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    Argo盐度资料延时质量控制的改进方法.pdf

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    Argo盐度资料延时质量控制的改进方法.pdf

    第 15 卷 第 6 期 解 放 军 理 工 大 学 学 报 自 然 科 学 版 V o l . 1 5 N o . 6 2 0 1 4 年 12 月 J o u r n a l o f P L A U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n D e c . 20 1 4 A r g o 盐 度 资 料 延 时 质 量 控 制 的 改 进 方 法 卢 少 磊 1 , 李 宏 2 , 刘 增 宏 1 1 . 国 家 海 洋 局 第 二 海 洋 研 究 所 , 浙 江 杭 州 3 1 0 0 1 2 ; 2 . 浙 江 省 水 利 河 口 研 究 院 , 浙 江 杭 州 3 1 0 0 2 0 摘 要 针 对 现 有 A r g o 盐 度 资 料 延 时 质 量 控 制 方 法 O W 方 法 在 时 空 尺 度 参 数 与 最 优 压 力 层 选 取 方 面 的 不 足 , 在 气 候 态 盐 度 剖 面 客 观 估 计 过 程 中 引 入 梯 度 依 赖 空 间 尺 度 法 , 以 及 在 最 优 压 力 层 的 选 取 中 提 出 一 个 利 用 气 候 态 盐 度 资 料 代 替 浮 标 原 始 盐 度 观 测 资 料 的 优 化 方 案 , 构 建 了 一 个 改 进 的 A r g o 盐 度 资 料 延 时 质 量 控 制 方 法 。 采 用 理 论 和 现 场 观 测 资 料 检 验 等 手 段 , 对 梯 度 依 赖 空 间 尺 度 法 在 资 料 客 观 估 计 中 的 可 行 性 , 以 及 优 化 方 案 对 选 取 最 优 压 力 层 的 合 理 性 做 了 验 证 。 结 果 表 明 , 梯 度 依 赖 空 间 尺 度 法 在 温 盐 梯 度 较 大 海 域 , 可 以 将 1 5 M P a 水 深 以 上 的 盐 度 估 计 精 度 提 高 0 . 0 1 以 上 , 而 利 用 气 候 态 盐 度 客 观 估 计 结 果 选 取 最 优 压 力 层 的 优 化 方 案 , 能 够 更 合 理 地 选 取 最 优 压 力 层 。 关 键 词 A r g o ; 盐 度 资 料 ; 梯 度 依 赖 空 间 尺 度 法 ; 延 时 质 量 控 制 中 图 分 类 号 P 71 5 . 2 , P 7 31 . 12 D O I 10 . 7 66 6 / j . i s s n . 1 0 09 - 3 443 . 2 01409 15 010 I m p r o v e m e n t o f A r g o s a l i n i t y d a t a d e l a y e d - m o d e q u a l i t y c o n t r o l m e t h o d L U S h ao l e i 1 , L I H o ng 2 , LI U Z e n gh o ng 1 1 . T h e S e c o n d I n s t i t u t e o f O c e a n o g r a p h y , S t a t e O c e a n i c A d m i n i s t r a t i o n , H a n g z h o u 3 1 0 0 1 2 , C h i n a ; 2 . Z h e j i a n g I n s t i t u t e o f H y d r a u l i c s a n d E s t u a r y , H a n g z h o u 3 1 0 0 2 0 , C h i n a A b s t r a c t T o s o l v e t h e d e f i c i e n c i e s o f t he s pa t i a l s c a l e a nd t he be s t pr e s s ur e l e v e l s i n t he e x i s t i n g A r g o s a l i ni t y de - l a y e d - m o d e qua l i t y c o n t r o l m e t h o d O W m e t h o d , a G r a