AVISO衛(wèi)星高度計新版產(chǎn)品改進對南海海洋學研究的影響

李佳訊，陳奕德，陳符森1，

（1.解放軍92859部隊，天津300061；2.國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江杭州310012；3.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101）

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AVISO衛(wèi)星高度計新版產(chǎn)品改進對南海海洋學研究的影響

李佳訊1，2，陳奕德3，陳符森1，3

（1.解放軍92859部隊，天津300061；2.國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江杭州310012；3.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101）

摘要：以南海為例，從海面高度異常的氣候態(tài)、海面高度異常的年際變化和地轉(zhuǎn)流算法等3個方面，探討了AVISO新版高度計資料的幾點重要改進對南海海洋動力學研究的影響。研究表明：新版資料對于南海重要海洋現(xiàn)象和海面高度異常的年際變化的刻畫效果要優(yōu)于舊版資料。分析結(jié)果對于構(gòu)建南海海平面變化的預測模型和分析南海中尺度渦的時空變化規(guī)律都具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星高度計；海平面變化；中尺度渦；南海

1　引言

衛(wèi)星高度計是測量地球表面相對高度的一種重要儀器。它是一種星載主動式微波測量儀，具有全天候、大面積觀測、精度高、時間準同步、信息量大等優(yōu)點［1］。衛(wèi)星高度計在物理海洋學的應用十分廣泛，從海洋潮波系統(tǒng)到全球尺度的大洋環(huán)流反演，從中尺度的海洋現(xiàn)象觀測到全球氣候變化研究，它都起到舉足輕重的作用［2］。從1975年美國發(fā)射的第一個高度計衛(wèi)星GEOS-3開始，美國NASA、歐空局和法國空間局等多家單位陸續(xù)發(fā)射了多顆高 度 計 衛(wèi) 星 ，如 Seasat-A，ERS-1，TOPEX/ POSEIDON，Jason-1、Envisat-1等。目前人們可以同時利用多達4顆高度計衛(wèi)星對全球海洋進行監(jiān)測，大大提高了觀測的時空分辨率。

海表高度異常（Sea Level Anomaly，SLA）資料是衛(wèi)星高度計觀測的主要產(chǎn)品，它是研究大洋環(huán)流、中尺度渦旋和海氣相互作用以及海洋數(shù)值業(yè)務預報等必備可少的資料。由法國國家空間研究中心衛(wèi)星海洋學存檔數(shù)據(jù)中心（AVISO）通過其官方網(wǎng)站（ftp.aviso.oceanobs.com）對外發(fā)布的海表高度異常資料是目前使用最廣泛的資料，該資料主要用TOPEX/POSEIDON，Jason-1和ERS/Envisat等多顆高度計衛(wèi)星資料融合而成。AVISO衛(wèi)星高度計產(chǎn)品可以分為兩類：準實時資料和延時資料。準實時資料可以為業(yè)務應用提供準實時的高度計資料，而延時資料則可以為海洋學研究提供質(zhì)量更高的延時高度計產(chǎn)品。兩類AVISO高度計產(chǎn)品的制作過程大體都包含：資料獲取、資料預處理、質(zhì)量控制、交叉校正、生成沿軌資料、生成融合的網(wǎng)格資料、輸出檢測等7個步驟。而差異主要體現(xiàn)在由于沒有“將來”數(shù)據(jù)，準實時產(chǎn)品的制作無法像延時產(chǎn)品那樣通過中間計算時間窗口來計算。

2014年4月5日，AVISO發(fā)布了該資料的新版本DUACS 2014，這次產(chǎn)品改版是高度計資料史上的一次重要變革，主要體現(xiàn)在一系列資料制作方式的顯著改變，而這些變化對沿軌和網(wǎng)格化的實時或延時資料都有重要的影響［3］。高度計資料的變革也對我們傳統(tǒng)認知提出了挑戰(zhàn)。比如Chelton在1996年使用TOPEX/POSEIDON兩顆高度計衛(wèi)星的低分辨率資料認為全球大洋海表高度的變化主要與西傳的Rossby波有關(guān)［4］，而之后通過多顆衛(wèi)星高度計觀測資料融合得到的高分辨率產(chǎn)品則顯示大洋海表高度的變化實際上是與中尺度渦有很大關(guān)系［5］。因此，本文以南海為例，探討這次高度計資料的變革對于南海海洋動力過程研究的影響，同時也利用新版衛(wèi)星高度計資料對南海幾個重要的海洋動力過程進行再認識。

2　AVISO新版衛(wèi)星高度計產(chǎn)品的重要變化

此次，AVISO新版高度計資料DUACS 2014相對于舊版資料的顯著變化主要有如下幾個方面［3］，詳見表1。

3　結(jié)果

本節(jié)我們選擇南海為比對區(qū)域，通過與舊版本比對分析，初步探索DUACS 2014新版高度計數(shù)據(jù)對南海海洋動力學研究的可能影響。

3.1南海海面高度異常氣候態(tài)

