高 琳, 趙進(jìn)平??, 范秀濤, 劉世萱, 李詩(shī)民

(1. 中國(guó)海洋大學(xué), 山東 青島 266100; 2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所, 山東 青島 266100; 3. 國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心, 北京 100000)

北歐海位于北大西洋和北冰洋之間,由格陵蘭海、冰島海和挪威海組成。北歐海是一個(gè)非常特殊的海域,北歐海南部的冰島低壓常年存在,是活躍的低壓系統(tǒng)。北歐海東西兩側(cè)分別由格陵蘭冰蓋和挪威山脈約束,氣候尺度上體現(xiàn)為東側(cè)以南風(fēng)為主,西側(cè)以北風(fēng)為主,支撐了海域東部的挪威暖流和西部的東格陵蘭寒流。此外,北歐海有非?；钴S的氣旋活動(dòng),是天氣尺度過(guò)程最顯著的地區(qū)之一[1-4],影響著從水體循環(huán)、水團(tuán)形成、深對(duì)流等各種海洋過(guò)程[5-8],是全球海洋高密度水體的重要源地[9-14]。

由于北歐海特殊的地貌結(jié)構(gòu),北歐海的海氣相互作用相當(dāng)重要,海氣之間有顯著的耦合變化特征。北極濤動(dòng)(AO,Arctic oscillation)與北歐海有密切聯(lián)系[15-16]。趙進(jìn)平等[17-18]分析了海面氣壓變化與AO指數(shù)的關(guān)系,提出了北極濤動(dòng)核心區(qū)的概念,其主體是北歐海及其周邊海域。趙進(jìn)平和Drinkwater[19]研究了各個(gè)海盆熱通量變化的差異,指出北歐海的熱量收支夏季以太陽(yáng)短波輻射為主,冬季以來(lái)自海洋的感熱和潛熱通量為主。這些熱通量與AO指數(shù)的相關(guān)性表明,只有冰島附近的上升氣流與AO正相關(guān),是引起AO變化的重要因子,形成了大西洋扇區(qū)北極濤動(dòng)的唯一正反饋區(qū)[20]。

再分析數(shù)據(jù)可以提供較為完整的時(shí)空范圍的數(shù)據(jù)用于研究北歐海的海氣耦合過(guò)程,但其湍流熱通量對(duì)海氣邊界層的特性非常敏感[21],再分析的風(fēng)速數(shù)據(jù)相較于實(shí)際風(fēng)速偏低[21-24],且在亞極地和極地海洋區(qū)域,熱通量都存在明顯的偏差[24-26],這意味著對(duì)再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證十分必要。

然而關(guān)于北歐海的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)較少。冰島氣象局(IMO)在2007—2009年期間對(duì)冰島海中部進(jìn)行了浮標(biāo)觀測(cè)[13,27-28]。在北歐海西南側(cè)的伊爾明厄海(Irminger Sea)有兩次現(xiàn)場(chǎng)浮標(biāo)觀測(cè),分別是2004年7—12月[22]和2014—2018年夏季到冬季過(guò)程的觀測(cè)[14,29]。其余均是陸上觀測(cè),主要有沿海各國(guó)的氣象觀測(cè)站、揚(yáng)馬延島觀測(cè)站和挪威南部的海洋監(jiān)測(cè)船(M站,1949—2009年)。

基于前期研究對(duì)北歐海海氣相互作用重要性的認(rèn)識(shí),以及北歐海觀測(cè)數(shù)據(jù)的嚴(yán)重不足狀況,我們制定了在北歐海布放一套海氣耦合浮標(biāo)的計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)對(duì)北歐海海氣耦合過(guò)程的觀測(cè)。浮標(biāo)由雪龍船于2012年8月5日正式布放在北歐海中的羅弗敦公海水域,布放位置為(70.67°N,5.07°E),是挪威暖流影響下的暖水區(qū)(見(jiàn)圖1),其海氣相互作用過(guò)程具有一定代表性。本文對(duì)浮標(biāo)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試與評(píng)估,并將浮標(biāo)數(shù)據(jù)與ERA5數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,給出了北歐海海氣耦合狀態(tài)季節(jié)尺度的基本變化特征。

(紅色點(diǎn)為浮標(biāo)的位置。The location of the buoy is marked with the red dot.)