di e n t - D e pe n de n t Spa t i a l S c a l e M e t ho d G D S SM w a s i n- t r o d u c e d i n o bj e c t i v e e s t i m a t i o n o f c l i m a t o l o g i c a l s a l i n i t y a t l o c a t i o ns o f t h e f l o a t pr o f i l e s , a n o pt i m i z a t i o n s c he m e p r o p o s e d i n w hi c h c l i m a t o l o g i c a l s a l i ni t y i s us e d i n s t e a d o f o b s e r v a t i o n s f r o m t he f l o a t , a nd a n i m p r o v e d A r g o s a l i ni - t y de l a y e d - m o de qu a l i t y c o n t r o l m e t h o d s e t up . U s i n g t he m e a ns o f t h e o r y t e s t i ng a n d f i e l d o bs e r v a t i o n da t a t e s t i n g , t he f e a s i b i l i t y o f t h e G D SS M a nd t he r a t i o na l i t y o f t he o p t i m i z a t i o n s c h e m e w e r e v e r i f i e d . T he r e s u l t s s ho w t h a t , i n t he s e a a r e a w h e r e t h e s e a - w a t e r t e m pe r a t ur e a n d s a l i n i t y i s l a r g e c ha n g e s , t h e G D S SM c a n i m pr o v e t he a c c ur a c y a - b o u t 0 . 01 i n a b o v e 1 50 ba r de pt h , a n d t h a t t he o p t i m i z a t i o n s c he m e c a n g e t m o r e r e a s o n a bl e r e s ul t o f t he be s t p r e s - s ur e l e v e l s . K e y w o r d s A r g o ; s a l i ni t y e r r o r s ; G D S S M ; de l a y e d - m o de qua l i t y c o nt r o l收 稿 日 期 2 0 1 4 - 0 9 - 1 5 基 金 项 目 国 家 科 技 基 础 性 工 作 专 项 资 助 项 目 2 0 1 2 F Y 1 1 2 3 0 0 作 者 简 介 卢 少 磊 , 研 究 实 习 员 , 主 要 研 究 物 理 海 洋 学 , l s l 3 2 4 0 0 4 1 6 3 . c o m2 0 0 0 年 , 国 际 A r g o 计 划 正 式 实 施 以 来 , 全 球 A r g o 实 时 海 洋 观 测 网 提 供 了 各 大 洋 0 2 0 0 0 m 水 深 内 的 温 、 盐 度 剖 面 资 料 , 受 到 了 海 洋 和 大 气 科 学 界 的 广 泛 关 注 和 青 睐 [ 1 4 ] 。 然 而 , 由 于 A r g o 剖 面 浮 标 携 带 的 电 子 传 感 器 受 海 水 腐 蚀 、 海 洋 生 物 附 着 等 环 境 因 素 的 影 响 , 导 致 浮 标 观 测 资 料 中 包 含 各 种 测 量 误 差 , 尤 其 是 盐 度 误 差 [ 5 1 0 ] 。 因 此 , 针 对 A r g o 盐 度 资 料 校 正 及 质 量 控 制 方 法 的 研 究 工 作 应 运 而 生 。 