南海位于東亞季風區(qū)，是顯著的季風性氣候海區(qū)。冬季盛行東北季風，夏季盛行西南季風，其變率非常大。根據(jù)季風盛行規(guī)律，一般10月—次年3月盛行東北季風，而6月—8月盛行西南季風，4月—5月春季季風轉(zhuǎn)換時節(jié)，9月為秋季季風轉(zhuǎn)換時節(jié)。季風是南海海盆尺度環(huán)流最主要的驅(qū)動力之一。根據(jù)季風盛行的強盛時節(jié)，又結(jié)合南海海面高度異常滯后季風驅(qū)動約40 d的特點［6］，本文在取冬季和夏季南海海面高度異常的氣候平均時分別為從12月—1月和從7月—9月。

表1舊版和新版高度計資料的差異

圖1是南海海面高度異常冬季氣候態(tài)特征，無論是新版資料（圖1a）還是舊版資料（圖1b）顯示的特征都是基本一致的：整個南海海盆為海面高度異常的低值區(qū)，對應于冬季東北季風引起的海盆尺度的氣旋式環(huán)流。南海冬季有兩個顯著地海洋動力現(xiàn)象：一個是位于從廣東沿岸至越南沿岸的南海西邊界流和位于呂宋西北的呂宋氣旋冷渦［7］。根據(jù)海面高度異常反演出地轉(zhuǎn)流可以大致推算出南海西邊界流的情況。圖1c是新版數(shù)據(jù)與舊版數(shù)據(jù)的差值，可以看到在南海整個海盆的北部和越南外海差值為負，而海盆中間差值為正，這說明新版數(shù)據(jù)顯示的壓強梯度要比舊版數(shù)據(jù)的小，這樣就導致了新版數(shù)據(jù)推算出的西邊界流的流速要比舊版數(shù)據(jù)的小。同樣，我們還發(fā)現(xiàn)新版數(shù)據(jù)顯示的呂宋氣旋渦的強度和范圍都要比舊版小。

圖2是南海海面高度異常夏季氣候態(tài)特征，新版資料（圖2a）和舊版資料（圖2b）都顯示出南海夏季越南外海的偶極子環(huán)流特征和呂宋反氣旋暖渦的特征。圖2c顯示兩版資料顯示偶極子的強度是不一致的，新版資料中的偶極子中的氣旋渦強度要比舊版資料的強，大約強-1 cm，而呂宋暖渦的強度和范圍則是新版要比舊版小。圖3給出了2010年夏天的個例，研究證實由于2009/2010厄爾尼諾引起南海夏季風異常從而在西沙附近產(chǎn)生了一個極端異常的反氣旋暖渦［8］，其范圍高達400 km，反氣旋中心的海面高度異常高達36 cm?？梢钥吹?，新版和舊版資料顯示的西沙異常反氣旋渦的強度基本相同，只是新版資料的渦旋中心位置相對舊版資料稍微偏北。另外，新版資料顯示的西沙異常反氣旋渦界限更清晰，而舊版資料則與位于呂宋西北的呂宋氣旋暖渦連成一片。

圖1冬季氣候態(tài)南海海面高度異常（單位：cm）

圖2　夏季氣候態(tài)（略去1995、1998和2010年等強暖事件年）南海海面高度異常（單位：cm）。

圖3 2010年夏季南海海面高度異常（單位：cm）

3.2南海海面高度異常的年際變化

南海海面高度異常面積平均值的年變化如圖4，新版資料計算出的年變化時間序列曲線和舊版資料的年變化時間序列曲線相關(guān)較好，相關(guān)系數(shù)高達0.98。但是，單個年份兩版資料的平均海面高度異常還是有差別的，特別是在2002年以后，兩者之差特別明顯，新版資料的平均海面高度異常明顯高于舊版資料的平均海面高度異常，最大差值可到1.76 cm。兩版資料的平均海面高度異常都有增高的趨勢，但增長率不同，新版資料顯示南海平均海面高度異常的增長率約為0.45 cm/a，而舊版資料顯示約為0.51 cm/a。需要說明的是，由于采用高度計數(shù)據(jù)時間段不同，我們計算南海平均海面高度異常的增長率與Fang等［9］利用1993—2003年高度計數(shù)據(jù)計算出的0.67 cm/a的結(jié)果略有差別的，但高度計時間段的選取并不影響上述結(jié)論。從南海整個海盆尺度來講，相對于新版資料，舊版資料高估了南海海面高度異常的增長速率，這主要是由于平均海平面計算的參考時段選取不同所致。相對舊版資料，新版高度計資料平均海平面的參考時段變化包含了最近13 a來海平面的年際變化。如圖4所示，南海海平面高度在最近13 a呈現(xiàn)上升趨勢，新版資料平均海平面的計算參考時段由于已經(jīng)包含這一趨勢，因此計算出的海平面高度異常必然小于沒有包含這一上升趨勢的舊版資料。

盡管從南海整個范圍平均來看，舊版資料高估了南海海面高度異常的增長速率，但是從空間分布來講，并不是在南海整個范圍內(nèi)舊版資料的南海海面高度異常的增長率都要高于新版資料，而是在南海中部深海盆區(qū)舊版資料高估了南海海面高度異常的增長率，在南海南部和北部陸架區(qū)反而是舊版資料低估了南海海面高度異常的增長率（見圖5）。