1 北歐海大浮標(biāo)觀測(cè)的時(shí)間序列

大浮標(biāo)的研制與應(yīng)用工作由中國(guó)海洋大學(xué)主持,浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)由山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所(簡(jiǎn)稱“山儀所”)設(shè)計(jì)和制造,浮標(biāo)的主要傳感器由國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心和山儀所共同提供。浮標(biāo)體自重15.6 t,直徑6 m,型深4.3 m,吃水3.5 m,氣象觀測(cè)平臺(tái)最高點(diǎn)距離水面10 m,浮標(biāo)位置水深約為3 200 m,每小時(shí)通過(guò)衛(wèi)星傳回一組數(shù)據(jù)。

1.1 海氣耦合浮標(biāo)的主要傳感器

海氣耦合浮標(biāo)是一個(gè)復(fù)雜的觀測(cè)系統(tǒng),包括4個(gè)大氣子系統(tǒng)和3個(gè)海洋子系統(tǒng):(1)垂直梯度觀測(cè)子系統(tǒng),(2)自動(dòng)氣象站,(3)湍流通量觀測(cè)子系統(tǒng),(4)輻射觀測(cè)子系統(tǒng),(5)海表溫鹽觀測(cè)系統(tǒng),(6)海流觀測(cè)系統(tǒng),(7)波浪觀測(cè)系統(tǒng)。

自2012年8月5日浮標(biāo)布放以來(lái),到2015年2月25日浮標(biāo)完全損毀,可以分為3個(gè)大的觀測(cè)時(shí)間段:第一階段2012年8月5日—2013年2月1日,第二階段2013年8月7日—9月8日,第三階段2014年6月22日—2015年2月25日。表1列出了所有提供數(shù)據(jù)的傳感器,及其工作時(shí)間范圍,其中紅字代表雖有數(shù)據(jù)但數(shù)據(jù)有異常。

表1 浮標(biāo)的主要傳感器和數(shù)據(jù)時(shí)間段Table 1 The instrumentation of the buoy and the data period

2 大浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)與ERA5數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

浮標(biāo)的所有傳感器在安裝之前都進(jìn)行了標(biāo)定,符合觀測(cè)規(guī)范,可望獲得可信的數(shù)據(jù)。但是,對(duì)于長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的浮標(biāo)系統(tǒng)而言,傳感器在觀測(cè)過(guò)程中會(huì)受到外在和內(nèi)在因素的影響,難免出現(xiàn)數(shù)據(jù)的漂移或失真。在此,我們采用ERA5數(shù)據(jù)與大浮標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。ERA5是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF,European Centre for Medium Range Weather Forecasts)的第五代再分析數(shù)據(jù)集,提供從1979年至今的全球海洋和大氣再分析和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),時(shí)間分辨率為1 h,水平分辨率為31 km。所有的ERA5數(shù)據(jù)均從ECMWF網(wǎng)站下載(https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5/)。嚴(yán)格說(shuō)來(lái),ERA5并不比浮標(biāo)數(shù)據(jù)更加精確,這里進(jìn)行二者比較的目的是主要用以判斷浮標(biāo)的數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)明顯的異常,同時(shí)也可驗(yàn)證ERA5的數(shù)據(jù)。

表2是浮標(biāo)在3個(gè)觀測(cè)階段的經(jīng)緯度、與浮標(biāo)最近的ERA5格點(diǎn)的經(jīng)緯度,以及它們的距離。浮標(biāo)在返港維修后再次投放時(shí)位置略有差異。

表2 浮標(biāo)位置與ERA5最近格點(diǎn)的經(jīng)緯度和距離Table 2 The location of the buoy, the closet grid point in ERA5 and mean distance between them

將正常的浮標(biāo)數(shù)據(jù)與ERA5數(shù)據(jù)對(duì)比分析。對(duì)于那些與ERA5數(shù)據(jù)雖有不同,但不能證明其非正常的浮標(biāo)數(shù)據(jù),仍在本節(jié)進(jìn)行比較。各個(gè)主要參數(shù)的浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)與ERA5數(shù)據(jù)的比較結(jié)果如下(見(jiàn)表3)。