研 究 发 现 , 除 了 深 层 水 形 成 海 域 如 拉 布 拉 多 海 、 威 德 尔 海 等 以 外 , 盐 度 在 全 球 大 洋 深 层 变 化 非 常 缓 慢 [ 1 1 , 1 2 ] , 故 可 以 认 为 , A r g o 剖 面 浮 标 在有 限 的 观 测 期 三 四 年 内 , 深 层 海 水 的 盐 度 值 基 本 不 变 , 这 就 为 盐 度 资 料 质 量 控 制 提 供 了 较 为 可 行 的 办 法 。 2 0 0 3 年 , A . W o n g 等 [ 1 3 ] 利 用 客 观 估 计 方 法 和 历 史 观 测 资 料 , 开 发 了 一 种 检 测 与 校 正 A r g o 盐 度 观 测 误 差 的 延 时 质 量 控 制 方 法 简 称 W J O 方 法 。 由 于 该 方 法 的 广 泛 适 用 性 和 计 算 过 程 的 自 动 化 , 很 快 就 被 国 际 A r g o 资 料 管 理 组 确 定 为 盐 度 延 时 质 量 控 制 的 标 准 方 法 。 但 经 过 几 年 的 实 践 后 , 发 现 其 存 在 着 如 在 垂 向 层 化 较 弱 、 水 团 温 盐 性 质 时 空 变 化 较 大 海 域 中 校 正 效 果 较 差 以 及 不 必 要 的 插 值 误 差 等 缺 陷 。 于 是 , L . B o h m e 等 [ 1 4 ] 针 对 W J O 方 法 的 缺 陷 , 在 选 择 历 史 水 文 数 据 时 , 加 入 了 正 压 行 星 涡 度 因 素 的 影 响 , 同 时 还 提 出 了 “ 最 优 压 力 层 ” 的 概 念 , 研 发 了 一 种 改 进 型 的 A r g o 盐 度 资 料 延 时 质 量 控 制 方 法 简 称 B S 方 法 , 在 北 大 西 洋 亚 极 地 海 区 取 得 了 较 好 的 校 正 效 果 , 但 其 在 海 域 适 应 性 以 及 最 优 压 力 层 选 取 等 方 面 仍 存 在 缺 陷 。 2 0 0 8 年 , W . O w e n s 等 [ 1 5 ] 整 合 了 W J O 和 B S 2 种 方 法 的 优 点 , 并 对 最 优 压 力 层 的 选 取 方 法 进 行 了 改 进 , 形 成 了 目 前 在 各 A r g o 资 料 中 心 通 用 的 O W 方 法 。 由 于 早 期 历 史 观 测 资 料 数 量 有 限 , 使 选 取 参 考 资 料 时 使 用 的 空 间 尺 度 参 数 较 大 , 虽 然 可 以 得 到 足 够 多 的 参 考 资 料 , 但 同 时 也 不 可 避 免 地 混 杂 不 合 适 的 历 史 资 料 , 从 而 给 气 候 态 盐 度 剖 面 的 客 观 估 计 以 及 盐 度 校 正 结 果 带 来 不 确 定 性 。 另 外 , 由 于 浮 标 自 身 观 测 的 盐 度 剖 面 中 存 在 着 漂 移 误 差 , 导 致 用 其 选 取 的 最 优 压 力 层 结 果 存 在 偏 差 。 随 着 近 年 来 船 载 C T D 观 测 资 料 的 增 加 , 特 别 是 经 过 严 格 筛 选 的 A r g o 剖 面 资 料 的 加 入 [ 1 6 , 1 7 ] , 使 得 历 史 数 据 库 中 的 资 料 数 量 得 到 了 较 大 补 充 , 为 采 用 更 合 理 的 空 间 尺 度 参 数 创 造 了 有 利 条 件 。 本 文 通 过 引 入 梯 度 依 赖 空 间 尺 度 法 , 根 据 海 洋 要 素 水 平 梯 度 的 变 化 控 制 空 间 尺 度 参 数 大 小 , 利 用 客 观 估 计 气 候 态 盐 度 剖 面 代 替 A r g o 浮 标 盐 度 观 测 剖 面 , 并 采 用 理 论 和 现 场 观 测 资 料 检 验 等 手 段 , 对 梯 度 依 赖 空 间 尺 度 法 在 资 料 客 观 估 计 中 的 可 行 性 , 以 及 优 化 方 案 对 选 取 最 优 压 力 层 的 合 理 性 进 行 验 证 。 1 O W 方 法 海 水 的 位 温 θ 和 盐 度 S 之 间 的 关 系 代 表 了 某 一 海 区 的 水 团 性 质 [ 1 1 , 1 8 ] , 这 种 θ - S 关 系 受 海 水 季 节 以 及 年 际 变 化 的 影 响 , 同 时 强 涡 旋 、 海 洋 锋 也 对 其 有 显 著 影 响 。 然 而 在 全 球 大 部 分 海 域 中 , 深 层 海 水 存 在 着 稳 定 的 θ - S 关 系 。 因 此 , 可 以 利 用 这 种 稳 定 的 θ - S 关 系 , 以 及 A r g o 浮 标 高 精 度 的 温 度 、 压 力 观 测 值 , 检 测 与 校 正 其 盐 度 观 测 值 。 