化特征进行评估。基于此，本文以Argo流场作为实测数据，从空间结构特征和时间变化特征两方面来定量地评估OFES、LICOM、HYCOM、ECCO2和SODA这5套常用海洋模式产品的赤道太平洋中层流，为今后热带太平洋中层流的模式数据选用提供参考。

1 数据与方法

1.1 Argo轨迹资料反演的1 000 m流场

Argo浮标是一种自律式拉格朗日剖面观测浮标，它的每个观测周期分为下潜、中层漂流、上浮和海面漂流4个阶段[21]：Argo浮标从海面下潜(下潜和上浮速度约10 cm/s)3～4 h后到达中层漂流深度(赤道太平洋海域76%的Argo浮标的中层漂流深度为1 000 m)；并在此深度保持中层漂流一段时间(赤道太平洋海域85%的Argo浮标的中层漂流时间为9 d)；之后浮标先下潜至2 000 m处，随后上浮至海表，此过程约需6 h；之后在海面漂流9～12 h(随着卫星通讯技术的不断改进，目前新型Argo浮标的海表漂流时间仅为0.5～1 h)，期间与卫星保持通讯，上传浮标的实时位置信息以及所测数据；之后再次下潜，开始下一个观测周期。根据Argo浮标的工作原理，可以计算出浮标在每个观测周期内中性漂流的平均速度，即所在海域1 000 m深度的海水流速。本文采用LEBEDEV et al[25]计算中层流场的近似方法，把Argo浮标在下潜前的最后一次卫星定位点近似作为中层漂流的起始点(s1,t1)，把浮标上浮至海表后的第一次卫星定位点近似作为中层漂流的结束点(s2,t2)，根据速度公式v=(s2-s1)/(t2-t2)近似地求出Argo浮标此次观测周期中层漂流的平均速度，其中s1和s2是两个定位点的具体位置，t1和t2是两个定位点的定位时刻。

上述近似计算方法主要包含两方面的误差[22]，一是海面漂流阶段的卫星定位时滞误差(如浮标上浮至海面一段时间后才会被卫星检测到，等)，二是下潜、上浮阶段的流速切变误差。随着卫星通讯技术的不断改进，时滞误差不断减小，对结果的影响可以忽略不计[25]；对于切变误差，LEBEDEV et al[25]利用Argo轨迹计算出的表层流场对此误差进行了估算，舍弃切变误差相对于流速值较大的数据，以减小对结果的影响。此外，夏一凡 等[30]利用OFES模式的三维流场数据估算了时滞误差和切变误差对流场的影响，结果显示这两项误差比1 000 m深度的平均流速小了一个量级，因此对中层流场的影响有限。

本文使用了2000年1月至2018年12月热带太平洋海域(130°E—85°W，10°N—10°S，以下数据皆为同一空间范围)内1 027台Argo浮标(约12.3万个观测周期)的轨迹数据。浮标数据来自设在法国国家海洋研究院的国际Argo数据库(ftp.ifremer.fr/ifremer/argo)。Argo浮标观测周期的总数量是LEBEDEV et al[25]在相同海域研究的6倍。本文首先采用谢基平[22]提出的数据质量控制方法对Argo浮标轨迹资料进行严格筛选;然后利用LEBEDEV et al[25]的近似方法计算出每个观测周期的1 000 m深度流速，并舍弃切变误差超过流速值20%的数据;最后根据Argo浮标的位置和时间信息，将每个观测周期的流速网格化，得到空间分辨率为1/4°×1/4°的气候态年平均流场及2°(经度)×1/4°(纬度)的气候态月平均流场。

1.2 模式产品1 000 m流场

基于Argo流场，本文对海洋学研究中广泛使用的5套海洋模式产品1 000 m深度流场进行了评估。这5套模式产品分别是：日本地球模拟器计算得到的全球长时间序列的涡分辨率海洋模式资料——OFES；由中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室自主开发的涡分辨率的气候系统海洋模式输出数据——LICOM；由美国海军混合坐标海洋模式/海军耦合海洋资料同化系统输出的涡分辨率的再分析资料——HYCOM；世界洋流实验计划中结合多元观测和大洋环流模式研发的海洋数据同化产品——ECCO2；以及美国马里兰大学利用全球简单海洋资料同化分析系统产生的海洋再分析资料——SODA。5套海洋模式资料的具体信息如表1所示。由于5套模式在垂向深度上的具体分层不同，为了与Argo流场进行比较，根据赤道中层流的分布特征，本文统一使用流场在900～1 100 m深度范围的平均流速。