表3 浮標(biāo)數(shù)據(jù)與ERA5的對(duì)比Table 3 Comparison of ERA5 with buoy data

續(xù)表3

2.1 海面氣壓數(shù)據(jù)

浮標(biāo)2013年海表面氣壓(SLP)數(shù)據(jù)異常偏低不能使用,2012和2014年的SLP數(shù)據(jù)與ERA5數(shù)據(jù)高度一致(見(jiàn)圖2),相關(guān)系數(shù)和線性回歸系數(shù)都達(dá)到1,均方根誤差很小,說(shuō)明浮標(biāo)傳感器正常工作情況下,獲得的氣壓數(shù)據(jù)非?？煽?同時(shí)也表明當(dāng)浮標(biāo)傳感器發(fā)生故障時(shí),可以用ERA5的SLP數(shù)據(jù)代替浮標(biāo)氣壓數(shù)據(jù)。

2.2 氣溫和濕度數(shù)據(jù)

三個(gè)時(shí)間段的浮標(biāo)氣溫與ERA5氣溫有很好的相關(guān)性(見(jiàn)圖3),沒(méi)有明顯的漂移。這三個(gè)階段浮標(biāo)的相對(duì)濕度與ERA5相對(duì)濕度數(shù)據(jù)也非常接近(見(jiàn)圖4),只是2013年的觀測(cè)時(shí)間短,導(dǎo)致數(shù)據(jù)離散度較大。結(jié)果表明,溫度和相對(duì)濕度的數(shù)據(jù)可以直接使用,梯度系統(tǒng)的氣溫和濕度基本符合隨高度遞減的特征,但也存在偏離該特征的時(shí)間段(表略),使用時(shí)需要注意是數(shù)據(jù)問(wèn)題還是逆溫現(xiàn)象。

2.3 輻射數(shù)據(jù)

浮標(biāo)的輻射數(shù)據(jù)包括向下的短波輻射、向上的短波輻射、向上的長(zhǎng)波輻射以及向下的長(zhǎng)波輻射。輻射數(shù)據(jù)與ERA5數(shù)據(jù)有比較明顯的差別,這種差別有兩方面的原因:一方面ERA5再分析輻射數(shù)據(jù)與云量密切相關(guān),而云量又誤差較大,會(huì)導(dǎo)致輻射數(shù)據(jù)有較大的離散度;另一方面,輻射計(jì)一直隨浮標(biāo)搖晃,觀測(cè)結(jié)果也會(huì)有較大的離散度。因此,輻射數(shù)據(jù)需要統(tǒng)計(jì)后才能使用。

2.3.1 短波輻射 從圖5(a)、(b)、(c)可以看到,兩組向下短波輻射數(shù)據(jù)的離散程度很大,但其擬合曲線與對(duì)角線偏離不大,表明這兩組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果有較好的一致性。而二組向上短波輻射的差別很大,ERA5的向上短波輻射幾乎截止到35 W·m-2,而同期的浮標(biāo)短波輻射可以達(dá)到50 W·m-2以上(見(jiàn)圖5(d)、(e)、(f))。為了比較二者的一致性,用向上和向下短波輻射之商表示短波輻射的反照率(見(jiàn)圖5(g)、(h)、(i))。結(jié)果表明,ERA5的反照率大都在10以下,更加符合海洋的特性;而浮標(biāo)的反照率偏高。我們認(rèn)為,問(wèn)題出在向上短波輻射,浮標(biāo)的輻射計(jì)雖然盡可能外伸,但仍然可能受到浮標(biāo)體的影響,黃色的標(biāo)體會(huì)加大向上的反射輻射。因此,建議慎用向上的短波輻射。目前尚沒(méi)有更好的辦法解決這個(gè)問(wèn)題。

((a)中浮標(biāo)氣壓數(shù)據(jù)來(lái)自湍流傳感器,(b)中浮標(biāo)氣壓來(lái)自自動(dòng)氣象站。黑色粗線是兩組數(shù)據(jù)的線性回歸直線(A0是截距,A1是斜率或線性回歸系數(shù))。CC是相關(guān)系數(shù),N是數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),RMSE是均方根誤差,B是ERA5相對(duì)于浮標(biāo)的平均偏差。(a) Buoy SLP from turbulence, (b) Buoy SLP from automatic meteorological station. The thick grey line is a linear regression fit to the data (A0 is intercept, A1 is slope or regression coefficient). CC is correlation coefficient, N is the number of the point, RMSE is root-mean-square error, B is the mean bias error of ERA5 with respect to buoy.)

