ARGO资料延时质量控制模式

ARGO资料延时质量控制模式操作手册编制：刘增宏童明荣孙朝辉国家海洋局第二海洋研究所国家海洋局动力过程与卫星海洋学重点实验室ARGO大型科学观测试验项目组2003年11月杭州2目录一、模式介绍……………………………………………………（1）1、引言……………………………………………………（1）2、θ-S气候学盐度校正……………………………………（1）二、模式的安装和结构…………………………………………（8）三、模式的使用…………………………………………………（9）四、注意事项……………………………………………………（12）参考文献…………………………………………………………（14）3一、模式介绍自持式CTD剖面浮标是一种自由漂移，并在一定时间间隔观测盐度、温度和压力垂直剖面的浮标。ARGO计划将布放3000个这样的浮标对全球海洋2000米以上进行观测。这些浮标得到较好的温度和压强观测结果，但盐度观测结果会随着时间产生大的漂移。浮标漂移的特性意味着回收浮标进行常规的物理校正将耗资巨大。于是使用海洋水文历史资料建立了一个系统，该系统用于剖面浮标盐度数据漂移的校正。一种客观的测绘技术被用来从附近的历史资料估算在某个q层的盐度气候学背景场。水团性质的时间变化通过客观评估进行说明。浮标的盐度数据通过时间变化斜率的加权最小平方，以位势电导率间隔拟合到气候学背景场。计算气候学背景场时相应的误差通过加权最小平方计算。结果是一组校正后的盐度以及误差估计。由于计算一个稳定的斜率校正项需要积累一个时间序列，所以该系统是一个延时模式质量控制系统，必须在浮标布放后几个月才能得到可信的校准结果。然而，调查船的现场观测结果对确定一个观测趋势是由传感器漂移还是自然变化引起的非常重要。1、引言盐度观测结果可能会由于生物污染或其它问题而产生漂移。不同与传统的CTD，在投放现场能得到符合国际海洋物理科学协会（IAPSO）标准的海水用于盐度校准，并不能为这些浮标提供完全正确的盐度值。浮标漂移的特性也意味着只有很少的浮标能被回收进行检验和实验室盐度校准。这里我们讨论一个通过温-盐关系，使用附近历史水文资料对浮标的盐度进行校准的系统。2、S-q气候学盐度校准海水的两个主要状态变量，位温（q）和盐度（S）通过一定的模式相互关联，代表了一个海区的平均特征（如：Worthington1981;Emery和Dewar1982）。这种气候学的S-q关系受到季节、多年变化及强孤立涡如黑潮流环或地中海透明水的影响。在水团间的强海洋锋附近，也可能存在大的变化，如穿越大西洋湾流或印度洋的南赤道流。然而，大部分海洋中的平均S-q关系可以从温度和压强观测值计算盐度。计算的准确性依赖于海区的空间和时间的变化。对这些气候学S-q关系的计算和它们的变化被用来校正剖面浮标的盐度观测值。a.全球S-q气候学数据库为了建立一个全球海洋S-q气候学数据库，从世界海洋数据库（WOD2001）中选取一个CTD和南森站数据子集得到历史盐度观测资料，并进行组合及插值到一组位势等温层。位温层作为计算的坐标系统比传统的等压层更合理，因为等压计算可能会由于S-q弯曲和密度层垂向漂移（空间和/或时间）产生“不规则的异常”（Lozier等，1994）。为了浮标盐度的校准，q层也同样比密度层好，因为密度的计算对盐度的误差比较敏感。换句话说，即两个主要的状态变量q和S是独立变量。浮标的盐度观测资料实际上使用更精确的观测资料—温度，作为独立的变量进行校正。这些浮标带的CTD传感器观测得到的温度和压强，其精度分别达到0.0002℃和2.4db，预计温度传感器漂移0.0005℃/年。然而，目前有限的无线通讯带宽使温度保持约0.005℃的分辨率（R.Davis2002,personalcommunication）。为了获取全球海洋大部分的水体，选取了从-1℃至30℃间54个标准q层。Akima（1970）插值法被用来把历史采水盐度资料插值到标准位温层；而历史4CTD盐度资料在标准位温层进行二次抽样。所有插值后的盐度资料经过极端值检查，然后剔除不合理的值。