表1 5套模式数据介绍Tab.1 The specification of the five models outputs

1.3 时空特征差异的分析方法

本文比较了Argo流场与5套模式流场的赤道中层流在时空特征上的差异。空间特征方面比较了纬向流宽度以及动能在东西向、南北向的空间分布差异。纬向流的宽度利用频谱分析求得：先求出赤道中层流在纬向上的平均流速，将平均流速的波状曲线近似看作是正弦函数，其波长代表两条相邻的、流向相反的纬向流的宽度之和，之后对平均流速曲线作快速傅里叶转换，取频谱分析结果中最大功率谱密度处对应的波长的1/2作为纬向流的宽度。在比较流场动能的空间分布差异时，东西方向上将赤道太平洋平均分为西(131°E—180°E)、中(180°W—130°W)和东(131°W—90°W)3个海盆，分别求出其海域内流场的平均动能；南北方向上分别求出赤道太平洋南半球(0°—10°S)和北半球(0°—10°N)流场的平均动能。

时间变化特征方面比较了西、中太平洋赤道中层流的季节变化趋势、季节变化的相位差、相位西传速度及相位的经向结构。首先利用气候态月平均数据求出流速在时间上的异常值(下文简称流速异常值)，然后利用线性插值求出经度-时间场(即Hovmoller图[33])中流速异常值季节变化的相位西传路径，根据西传路径的斜率求出相位西传速度，不同流场的西传路径在时间上的差异即为流场间季节变化的相位差。之后采用CRAVATTE et al[28]所用的计算方法，利用流速异常值的经向分布代表季节变化的相位的经向结构。由于季节变化相位有西传特征，因此分别求出每个纬度上沿相位西传路径上的流速异常值的平均值，它的经向分布即代表赤道太平洋中层流季节变化的相位的经向结构。

2 结果

由于赤道太平洋1 000 m深度上的气候态年平均流场是由纬向流主导的，经向流可以忽略不计[28]，因此本文仅比较Argo及5套模式产品中赤道太平洋中层流的纬向分量。

2.1 空间结构特征比较

Argo流场显示：赤道太平洋中层流(纬向流)存在明显的条带状结构，且东向流与西向流交替分布(图1a)，这与CRAVATTE et al[28]的结果一致。赤道太平洋中层流的纬向平均流速分布在±7 cm/s之间(图2)，东-西向流条带宽度约为1.5°。此外，中层流的强度存在空间差异：其动能在赤道太平洋西部(6.20 cm2·s-2)大于东部(1.65 cm2·s-2)(图3a)，在南半球(5.68 cm2·s-2)大于北半球(3.58 cm2·s-2)，表现出西强东弱和南强北弱的空间特征。

图1 Argo与5套模式(OFES、LICOM、HYCOM、ECCO2和SODA)赤道太平洋1 000 m深度气候态年平均纬向流Fig.1 Climatology averaged zonal currents of Argo and five models outputs (OFES, LICOM, HYCOM, ECCO2 and SODA) at the depth of 1 000 m (正值代表东向流，负值代表西向流，下同。) (The positive value represents the east flow and the negative value represents the west flow, the same as below.)

与Argo流场相似，5套模式产品的赤道太平洋中层流也都呈现出东-西向流交替分布的条带状结构(图1b～1f)。但5套模式中东-西向流的强度和宽度有所不同(图2)。就强度而言，HYCOM和SODA与Argo接近，而其他3套模式明显较小。为进一步定量比较，本文计算了赤道太平洋中层流的平均动能，其中Argo流场是4.67 cm2·s-2，HYCOM和SODA流场与Argo流场接近，分别是4.60 cm2·s-2和3.58 cm2·s-2，而其他3套模式流场比Argo流场弱，平均动能大约是Argo流场的1/10(表2)。就纬向流宽度而言，OFES和ECCO2流场与Argo流场接近(约1.5°)，而其他3套模式流场相对较大(大于2.0°，表2)。

