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        全球大洋潮汐模式在南海的準確度評估*

        2014-11-28 06:29:34高秀敏魏澤勛呂咸青王永剛
        海洋科學進展 2014年1期
        關(guān)鍵詞:分潮大洋潮汐

        高秀敏,魏澤勛*,呂咸青,王永剛,楊 揚

        (1.國家海洋局 第一海洋研究所 海洋環(huán)境與數(shù)值模擬研究室,山東 青島266061;2.中國海洋大學 物理海洋實驗室,山東 青島266100;3.國家海洋信息中心,天津300171)

        潮汐潮流數(shù)值模擬中,開邊界的選取至關(guān)重要。通常情況下,都是將大區(qū)域結(jié)果插值到區(qū)域模式邊界上,或利用觀測資料進行估計,作為區(qū)域模式的開邊界條件。目前,國際上有幾十種全球大洋潮汐模式,很多區(qū)域潮波模式的邊界條件都是來自于這些全球模式,因此,對這些全球模式在研究區(qū)域進行準確度評估至關(guān)重要。

        全球大洋潮汐模式的建立開始于20世紀80年代。Schwiderski[1-3]建立了水動力模式,并將驗潮站資料同化到模式中,給出了比較精確的全球大洋潮汐模式。Cartwright等[4]根據(jù)Geosat衛(wèi)星高度計資料給出了第一個基于衛(wèi)星高度計的全球大洋潮汐模型。隨著1992年TOPEX/Poseidon(以下簡稱T/P)衛(wèi)星的發(fā)射,基于T/P及其后續(xù)Jason衛(wèi)星高度計資料的大洋潮汐模式得到了快速發(fā)展,且精度有了很大的提高。目前常見的大洋潮汐模式有美國空間飛行研究中心的CSR(Center for Space Research)模式①EANES R J,BETTADPUR S V.The CSR3.0global ocean tide model:Diurnal and semi-diurnal ocean tides from TOPEX/POSEIDON altimetry.Technical Report CRS-TM-96-05,Centre for Space Research,University of Texas,Austin,Texas,1996.,NASA戈達德太空飛行中心的 GOT(Goddard Ocean Tide)模式②RAY R D.A global ocean tide model from TOPEX/POSEIDON altimetry:GOT99.2.NASA/TM-1999-209478,Goddard Space Flight Centre,Greenbelt,MD,USA,1999.,法國潮汐工作組的 FES(Finite Element Solution)模式[5-8],美國俄勒岡大學的 TPXO 模式[9-10]和日本國立天文觀測臺的 NAO 模式[11]等。這些模式大都基于水動力學方程組,并將衛(wèi)星高度計資料和驗潮站資料同化到模式中。

        Andersen等[12]對12種全球大洋潮汐模式進行了比較評估,指出對于 M2和K1分潮,Schrama等[13]與驗潮站數(shù)據(jù)符合最好,對于S2和O1分潮,Egbert等[9]與驗潮站數(shù)據(jù)符合最好。Shum等[14]指出1994年以來新發(fā)展了20多種全球大洋潮汐模式,并對其中的10種模式進行了準確度評估,對于M2分潮,SR95.0/.1[13]與驗潮站數(shù)據(jù)符合最好。Penna等[15]對常用的大洋潮汐模式(NAO.99b,F(xiàn)ES94.1,GOT00.2,TPXO.6.2,CSR3.0)進行了簡單的介紹。汪一航等[16]依據(jù)中國近海18個島嶼的調(diào)和常數(shù)對5個大洋潮汐模式(NAO99,GOT00,F(xiàn)ES2002,F(xiàn)ES2004,TPXO7)的準確度進行了檢驗,結(jié)果表明,日本國家天文臺的潮汐模式NAO99在中國近海的結(jié)果相對較準確。Gladkikh等[17]利用新西蘭沿岸7個驗潮站分析了全球大洋模式 TPXO7.2、GOT00.2、NAO.99b、FES2004和EOT10a[18]的準確度,對比結(jié)果表明在新西蘭沿岸 TPXO 7.2與驗潮站數(shù)據(jù)符合最好。李大煒等[19]利用傳統(tǒng)驗潮站數(shù)據(jù)對 NAO99b、FES2004、GOT4.7、TPXO7.2和EOT10a五個全球大洋潮汐模式進行精度評估,結(jié)果表明,在中國近海,NAO99b的精度最高,EOT10a在全球海洋范圍綜合指標最優(yōu)。