((a)、(b)氣溫是浮標(biāo)3 m層數(shù)據(jù),(c)氣溫是浮標(biāo)10 m層自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)。ERA5氣溫是2 m。圖中參數(shù)的含義與圖2相同。(a), (b) Buoy Ta from 3 m; (c) Buoy Ta from 10 m. The meaning of parameters in the figure are the same as Fig.2.)

((a)、(b)、(c)中浮標(biāo)相對(duì)濕度都是3 m層數(shù)據(jù),ERA5的相對(duì)濕度是通過(guò)其2 m露點(diǎn)溫度和2 m氣溫計(jì)算得到的。圖中參數(shù)的含義與圖2相同。(a), (b), (c) Buoy RH from 3 m, The RH of ERA5 is calculated by 2 m dew point temperature and 2 m air temperature . The meaning of parameters in the figure are the same as Fig.2.)

((a)、(b)、(c):向下短波輻射;(d)、(e)、(f):向上短波輻射;(g)、(h)、(i):短波輻射反照率,時(shí)間分辨率為1 h。圖中參數(shù)的含義與圖2相同。(a), (b), (c): Downward shortwave radiation; (d), (e), (f): Upward solar radiation; (g), (h), (i): Albedo of shortwave radiation. Time resolution is 1 hour. The meaning of parameters in the figure are the same as Fig.2.)

2.3.2 長(zhǎng)波輻射 浮標(biāo)與ERA5向上長(zhǎng)波輻射的相關(guān)系數(shù)在0.5～0.9之間,其中2013年8月的向上長(zhǎng)波相關(guān)系數(shù)只有0.27,但均方根誤差和偏差都很小(見(jiàn)圖6(a)、(b)、(c))。向下長(zhǎng)波輻射二組數(shù)據(jù)有一定的差別,ERA5數(shù)據(jù)高輻射時(shí)偏低、低輻射時(shí)偏高(見(jiàn)圖6(d)、(e)、(f))。由于向下長(zhǎng)波輻射受浮標(biāo)體的影響很小,而再分析數(shù)據(jù)受云量的影響會(huì)有較大偏差,浮標(biāo)的數(shù)據(jù)更加可靠。

((a)、(b)、(c)向上長(zhǎng)波輻射,(d)、(e)、(f)向下長(zhǎng)波輻射,都是時(shí)間分辨率為1 h的原始數(shù)據(jù)。圖中參數(shù)的含義與圖2相同。(a), (b), (c) Upward longwave radiation; (d), (e), (f) Downward longwave radiation. Time resolution is 1 hour. The meaning of parameters in the figure are the same as Fig.2.)

2.4 風(fēng)速、風(fēng)向和海流數(shù)據(jù)

2012和2013年沒(méi)有自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù),風(fēng)速與風(fēng)向數(shù)據(jù)來(lái)自梯度風(fēng)9 m的數(shù)據(jù)。2014年換裝的自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)啟用,用于10 m的風(fēng)速風(fēng)向。

2.4.1 風(fēng)速數(shù)據(jù) 2012和2013年,梯度風(fēng)速的最大風(fēng)速截?cái)嗟?0 m·s-1,可能是因?yàn)閮x器的設(shè)置出現(xiàn)了問(wèn)題,該問(wèn)題在2014年得到糾正。因此,在與ERA5風(fēng)速對(duì)比時(shí),僅選取浮標(biāo)風(fēng)速小于10 m·s-1時(shí)間段的數(shù)據(jù)。從圖7可見(jiàn),第一和第二階段風(fēng)速小于10 m·s-1風(fēng)速與ERA5的10 m風(fēng)速非常一致,相關(guān)系數(shù)為0.88和0.91,回歸系數(shù)為1。第三階段浮標(biāo)與ERA5的風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.95,回歸系數(shù)為0.9。這個(gè)結(jié)果表明,浮標(biāo)風(fēng)速與ERA5風(fēng)速有很好的一致性。此外,梯度風(fēng)的風(fēng)速普遍隨高度增大,表明梯度風(fēng)的測(cè)量有較高的可靠性(略)。