图2 Argo及5套模式赤道太平洋中层纬向流的纬向(131 °E—90 °W)平均Fig.2 Zonally averaged zonal folw (131 °E-90 °W) of Argo and five models outputs at 1 000 m depth

表2 Argo与5套模式流场赤道中层流的特征对比Tab.2 Characteristics of Equatorial Intermediate Currents in Argo and five models outputs

此外，本文比较了Argo与5套模式平均动能在赤道西、东太平洋以及南、北太平洋的空间分布特征。在东—西方向上，5套模式赤道中层流都存在与Argo流场一致的西强东弱特征(图3a)。在南—北方向上，HYCOM、ECCO2和SODA模式存在与Argo流场一致的南强北弱特征，而另外2套模式没有此特征(图3b)。

图3 Argo及5套模式流场在东、西(a)和南、北(b)赤道太平洋的平均动能Fig.3 The average kinetic energy in western-eastern(a) and northern-southern(b) equatorial Pacific basins of Argo and five models outputs flow fields

综上所述，5套模式产品的赤道太平洋中层流都有与Argo流场一致的东-西向流交替分布的条带状结构特征；但纬向流的强度和宽度存在差异，其中HYCOM和SODA流场的强度与Argo流场接近，OFES和ECCO2流场的宽度与Argo流场接近。此外，5套模式赤道中层流都存在与Argo流场一致的西强东弱特征，HYCOM、ECCO2和SODA流场存在与Argo流场一致的南强北弱特征。

2.2 时间变化特征比较

Argo流速异常值的经度-时间图(图4a～4c)显示赤道中层流在西、中太平洋存在明显的季节变化，且季节变化信号有向西传播的特征，即相位西传。这与CRAVATTE et al[28]的分析结果一致，其研究发现此西传信号与年周期Rossby波的传播特征一致(图4a～4c中虚线)。此外，赤道中层流季节变化的相位存在关于赤道对称的经向结构(图5)：在2°N—6.5°N及2°S—7.5°S范围内流速异常值为正值，最大值(3 cm/s)位于4°N和4°S附近;在2°N—2°S范围内流速异常值为负值，最小值(-6 cm/s)位于赤道上。

图4 Argo及5套模式流速异常值在4 °N(左),赤道(中)和4 °S(右)处的经度-时间图Fig.4 Monthly anomalies of Argo and five models outputs flow field at 4 °N(left panel), equator(middle panel) and 4°S(right panel) (图中虚线为季节变化信号在经度-时间场中的西传路径，虚线的斜率代表西传速度。) (Dashed line in every subgraph stands for the westward propagation path of the phase of seasonal variation, their slope represents the velocity of westward propagation.)

除HYCOM流场外，其他4套模式的流场在西、中太平洋都有与Argo流场一致的季节变化特征(图4d～4r)。本文进一步定量比较了Argo与5套模式赤道西、中、东太平洋的平均流速异常值。在赤道太平洋西部，5套模式流场的季节变化与Argo流场基本相同(图6a)，与Argo流场的相关系数都大于0.89(表2)。在赤道太平洋中部，HYCOM流场没有明显的季节变化特征(图6b)，其他4套模式流场的季节变化特征与Argo流场基本相同，且与Argo流场的相关系数都大于0.81(表2)。在赤道太平洋东部，Argo与5套模式流场的季节变化特征都不明显(图略)。

在相位的西向传播方面，除HYCOM外的4套模式流场(图4d～4r)中都有这一特征。本文进一步定量比较了相位的西传速度及相位差，就西传速度而言，除HYCOM外的其他4套模式流场都与Argo流场接近(表2)。就相位而言，ECCO2和SODA流场与Argo流场接近，OFES和LICOM滞后Argo流场1～3个月(表2)，而HYCOM西传信号与Argo不一致(图4j～4l)，无法比较两者的相位差。

图5 Argo及5套模式沿季节变化信号西传路径上 的平均流速异常值的经向结构Fig.5 The meridional structure of the velocity anomalies averaged along the propagation path of the seasonal variation signal in Argo and five models outputs flow fields

在相位的经向结构方面，除HYCOM外的4套模式流场的经向结构都与Argo流场非常接近(图5)，且与Argo流场之间的相关系数都大于0.92(表2)。虽然OFES、LICOM和SODA的流速异常值在4°N处稍微大于4°S处，但经向结构在整体上仍然关于赤道近似对称。HYCOM的流速异常值在2°S—4°S范围内为负值，在2°N—4°N范围内为正值，其经向结构关于赤道不对称，与Argo流场存在显著的差异。