盐度资料的插值由深到浅。如果位温倒置，仅使用每个等温层最深处的盐度值。对于全球大部分的海洋，该插值方法将保持任何浅的温度倒置层以下水体中更大更稳定的部分。例外情况位于南极、拉布拉多、格陵兰大陆架及北极圈，水体伴随多重温度倒置而分层。然而，这些例外只占全球海洋很小的比例。b.浮标位置处气候学S-q关系的客观估计在浮标剖面位置处的盐度的气候学值是通过使用垂向插值后的历史盐度资料及客观的测绘方法估算的。该方法基于高斯-马可夫定理，它给出了一个线性、无偏差的逐点估算，是最佳的最小乘方并且返回一个考虑使用资料分布的不确定性（误差变化）的估计值（Bretherton等，1976；McIntosh1990）。我们的程序（如下），说明了气候学S-q关系的空间和时间变化。假设资料的协方差为高斯的，其衰减尺度决定于三个参数：经度尺度Lx；纬度尺度Ly；时间尺度t。空间尺度是各向异性的，Lx大于Ly，体现了海洋内部主要的带状流。使用两组空间尺度，一组大的尺度（Lx1，Ly1）和一组小的（Lx2，Ly2）来估算大尺度场和小尺度场。目前，基于地区水团变化的尺度，它们被设为Lx1=20º,Ly1=10º和Lx2=8º,Ly2=4º。时间尺度由基于氯氟碳（CFC12）局部压强的近似年代估算得到（Doney和Bullister1992）。一个从J.Bullister（2001，personalcommunication）获得的全球CFC12数据集给出了不同位温层的时间尺度t。大部分这些数据可以从全球海洋环流试验（WOCE）水文项目办公室（）得到。CFC产品的发布开始于20世纪30年代，所以CFC表观年代最大约50年。于是，深层水的实际居留时间会更长，相比使用真实的时间尺度，使用CFC年代将降低旧的历史资料的比重。但是大多数越是旧的历史资料存在更大的观测误差，所以这种低的比重是合理的。对于每个在（x0,y0,t0）处和标准位温层的浮标剖面，我们选取以（x0,y0）为中心，Lx1和Ly1为半径的椭圆区域内的WOD98数据点。从这个初始数据集，我们选取600个“最好”的历史数据点，按照三个标准进行客观测绘。第一、我们从初始椭圆形中任意选取200个数据点，这确保浮标剖面周围的观测值很好地代表了大尺度平均。第二、从剩下的数据点选取200个相对大尺度和时间尺度具有最小空间分离因子的数据点（xi,yi,ti），21202120/)(/)(LyyyLxxxii-+-。这一步保证客观估计包含与浮标剖面有最佳空间相关的数据点。第三、再从剩下的数据点中选取200个历史数据点，这些点相对小尺度和时间尺度有最小的时-空分离因子，22021202120/)(/)(/)(tttLyyyLxxxiii-+-+-。这一步保证更多的同时期邻近的历史数据被包含。基于这三个标准选取数据意味着历史资料的选取在空间上不偏向那些距站点间隔比较密的观测线，同时保证了最靠近浮标剖面的观测资料（时间和空间上）被包含。于是客观的测绘将包含一个好的平均S-q关系估计及时间、空间上的变化。如果在椭圆内的历史数据点少于600个，则使用全部的点。如果浮标漂向海岸，由Lx1和Ly1确定的椭圆区域将包含陆地，于是减小选取历史资料的区域。为了选取最多的资料，当浮标漂向南-北向的海岸时，椭圆向南-北方伸展以避免包含陆地。这是通过加长经向尺度Lx1和缩短纬向尺度Ly1，但保留原来椭圆包含的区域来完成的。换句话说，当椭圆变形时，保持了选取最5佳空间历史资料的区域。当椭圆退化到一个圆时，Lx1和Ly1返回到他们原来的值，但经-纬向轴转向使长轴平行于大陆架。每个点每一标准位温层的盐度S’客观估计为：).('-+=dddSw(1)其中d=[d1,…..,dm]代表标准q层处选取的历史资料组，d表示d的平均值。也就是，假设优先估计值为d，即d的平均值。对于每个在（xi,yi,ti）的历史数据di,存在一个真实的信号si及一些随机噪音ih，它包含了观测误差、随机过程及海洋中引起偏离气候学的自然变化。从关系di=si+ih，数据的信号变化和噪音变化可以估算并合并到系数距阵w。