2.4.2 風(fēng)向數(shù)據(jù) 在數(shù)據(jù)中,浮標(biāo)和ERA5的風(fēng)向統(tǒng)一為來(lái)向,即0°為北風(fēng),180°為南風(fēng)。由于2014年自動(dòng)氣象站的采樣頻率高,風(fēng)向擺動(dòng)大,首先將浮標(biāo)原始風(fēng)向轉(zhuǎn)換為東西、南北方向風(fēng)速分量u、v,對(duì)其進(jìn)行12 h滑動(dòng)平均后重新合成,然后與ERA5數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。風(fēng)向的情況比較復(fù)雜,2012年浮標(biāo)風(fēng)向(見(jiàn)圖8(a))沒(méi)有10°～110°的數(shù)據(jù),而ERA5數(shù)據(jù)基本正常。據(jù)分析,認(rèn)為是浮標(biāo)梯度風(fēng)的風(fēng)向出了問(wèn)題,或者在數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生了錯(cuò)誤。2013年浮標(biāo)風(fēng)向數(shù)據(jù)與ERA5的一致,相關(guān)系數(shù)為0.9,回歸系數(shù)為1(見(jiàn)圖8(b))。2014年是數(shù)據(jù)最完整的時(shí)間段,但浮標(biāo)風(fēng)向與ERA5風(fēng)向比較時(shí)結(jié)果很不正常(見(jiàn)圖8(c)):ERA5數(shù)據(jù)在0°～360°之間變化,各個(gè)方向比較均勻;而浮標(biāo)10 m風(fēng)向數(shù)據(jù)在2014年6月—8月10日與ERA5風(fēng)向相關(guān)較好,但之后浮標(biāo)的風(fēng)向基本保持在100°～200°范圍變化,以東風(fēng)和南風(fēng)為主(見(jiàn)圖8(c))。究竟是哪個(gè)數(shù)據(jù)出了問(wèn)題?分析結(jié)果表明,浮標(biāo)數(shù)據(jù)是正確的,而ERA5的數(shù)據(jù)在2014年8月10日之后存在問(wèn)題。

((a)、(b)浮標(biāo)風(fēng)速是9 m層數(shù)據(jù),(c)浮標(biāo)風(fēng)速是10 m自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)。圖中參數(shù)的含義與圖2相同。(a),(b) Buoy WS from 9 m. (c) Buoy WS from 10 m. The meaning of parameters in the figure are the same as Fig.2.)

(ERA5風(fēng)向是10 m。(a)、(b)、(d)浮標(biāo)風(fēng)向是9 m層數(shù)據(jù),(c)浮標(biāo)風(fēng)向是10 m自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù),且經(jīng)過(guò)12小時(shí)滑動(dòng)平均處理。圖中參數(shù)的含義與圖2相同。ERA5 WD is 10 m. (a), (b), (d) Buoy WD from 9 m. (c) Buoy WD from 10 m and calculated by 12 h moving average. The meaning of parameters in the figure are the same as Fig.2.)

以下幾種信息支持浮標(biāo)風(fēng)向的正確性。首先,梯度風(fēng)9 m的風(fēng)向一直在150°～200°范圍變化(見(jiàn)圖8(d)),二者雖然有約58°的統(tǒng)計(jì)偏差,但與10 m的風(fēng)向有很好的相關(guān)性。第二,浮標(biāo)的風(fēng)向與浮標(biāo)波向有很好的一致性。圖9表明,浮標(biāo)的波向在冬季一直以100°～150°為主方向,與浮標(biāo)的風(fēng)向接近。此外,冬季在浮標(biāo)位置是以南風(fēng)為主的時(shí)期,ERA5風(fēng)向體現(xiàn)為在所有的方向幾乎呈均勻分布,顯然是不合理的。此外,我們研究了同期ERA5風(fēng)向在整個(gè)北歐海的特征,認(rèn)為其存在嚴(yán)重的不平衡的問(wèn)題,因與本文無(wú)關(guān)在此不詳細(xì)討論。