        本研究選取了全球大洋潮汐模式TPXO7.2、GOT00.2、NAO.99b和DTU10[20],分析了它們在南海區(qū)域M2、S2、K1、O1分潮的分布特征,并利用驗潮站資料和T/P衛(wèi)星高度計資料對它們的準確度進行了評估。

        1 模式介紹

        TPXO模式是由美國俄勒岡大學(Oregon State University)建立的反演同化模式,該模式以拉普拉斯潮汐方程組為基礎(chǔ),并同化了T/P、Jason衛(wèi)星高度計資料和驗潮站資料。TPXO7.2為其最新版本,分辨率為0.25°×0.25°,網(wǎng)格數(shù)為1440×721,緯度-90°~90°N,經(jīng)度0.25°~360°E,此模式提供了8個主要分潮 M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1和 Q1,2個長周期分潮 Mf,Mm和3個淺水分潮 M4,MS4,MN4共13個分潮的潮汐信息。TPXO7.2模式的下載網(wǎng)址為http://volkov.oce.orst.edu/tides/global.html。

        GOT模式是由 NASA戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)研發(fā)的,GOT00.2是 GOT99.2b的升級版本,分辨率為0.5°×0.5°,網(wǎng)格數(shù)為720×361,緯度-90°~90°N,經(jīng)度0°~359°30′E。該模式是基于FES94.1動力學模型的,并對FES94.1模型進行修正,它還融合了T/P和ERS 1/2衛(wèi)星數(shù)據(jù)。GOT00.2模式的下載網(wǎng)址為http://www.mmnt.net/db/0/0/falcon.grdl.noaa.gov/pub/dave/GOT00.2。

        NAO.99b模式是日本國立天文觀測臺(National Astronomical Observatory)開發(fā)的,分辨率為0.5°×0.5°,網(wǎng)格數(shù)為720×360,緯度-89°45′~89°45′N,經(jīng)度0.25°~359°45′E。該模型將大約5a的T/P衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)同化到動力學模型,給出了16個短周期分潮(M2,S2,K1,O1,N2,P1,K2,Q1,M1,J1,OO1,2N2,Mu2,Nu2,L2和T2)和7個長周期分潮(Mtm,Mf,MSf,Mm,MSm,Ssa和Sa)的結(jié)果。NAO.99Jb為區(qū)域模式,范圍為緯度20°~65°N,經(jīng)度110°~155°E,分辨率為1/12°×1/12°,另外還同化了沿岸驗潮站數(shù)據(jù)。NAO.99b模式的下載網(wǎng)址為http://www.miz.nao.ac.jp/staffs/nao99/index_En.html。

        DTU10模式是近期出現(xiàn)的全球大洋潮汐模式,是丹麥科技大學(Technical University of Denmark)開發(fā)的,分辨率為0.125°×0.125°,網(wǎng)格數(shù)為2881×1441,緯度-90°~90°N,經(jīng)度0°~360°E。該模式是基于FES2004[8]和響應(yīng)法[21],并利用從1992-09-2009-09的17a的 T/P、Jason-1和Jason-2衛(wèi)星高度計資料發(fā)展起來的一個新的全球大洋潮汐模型,包含8個主要分潮 M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1,此外,還包含2個來自于GOT4.7模式的 S1,M4分潮。DTU10模式的下載網(wǎng)址為http://www.space.dtu.dk/English/Research/Scientific_data_and_models/Global_Ocean_Tide_Model.aspx。

        2 準確度評估方法

        用振幅絕均差和遲角絕均差來表示計算值和觀測值之間的偏差,這種方法比較直觀。其計算公式為:

        式中,H為振幅;g為遲角;下標sim和obs分別代表計算值和觀測值;N為觀測值個數(shù),n=1,2,…,N。當振幅較小時,計算和觀測的遲角都不太穩(wěn)定,同時振幅較小時的誤差對潮高計算誤差影響也較小,故式(2)中不考慮振幅的差別而將所有遲角差進行平均并不十分合理。另一種方法不是很直觀,但更合理一些,這種方法取均方根偏差:

        其中,

        σ也常常被稱為計算值和觀測值之間的距離,它表征了計算值和觀測值的偏離程度,而它與觀測值變化性的相對偏離程度可用相對偏差

        來表示,其中,

        代表了計算值和觀測值的擬合程度,r相當于線性回歸中的相關(guān)系數(shù)。

        3 大洋潮汐模式在南海的準確度評估

        本研究采用60個驗潮站和22個T/P衛(wèi)星高度計軌道交叉點的調(diào)和常數(shù)資料(站位分布見圖1,驗潮站資料引自Fang等[22],其站名見表1)作為觀測值,將全球大洋潮汐模式和觀測資料全都插值到0.125°×0.125°的網(wǎng)格上,采用第2節(jié)描述的方法,對大洋潮汐模式TPXO7.2、GOT00.2、NAO.99b和DTU10中 M2,S2,K1和O1四個主要分潮調(diào)和常數(shù)在南海的準確度進行了評估。

        圖1 驗潮站站位和T/P軌道交叉點位置Fig.1 Locations of tidal gauge stations and T/P crossover points

        表1 驗潮站對應(yīng)站名Table 1 Names of tidal gauge stations

        表2給出了4個大洋潮汐模式與驗潮站調(diào)和常數(shù)的對比,從表中可以看出,對于M2分潮,TPXO7.2、GOT00.2、NAO.99b和DTU10的均方根偏差分別為13.63,11.00,15.37和8.36cm,DTU10結(jié)果最好,GOT00.2次之;對于S2分潮,TPXO7.2、GOT00.2、NAO.99b和DTU10的均方根偏差分別為6.28,10.14,8.38和5.22cm,DTU10結(jié)果最好,TPXO7.2次之;對于 K1分潮,TPXO7.2、GOT00.2、NAO.99b和DTU10的均方根偏差分別為11.01,6.63,7.42和7.18cm,GOT00.2結(jié)果最好,DTU10次之;對于 O1分潮,TPXO7.2、GOT00.2、NAO.99b和 DTU10的均方根偏差分別為10.23,7.32,7.56和7.57cm,GOT00.2結(jié)果最好,DTU10和NAO.99b偏差相差不大,TPXO7.2結(jié)果最差。

        表3給出了4個大洋潮汐模式與T/P衛(wèi)星軌道交叉點調(diào)和常數(shù)的對比,從表中可以看出,4個大洋潮汐模式的結(jié)果都很好,且相差不大。對于半日分潮,DTU10和NAO.99b的結(jié)果要好于GOT00.2和TPXO7.2;對于全日分潮,GOT00.2和DTU10的結(jié)果要好于NAO.99b和TPXO7.2。與表2相比,4個大洋潮汐模式與衛(wèi)星高度計資料的誤差明顯小于與驗潮站比較的誤差。

        表4給出了4個大洋潮汐模式與驗潮站和T/P衛(wèi)星軌道交叉點調(diào)和常數(shù)的對比,由于4個大洋潮汐模式在T/P衛(wèi)星軌道交叉點處的偏差都很小且相差不大,因此表4的結(jié)果與表2只與驗潮站調(diào)和常數(shù)對比的結(jié)果類似。