(a)赤道太平洋西部(140°E-180°E,1°N-1°S)

(b)赤道太平洋中部(180°E-130°W,1°N-1°S)

综上所述，除HYCOM外的4套模式赤道太平洋中层流都存在显著的季节变化特征，且季节变化的相位、相位的西传速度及相位的经向结构都与Argo流场接近。

3 讨论

3.1 水平分辨率对流场模拟的影响

OFES和LICOM数据的水平分辨率为1/10°×1/10°，HYCOM的为1/12°×1/12°，这3套模式数据的水平分辨率较高，而ECCO2和SODA数据的水平分辨率分别为1/4°×1/4°和1/2°×1/2°，水平分辨率较低。评估结果显示，高水平分辨率模式(OFES、LICOM及HYCOM)对赤道太平洋中层流的模拟效果反而没有低水平分辨率模式(ECCO2和SODA)的好。其可能原因是：维持赤道太平洋中层流的能量来自海表[34]，而模式的水平分辨率高意味着能量在海表的耗散较多，因此自海表向下传播的能量少，导致中层流的模拟效果不理想。同时，由于赤道太平洋中层流是大尺度环流，低水平分辨率模式(ECCO2和SODA)足以模拟出赤道太平洋中层流的时空特征。

3.2 垂向分辨率对流场模拟的影响

HYCOM模式数据的垂向层数为40层，小于其他4套模式数据(50～55层之间，见表1)，而这一差异主要体现在次表层之下(图7)。在100～2 000 m深度范围内，OFES和ECCO2数据的垂向层数有27层，LICOM和SODA数据分别有29和23层，而HYCOM模式只有15层。评估结果显示(表2)，除HYCOM外的4套模式赤道太平洋中层流都存在与Argo流场一致的季节变化特征。这可能是因为HYCOM模式的低垂向分辨率影响了年周期Rossby波在垂向上的传播，进而影响赤道太平洋中层流的模拟效果。因此，在构建模式模拟赤道太平洋中层流时，应尽可能采用高垂向分辨率的网格。

图7 5套模式的垂向分层Fig.7 Vertical stratification of five models outputs

3.3 数据同化对流场模拟的影响

本文选取的5套数据中，OFES和LICOM流场是模式直接输出的结果，而HYCOM、ECCO2和SODA数据则是在模式输出的基础上经过温盐数据同化的结果。评估结果表明，同化后的流场中赤道太平洋中层流都存在与Argo一致的南强北弱特征，而未经同化的流场中则没有这一特征，说明温盐数据同化可能会改进赤道中层流在空间分布特征上的模拟效果。其可能的原因是：维持赤道太平洋中层流的能量来自海表[34]，而温盐数据同化会改善模式中0～2 000 m深度范围内的垂向密度层结，使得能量在垂向上的传播更准确，最终使赤道太平洋中层流的模拟效果更好。

4 结论

本文以Argo轨迹资料计算的赤道太平洋1 000 m深度流场作为实测数据，从赤道太平洋中层流的空间结构特征和时间变化特征两方面对5套常用海洋模式产品(OFES、LICOM、HYCOM、ECCO2和SODA)进行了评估。Argo流场中，赤道太平洋中层流存在明显的条带状结构，东向流与西向流交替分布，且纬向流表现出明显的西强东弱和南强北弱特征。此外，太平洋中层流存在显著的季节性变化，季节变化的相位有西传的特征且在经向上关于赤道对称。评估结果表明，SODA数据的赤道太平洋中层流与实测流场最接近，各方面特征都与实测流场基本一致；其次是ECCO2数据，除其流场动能约为实测流场的1/10外，其他各方面特征都与实测流场一致；OFES、LICOM和HYCOM数据中赤道中层流的模拟效果比SODA和ECCO2差，但都能模拟出条带状结构及西强东弱的特征。

5套模式基本配置的比较结果显示，对于构建模拟赤道太平洋中层流模式，应尽可能采用高垂向分辨率的网格。此外，温盐数据同化也可能会改善赤道太平洋中层流的模拟效果。