2.4.3 海流數(shù)據(jù) 浮標(biāo)安裝了Aanderaa聲學(xué)多普勒海流計(jì)(ADCP),用于測(cè)量表層以下的海流,垂向分辨率為4 m,最大測(cè)量深度80 m。由于ADCP的測(cè)量采用多普勒原理,沒(méi)有因標(biāo)定系數(shù)導(dǎo)致的誤差,也沒(méi)有因數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的誤差,只需通過(guò)質(zhì)量控制即可以使用。圖10表明經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制的ADCP數(shù)據(jù)是可靠的,可以直接用于海流研究。由于ERA5沒(méi)有海流梯度數(shù)據(jù),因而沒(méi)有辦法比較。

2.5 波浪數(shù)據(jù)

波浪傳感器提供波周期、有效波高和波向數(shù)據(jù)。

2.5.1 有效波周期和有效波高 浮標(biāo)的平均波周期在5～10 s的范圍內(nèi)變化,比ERA5平均波周期偏小0.9～1.4 s,二者有較好的相關(guān)性(見(jiàn)圖11),2014年相關(guān)系數(shù)為0.92,其它時(shí)間段都超過(guò)0.8。浮標(biāo)與ERA5的有效波高在0～10 m的范圍變化,冬季有效波高較大(見(jiàn)圖12),二者相關(guān)性也很好,比ERA5的有效波高偏高0.3 m。結(jié)果表明,浮標(biāo)的波周期和波高數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠,與ERA5的波周期和波高數(shù)據(jù)非常接近。

(第一行是風(fēng)向和波浪方向散點(diǎn)圖,第二行是波浪方向直方圖。First line: scatterplots of wind direction and wave direction, Second line: histograms of wave direction.)

圖10 2012年8月浮標(biāo)海流數(shù)據(jù)

(圖中參數(shù)的含義與圖2相同。The meaning of parameters in the figure are the same as Fig.2.)

(圖中參數(shù)的含義與圖2相同。The meaning of parameters in the figure are the same as Fig.2.)

2.5.2 波浪方向 波浪的方向如圖9所示。鑒于浮標(biāo)的波浪方向與風(fēng)向存在一定的相關(guān)性,圖13給出了浮標(biāo)風(fēng)向與波向的關(guān)系圖。從圖13和表3可見(jiàn),夏季(見(jiàn)圖13(a)、(b)、(c))兩者的相關(guān)性不如秋冬季(見(jiàn)圖13(d)),說(shuō)明冬季大風(fēng)期間波向與風(fēng)向趨于一致。但是,浮標(biāo)的波向與ERA5的波向差別非常大(略),這是因?yàn)楦?biāo)的風(fēng)向與ERA5的風(fēng)向有明顯差別,風(fēng)向出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)影響波向。

((a)、(b)中風(fēng)向?yàn)? m風(fēng)向,(c)、(d)中風(fēng)向?yàn)?0 m風(fēng)向,并進(jìn)行了12 h滑動(dòng)平均。圖中參數(shù)的含義與圖2相同。(a),(b) Wind direction from 9 m, (c),(d) Wind direction from 10 m and calculated by 12 h moving average. The meaning of parameters in the figure are the same as Fig.2.)

2.6 海表水溫?cái)?shù)據(jù)

將浮標(biāo)和ERA5海表水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比較(見(jiàn)圖14),結(jié)果表明,浮標(biāo)的海溫?cái)?shù)據(jù)與ERA5海溫?cái)?shù)據(jù)有很好的一致性,數(shù)據(jù)可靠,可以直接應(yīng)用。

3 浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)的主要特征

浮標(biāo)數(shù)據(jù)給出了北歐海海盆中部大氣和海洋重要的參數(shù),可以形成對(duì)該海域夏季至冬季海氣耦合過(guò)程的認(rèn)識(shí)。這里,根據(jù)上述數(shù)據(jù),以2014年6月22日—2015年1月29日(第三階段)的數(shù)據(jù)為例,對(duì)海氣過(guò)程的特征給出簡(jiǎn)單的介紹,對(duì)其規(guī)律和機(jī)制的認(rèn)識(shí)有待后續(xù)的深入研究。

3.1 氣象參數(shù)的季節(jié)變化特征

該海域的氣溫屬于大西洋亞極區(qū)氣溫,夏季在10 ℃附近變化,冬季氣溫在5 ℃附近變化,最低氣溫可以降至0 ℃以下(見(jiàn)圖15(a)),導(dǎo)致傳感器結(jié)冰。