        為了更精確地給出4個大洋潮汐模式在南海不同區(qū)域的準確度,文中將南海分成了8個區(qū),見圖1。區(qū)域Ⅰ位于臺灣海峽和呂宋海峽附近,包括7個驗潮站點(站號1~3,57~60)和2個T/P衛(wèi)星軌道交叉點(站號81和82)。區(qū)域Ⅱ位于廣東沿岸,包括5個驗潮站點(站號4~8)和1個T/P衛(wèi)星軌道交叉點(站號80)。區(qū)域Ⅲ位于北部灣,包括11個驗潮站點(站號9~19)和2個T/P衛(wèi)星軌道交叉點(站號75和79)。區(qū)域Ⅳ位于越南東南部,包括5個驗潮站點(站號20~24)。區(qū)域Ⅴ位于泰國灣,包括13個驗潮站點(站號25~37)和2個T/P衛(wèi)星軌道交叉點(站號65和66)。區(qū)域Ⅵ位于巽他陸架上,包括9個驗潮站點(站號38~46)和2個T/P衛(wèi)星軌道交叉點(站號61和62)。區(qū)域Ⅶ位于加里曼丹島和菲律賓群島沿岸,包括9個驗潮站點(站號47~55)。區(qū)域Ⅷ位于南海中央海盆,包括1個驗潮站點(站號56)和13個T/P衛(wèi)星軌道交叉點(站號63,64,67~74,76~78)。

        表5為分區(qū)域的對比結(jié)果,這里只給出了均方根偏差。由表5可以看出,在區(qū)域Ⅰ,4個分潮均是DTU10的偏差最小;在區(qū)域Ⅱ,除了K1分潮GOT00.2的偏差最小外,另外3個分潮均是DTU10的偏差最?。辉趨^(qū)域Ⅲ,4個分潮均是DTU10的偏差最小;在區(qū)域Ⅳ,M2分潮NAO.99b的偏差最小,S2和O1分潮GOT00.2的偏差最小,K1分潮DTU10的偏差最?。辉趨^(qū)域Ⅴ,M2和S2分潮DTU10的偏差最小,K1和O1分潮NAO.99b的偏差最?。辉趨^(qū)域Ⅵ,M2和O1分潮GOT00.2的偏差最小,S2和K1分潮DTU10的偏差最??;在區(qū)域Ⅶ,除了O1分潮GOT00.2的偏差最小外,另外3個分潮均是TPXO7.2的偏差最?。辉趨^(qū)域Ⅷ,M2分潮NAO.99b的偏差最小,S2分潮TPXO7.2的偏差最小,K1和O1分潮GOT00.2的偏差最小。

        對南海進行潮汐潮流數(shù)值模擬時,開邊界主要位于臺灣海峽北口的北邊界、呂宋海峽處的東邊界和卡里馬塔海峽附近的南邊界。北邊界和東邊界位于區(qū)域Ⅰ,在此區(qū)域,4個分潮都是DTU10結(jié)果最好。南邊界位于區(qū)域Ⅵ,M2和O1分潮GOT00.2的偏差最小,S2和K1分潮DTU10的偏差最小。

        圖2~圖5分別給出了4個大洋潮汐模式的南海M2、S2、K1、O1分潮的同潮圖,其傳播規(guī)律基本相同,在北部灣和泰國灣處略有差異。與Fang等[22]的結(jié)果相比,對于M2分潮,GOT00.2的結(jié)果最接近,對于S2分潮,DTU10的結(jié)果最接近;對于K1分潮,DTU10的結(jié)果最接近,對于O1分潮,NAO.99b的結(jié)果最接近。

        表2 與驗潮站調(diào)和常數(shù)的對比Table 2 Comparison with the harmonic constants observed at the tidal gauge stations

        表3 與T/P衛(wèi)星軌道交叉點調(diào)和常數(shù)的對比Table 3 Comparison with the harmonic constants observed at the T/P crossover points

        表4 與驗潮站和T/P衛(wèi)星軌道交叉點調(diào)和常數(shù)的對比Table 4 Comparison with the harmonic constants observed at the tidal gauge stations and the T/P crossover points

        表5 分區(qū)域均方根偏差的對比(cm)Table 5 Comparison of root mean square deviations in different subareas(cm)

        圖2 不同全球大洋潮汐模式下的M2分潮同潮圖Fig.2 Co-tidal charts of M2for different global ocean tide models

        圖3 不同全球大洋潮汐模式下的S2分潮同潮圖Fig.3 Co-tidal charts of S2for different global ocean tide models

        圖4 不同全球大洋潮汐模式下的K1分潮同潮圖Fig.4 Co-tidal charts of K1for different global ocean tide models