3.3地轉(zhuǎn)流計算與南海中尺度渦識別

AVISO高度計資料中的地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù)是由高度計海面高度異常h根據(jù)式（1）和式（2）計算得到的

式中：u和v分別是經(jīng)向和緯向地轉(zhuǎn)流，h是海面高度異常，x和y分別是緯向和經(jīng)向水平距離，g是重力加速度，f是科氏常數(shù)。舊版高度計資料中提供的地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù)是采用傳統(tǒng)的三點中央差值方法計算得到，而新版則采用了九點差值方法。研究證實九點差值方法可以減小“模板寬度”對于地轉(zhuǎn)流計算偏差的影響［10］。

圖4南海海面高度異常的年變化

圖5 南海海面高度異常變化趨勢的空間分布（單位：cm/a）

圖6 從1993年5月20日衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)（單位：cm）反演出的地轉(zhuǎn)流場（箭頭表示，單位：cm/s）中識別中尺度渦的個例。其中，白色虛線圈標識氣旋渦（CE），白色實線圈標識反氣旋渦（AE）。

利用衛(wèi)星高度計資料反演計算出的地轉(zhuǎn)流場，根據(jù)中尺度渦的幾何學性質(zhì)可以識別出中尺度渦。我們采用Nencioli等［11］提出的基于地轉(zhuǎn)流矢量幾何學的渦旋識別方法對某天海表高度異常資料反演出的地轉(zhuǎn)流場進行識別，反演地轉(zhuǎn)流的方法分別采用新版的九點差值方法和舊版的三點中央差法。圖6給出了兩種不同方法計算出的地轉(zhuǎn)流識別中尺度渦的效果，可以看到，從兩種差值方法計算地轉(zhuǎn)流識別出的中尺度渦無論是總體數(shù)量還是渦中心位置的空間分布都基本一致，只是識別出的中尺度渦邊界有一定差別。通過幾個渦旋個例的比對（圖6中AE1，CE1，AE2，CE2），參照海表高度異常的空間分布，我們發(fā)現(xiàn)新的地轉(zhuǎn)流計算方法識別出的中尺度渦邊界更合理，與海表高度異常的空間形態(tài)更匹配。

這主要與該識別算法的特點有關(guān)，它是基于中尺度渦流場幾何學的一套算法，該算法對于流場矢量的大小和方向要求非常嚴格。這也充分說明新版中的地轉(zhuǎn)流差值方法相對于舊版方法更好。

4　小結(jié)

本文以南海為例，從涉及高度計資料相關(guān)的南海海洋動力學研究的3個方面對比研究了AVISO最新發(fā)布的DUCAS 2014高度計資料與舊版高度計資料的區(qū)別和影響，結(jié)論如下：

（1）兩版資料的南海海面高度異常的氣候態(tài)空間分布基本相近，但強度和重要海洋現(xiàn)象的中心位置略有差別。比如，新版數(shù)據(jù)推算出的冬季西邊界流的強度要比舊版數(shù)據(jù)的弱，而夏季越南外海偶極子中的氣旋渦強度要比舊版資料的強；

（2）兩版資料顯示的南海海面高度異常的年際變化趨勢相同，但增長速率不同。在南海中部深海盆區(qū)，舊版資料的南海海面高度異常的增長率高于新版資料，而在南海南部和北部陸架區(qū)舊版資料計算出的增長率則低于新版。但是，從南海整個范圍平均來看，舊版資料顯示的南海海面高度異常的增長速率高于新版資料；

（3）通過基于地轉(zhuǎn)流渦旋識別方法的對比試驗表明新版的地轉(zhuǎn)流計算方法要優(yōu)于舊版方法。

參考文獻：

［1］劉良明.衛(wèi)星海洋遙感導論［M］.武漢:武漢大學出版社，2005.

［2］劉玉光.衛(wèi)星海洋學［M］.北京:高等教育出版社，2009.

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中圖分類號：P715.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）02-0074-07

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2016.02.011

收稿日期：2015-07-27

基金項目：國家自然科學青年基金項目（41406004，41306010）

作者簡介：李佳訊（1984-），男，工程師，博士，主要從事海洋環(huán)流動力學研究。E-mail:lee_jx@126.com

Impact of the new version of AVISO satellite altimeter data on the study of physical oceanography in the South China Sea

LI Jia-xun1，2，CHEN Yi-de3，CHEN Fu-sen1，3
（1.Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting，Tianjin 300061 China；2.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics，Second Institute of Oceanography，SOA，Hangzhou 310012 China；3.College of Meteorology and Oceanography，PLA University of Science and Technology，Nanjing 211101 China）

Abstract：From the SLA climatology，interannual variability of SLA，and the geostrophic current estimation method，this study takes the South China Sea as an example and discussed the impact of the AVISO altimeter data update.It is found that the new updated data can depict better interannual signals and ocean mesoscale anomalies.The result is significant for the SLA trend model forecast and the variability of mesoscale eddy in the SCS.

Key words：satellite altimeter；sea level anomaly；mesoscale eddy；South China Sea