信号变化近似于∑-iiddm2)()/1(，其中m为每个q层上的数据点的数量。噪音的变化为∑-ijiddm2)()2/1(，这里dj是每个q层上离di点最近的数据点。这一估算噪音变化的方法假设噪音与距离无关，它有唯一的方差，并且信号比数据分离有一个更长的相关距离（Fukumori和Wunsch1991）。式（1）中的系数距阵w满足1).(-=CddCdgw，其中Cdg表示数据-网格协方差距阵，Cdd表示数据-数据协方差距阵。上面提到，协方差函数假设为高斯方法的。根据Roemmich（1983）的工作，使用一个分为两个阶段的变换技术。第一阶段，协方差只是大尺度空间分量的函数，高斯衰减由大的空间尺度Lx1和Ly1确定：Cddij(x,y)=exp⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤-+--212212)()(LyyyLxxxjiji,Cddi(x,y)=exp⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤-+--21202120)()(LyyyLxxxii(2a)使用（1）和（2a）把历史资料变换到浮标剖面的位置，以及选取的历史资料点自身。原始观测值和估算的观测值之间的差称为残差。浮标剖面处的第一阶段估算值'1S是大尺度估算值，与时间变化或小尺度特征无关。第二阶段，由第一阶段得到的残差使用（1）式变换到浮标剖面处，但其协方差是一个包含时间分量和小尺度空间分量的函数。高斯衰减尺度由小的空间尺度Lx2、Ly2及时间尺度t确定：Cddij(x,y,t)=exp⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤-+-+--22222222)()()(tjijijittLyyyLxxx,Cddi(x,y,t)=exp⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤-+-+--22022202220)()()(tttLyyyLxxxiii(2b)第二阶段估算值'2S解决了小尺度特征，并给时间相差多的数据较小的权重。最6后浮标剖面处的客观估算值'fS为两个阶段估算值的和，'2'1'SSSf+=。所以，从历史资料得到的最佳客观估计值不仅在空间上靠近浮标剖面（与Lx1，Ly1和Lx2，Ly2有关），而且在时间上也接近浮标剖面（与t有关）。当存在空间和时间上接近的历史资料时，客观估算值将反映它们的观测值，误差也较小。如果历史资料和浮标观测资料间的时间差超过t，第二阶段的贡献将减小。这样，最终的估算值将倾向第一阶段的估算或大尺度时间平均气候学场，误差也加大。如果浮标漂入那些没有氯氟碳（CFC）近似年代估计的海区，如一些边缘海，那么第二阶段仅用Lx2和Ly2估算残差。第一阶段，Cdg和Cdd与历史资料的信号变化成正比，而第二阶段的Cdg和Cdd与残差的信号变化成正比。另外，历史资料的噪声变化被加到两个阶段Cdd的主对角中。同样的噪声变化被用到两个阶段的估算中，因为像上面讨论的那样，资料中的噪声代表了随机的海洋过程，不能被衡量，所以并不随尺度的变化而改变。最终浮标剖面处盐度的客观估算的误差变化由第二阶段计算得到：=)('2fmapSs残差的信号变化TtyxCdgtyxCddtyxCdg),,(),,(),,(1--（3）使用多阶段的估算过程的目的是为了分解不同空间和时间尺度的特征，并不增加整个估算的误差。结果，仅第二阶段的误差被带入最终的客观估计，即使没有最近的历史资料及/或pCFC近似年代比较小。c.位势电导率空间中对随时间变化的斜率的最小二乘拟合通过对客观估计的标准层气候学盐度场进行加权最小平方，对浮标的盐度资料进行校正。传感器校准对观测数据来说是最好的方法，对于剖面浮标来说即电导率。然而，直接比较电导率并不理想，因为电导率依赖压强（以及盐度、温度），而历史位温q层的压强并不一定和浮标相匹配。更合适的参数是一个导出量——