        圖5 不同全球大洋潮汐模式下的O1分潮同潮圖Fig.5 Co-tidal charts of O1for different global ocean tide models

        4 南海潮汐分布特征

        根據(jù)第3節(jié)的準確度評估結(jié)果,分別利用圖2b、3d、4d、5c來分析南海M2、S2、K1、O1四個主要分潮的潮汐分布特征。

        由圖2b可以看出,M2分潮潮波經(jīng)呂宋海峽傳入南海,部分潮波向北轉(zhuǎn)入臺灣海峽,大部向南海內(nèi)部傳播。在傳播過程中,又有部分潮波轉(zhuǎn)向西北進入北部灣,其主要部分則繼續(xù)向西南傳播,到達越南西南部附近海域時,部分潮波轉(zhuǎn)向進入泰國灣,其余部分往南向巽他陸架海域傳播。M2分潮在進入臺灣海峽后與來自東海的潮波相遇,此處的等振幅線非常密集,這是由于來自東海的M2分潮振幅遠大于來自南海的M2分潮振幅,在臺灣海峽西北口的最大振幅超過了2m。M2分潮在南海北部廣東沿岸最大振幅出現(xiàn)在湛江附近,可達0.8m。在北部灣傳播過程中,M2分潮同潮時線的走向基本與灣軸垂直,在灣內(nèi)有一個退化了的無潮點,北部灣內(nèi)M2分潮的振幅很小,最大在灣頂0.4m左右。M2分潮在南海中部海域表現(xiàn)為駐波,同潮時線稀疏,振幅很小,基本在0.2m以內(nèi)。M2分潮在泰國灣有兩個潮波系統(tǒng),一個無潮點位于泰國灣的頂端,同潮時線繞無潮點作逆時針方向旋轉(zhuǎn),另一個無潮點位于泰國灣灣口,呈順時針旋轉(zhuǎn)。

        在南海大部分海區(qū),S2分潮(圖3d)的分布與M2分潮大體一致,只是振幅較M2分潮要小很多。

        由圖4d和5c可以看出,在南海,除了北部灣和泰國灣,K1分潮和O1分潮的潮波均從東北向西南傳播。在泰國灣,K1分潮和O1分潮都有一個完整的逆時針方向旋轉(zhuǎn)的潮波系統(tǒng)。在北部灣灣口,K1分潮和O1分潮各有一個退化了的無潮點。K1分潮和O1分潮都是在北部灣灣頂?shù)恼穹畲?,都超過了0.8m。北部灣是我國近海全日分潮波最大的海區(qū),這在世界上也不多見。對于一般海區(qū),通常K1分潮的振幅大于O1分潮的振幅,而在北部灣恰好相反。這是由于北部灣的自由振蕩周期更接近于O1分潮周期,使O1分潮潮波在北部灣產(chǎn)生共振,從而使得O1分潮的振幅增強[23]。

        5 結(jié)語

        本研究利用南海海域60個驗潮站和22個T/P衛(wèi)星高度計軌道交叉點處的調(diào)和常數(shù)資料,檢驗了四種全球大洋潮汐模式TPXO7.2、GOT00.2、NAO.99b和DTU10在南海的準確度。對比結(jié)果表明,四種全球大洋潮汐模式在南海均有較高的準確度,與衛(wèi)星高度計資料比較的精度明顯高于與沿岸驗潮站資料比較的精度。為了更精確地給出四種大洋潮汐模式在南海不同區(qū)域的準確度,將南海分成了8個區(qū),分別對比了四種大洋潮汐模式在各區(qū)域的準確度。北邊界和東邊界所在區(qū)域4個分潮都是DTU10結(jié)果最好,南邊界所在區(qū)域M2和O1分潮GOT00.2的偏差最小,S2和K1分潮DTU10的偏差最小。在進行南海潮汐數(shù)值模擬選擇開邊界條件時,可以以DTU10模式為主,并利用GOT00.2模式作適當調(diào)整。最后簡單分析了南海M2、S2、K1、O1四個主要分潮的潮汐分布特征。

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