從氣壓數(shù)據(jù)可以看出(見(jiàn)圖15(b)),該海域氣壓呈現(xiàn)夏高冬低的特點(diǎn)。夏季海平面氣壓相對(duì)較高,很少低于1 000 hPa;而秋季氣壓逐漸降低,體現(xiàn)冰島低壓在冬季對(duì)該海域的影響更加強(qiáng)烈。

風(fēng)速整體呈現(xiàn)夏季小冬季大的特征(見(jiàn)圖15(c))。6—7月,大風(fēng)過(guò)程風(fēng)速很少能達(dá)到10 m·s-1,8月份大風(fēng)過(guò)程風(fēng)速達(dá)到12～13 m·s-1,9—10月份大風(fēng)過(guò)程的最大風(fēng)速達(dá)到15～20 m·s-1,而11月—次年1月大風(fēng)過(guò)程的最大風(fēng)速會(huì)超過(guò)20 m·s-1。

北大西洋北部海域在秋冬季節(jié)不斷生成溫帶氣旋,進(jìn)入北歐海并不斷向北移動(dòng),成為浮標(biāo)所在海域秋冬季節(jié)大風(fēng)過(guò)程的主要原因。綜合浮標(biāo)氣壓和風(fēng)速數(shù)據(jù)可以看到,氣壓降低再回升的過(guò)程通常對(duì)應(yīng)風(fēng)速升高再降低的過(guò)程,這種配置通常對(duì)應(yīng)著氣旋過(guò)境。若以此為判據(jù)統(tǒng)計(jì)出2014年6月22日—2015年1月29日浮標(biāo)海域過(guò)境氣旋大約在20～30個(gè)之間。氣壓數(shù)據(jù)表明,夏季氣旋數(shù)量少且強(qiáng)度低,冬季氣旋數(shù)量多且強(qiáng)度大。

((a)、(b)、(c)中浮標(biāo)水溫是CTD的0 m層數(shù)據(jù)。圖中參數(shù)的含義與圖2相同。(a), (b), (c) buoy data is from CTD (0 m). The meaning of parameters in the figure are the same as Fig.2.)

((a) 10 m氣溫Ta,(b)海表面氣壓SLP,(c) 10 m風(fēng)速WS。(a) 10 m air temperature; (b) Sea surface pressure; (c) 10 m wind speed.)

3.2 海面熱通量季節(jié)變化特征

根據(jù)氣溫、水溫、相對(duì)濕度和風(fēng)數(shù)據(jù)可以計(jì)算海面熱通量[30]。從圖16可以看到,海面感熱和潛熱通量呈現(xiàn)夏季低、冬季高的特征,特別是感熱通量在夏季可能出現(xiàn)負(fù)值。夏季6—7月感熱通量普遍小于20 W·m-2,潛熱通量最大達(dá)到40～50 W·m-2。8—9月感熱和潛熱通量逐漸升高,最大值分別能達(dá)到70～80 W·m-2和140 W·m-2。10月及其之后感熱和潛熱最大值分別能超過(guò)100和200 W·m-2。熱通量的變化與風(fēng)速、海氣溫差密切相關(guān)。夏季整體風(fēng)速小、海氣溫差小,熱通量也小;冬季風(fēng)速變大、海氣溫差也變大,熱通量變大。感熱和潛熱通量變大的過(guò)程通常對(duì)應(yīng)著大風(fēng)降溫過(guò)程。

((a)感熱通量;(b)潛熱通量。時(shí)間分辨率為1 h。(a) Sensible heat flux; (b) Latent heat flux. Time resolution is 1 hour.)

將總熱通量(感熱和潛熱之和)大于+200 W·m-2的時(shí)間段稱為高熱通量事件[13],來(lái)自海洋的熱量大量進(jìn)入大氣,產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。結(jié)合前面的氣壓和氣旋特征可知,當(dāng)氣旋強(qiáng)度足以引起強(qiáng)烈的大風(fēng)降溫過(guò)程時(shí)就會(huì)引發(fā)高熱通量事件。從圖17可以看到,這段時(shí)間總共有14個(gè)高熱通量事件,持續(xù)時(shí)間在0.9～13.2 d之間。8月發(fā)生的高熱通量事件持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng),是由大風(fēng)降溫過(guò)程引起的,但因氣壓并沒(méi)有明顯降低,大風(fēng)過(guò)程并非氣旋過(guò)程所致。12月發(fā)生兩個(gè)持續(xù)時(shí)間超過(guò)12 d的高熱通量事件,伴隨有強(qiáng)烈的氣壓降低過(guò)程,與持續(xù)發(fā)生的過(guò)境氣旋密切相關(guān)。

(圖中藍(lán)色陰影表示高熱通量事件,時(shí)間分辨率為1 h。Blue bars indicate high heat flux events, Time resolution is 1 h.)

3.3 波浪季節(jié)變化特征

波高與波周期存在正相關(guān)關(guān)系,即波高越大,波周期也越大。從圖18(b)和(c)可見(jiàn),波高和波周期的季節(jié)特征是夏季小冬季大,夏季有效波高(波周期)普遍在2～4 m(5～8 s),秋季有效波高(波周期)普遍在3～5 m(7～10 s),冬季有效波高(波周期)普遍在5～10 m(8～12 s)。波浪數(shù)據(jù)提供了豐富的信息,為認(rèn)識(shí)該海域波浪過(guò)程創(chuàng)造了條件。

((a)散點(diǎn)圖, (b)有效波高,(c)有效波周期時(shí)間序列圖。時(shí)間分辨率為1 h。(a) Scatterplots; (b) Time series of significant wave height; (c) Time series of significant wave period from 22 June, 2014 to 25 February, 2015. Time resolution is 1 hour.)

4 結(jié)論

浮標(biāo)觀測(cè)的最大優(yōu)勢(shì)是可以準(zhǔn)實(shí)時(shí)提供高時(shí)間分辨率的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),可以為氣象與海洋預(yù)報(bào)、數(shù)據(jù)同化和氣候變化研究服務(wù)。中國(guó)于2012年在北歐海中的羅弗敦海盆布放了一套海氣耦合浮標(biāo),經(jīng)不斷維護(hù),斷斷續(xù)續(xù)地工作了3年時(shí)間。本文對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面評(píng)估與比較,得到以下結(jié)果。

(1)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果顯示,ERA5的氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)速、水溫、輻射(向上短波輻射除外)、熱通量和波浪數(shù)據(jù)與浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,表明了浮標(biāo)數(shù)據(jù)的可靠性。ERA5的方向數(shù)據(jù)在一段時(shí)間內(nèi)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)偏差較大,分析認(rèn)為浮標(biāo)的風(fēng)向是正確的,而ERA5的數(shù)據(jù)可能存在問(wèn)題。由此得出,除了數(shù)據(jù)明顯異常的時(shí)段之外,浮標(biāo)的數(shù)據(jù)質(zhì)量可信,可以直接用于研究使用。

(2)明顯異常的數(shù)據(jù)可以直接剔除。由于傳感器眾多,各類數(shù)據(jù)發(fā)生異常的時(shí)段差別很大,在研究中需要注意。有些數(shù)據(jù)表面上看并沒(méi)有明顯異常,但仍然可能存在數(shù)據(jù)漂移和誤差增大等情形。有時(shí)數(shù)據(jù)取值在正常范圍內(nèi),但會(huì)發(fā)生逆溫、逆濕等現(xiàn)象,還會(huì)存在對(duì)輻射、熱通量等的低估或高估。這些問(wèn)題無(wú)法預(yù)先排出,需要在使用時(shí)精心分析和判斷。

(3)浮標(biāo)數(shù)據(jù)可以很好的反映大氣和海洋的變化特征。本文以2014年6月—2015年1月的數(shù)據(jù)為例,給出了羅弗敦海盆從夏季到冬季眾多參數(shù)的變化特征。結(jié)果表明,夏季海表面氣壓高、風(fēng)速小、氣溫高、濕度大,感熱和潛熱都較小,感熱甚至出現(xiàn)負(fù)值;冬季氣壓逐漸降低,氣旋數(shù)目變多、強(qiáng)度變大,風(fēng)速增大,降溫過(guò)程更頻繁,降溫幅度和持續(xù)時(shí)間都更大,導(dǎo)致感熱和潛熱都變大,高熱通量事件出現(xiàn)的次數(shù)更多,持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。