由 此 , 利 用 延 时 质 量 控 制 方 法 O W 方 法 对 A g r o 资 料 进 行 质 量 控 制 分 为 2 个 部 分 1 利 用 历 史 参 考 资 料 客 观 估 计 得 到 的 浮 标 剖 面 位 置 处 气 候 态 盐 度 剖 面 , 与 浮 标 盐 度 观 测 剖 面 进 行 对 比 , 若 深 层 盐 度 观 测 值 超 出 气 候 态 盐 度 变 化 范 围 , 则 判 定 该 浮 标 的 盐 度 资 料 存 在 漂 移 误 差 ; 2 作 出 判 定 之 后 , 利 用 该 气 候 态 盐 度 资 料 对 发 生 漂 移 的 盐 度 剖 面 进 行 延 时 校 正 。 1 . 1 气 候 态 盐 度 剖 面 的 客 观 估 计 在 海 洋 数 据 分 析 中 , 常 常 遇 到 利 用 已 有 观 测 资 料 估 计 物 理 场 中 任 意 位 置 处 的 数 值 。 为 解 决 这 类 问 题 , 文 献 [ 1 9 ] 使 用 了 一 种 客 观 估 计 方 法 。 该 方 法 得 到 的 估 计 值 是 线 性 、 无 偏 的 , 且 其 估 计 误 差 也 是 最 小 的 。 已 知 一 系 列 观 测 点 上 的 盐 度 值 S x i , y i , t i , i 1 , 2 , , 根 据 高 斯 马 可 夫 理 论 , 估 计 点 x 0 , y 0 , t 0 上 盐 度 值 的 线 性 、 无 偏 估 计 形 式 为 S x 0 , y 0 , t 0 ■ S x i , y i , t i W [ S x i , y i , t i - ■ S x i , y i , t i ] 。 1 式 中 ■ S x i , y i , t i 表 示 参 考 资 料 的 均 值 ; W 为 系 数 矩 阵 , W C g C d - 1 。 2 式 中 C g 表 示 观 测 点 与 估 计 点 之 间 的 协 方 差 矩 阵 ; C d 表 示 观 测 点 与 观 测 点 之 间 的 协 方 差 矩 阵 。 该 系 数 矩 阵 决 定 着 观 测 值 订 正 到 估 计 点 的 程 度 , 以 及 观 测 信 息 的 传 播 方 式 。 然 而 对 于 观 测 点 的 选 取 , 主 要 取 决 于 观 测 点 与 估 计 点 的 空 间 距 离 与 时 间 间 隔 , 且 空 间 距 离 越 近 、 时 间 间 隔 越 小 的 观 测 点 , 其 盐 度 值 与 估 计 点 的 盐 度 值 之 间 相 关 性 越 大 。 另 外 , 考 虑 到 大 洋 环 境 的 特 殊 性 , 即 大 洋 温 盐 度 要 素 的 纬 向 变 化 远 小 于 经 向 变 化 , 因 此 采 用 高 斯 指 数 函 数 形 式 估 计 系 数 矩 阵 [ 2 0 2 2 ] , 其 形 式 为 μ e x p - x i - x 0 2 L x 2 y i - y 0 2 L y 2 t i - t 0 2 τ 2 { } 。 3 式 中 L x 和 L y 分 别 表 示 经 向 、 纬 向 尺 度 参 数 , 即 选 取 观 测 点 的 有 效 半 径 ; τ 表 示 时 间 尺 度 参 数 , 即 选 取 参 9 9 5 第 6 期 卢 少 磊 , 等 A r g o 盐 度 资 料 延 时 质 量 控 制 的 改 进 方 法考 资 料 的 时 间 范 围 。 基 于 文 献 [ 2 3 ] 中 提 出 的 海 洋 标 量 场 受 2 种 尺 度 大 尺 度 和 小 尺 度 变 化 过 程 影 响 的 假 设 , 将 气 候 态 盐 度 剖 面 的 估 算 过 程 分 为 2 个 步 骤 1 利 用 大 尺 度 空 间 参 数 L x 1 和 L y 1 , 以 及 参 考 资 料 估 计 , 得 到 由 海 洋 大 尺 度 过 程 决 定 的 盐 度 值 S 1 x 0 , y 0 , t 0 ; 2 利 用 小 尺 度 空 间 参 数 L x 2 , L y 2 和 时 间 尺 度 参 数 τ , 以 及 参 考 资 料 的 残 差 信 息 估 计 , 得 到 由 小 尺 度 海 洋 过 程 引 起 的 盐 度 变 化 S 2 x 0 , y 0 , t 0 。 最 后 , 再 将 两 部 分 盐 度 值 相 加 就 可 得 到 气 候 态 盐 度 客 观 估 计 值 , 且 其 估 计 误 差 为 σ m S 1 n ∑ n i 1 R 2 x i , y i , t i - C T g C - 1 d C g 。 4 至 此 , 根 据 式 1 4 就 能 得 到 浮 标 剖 面 位 置 处 的 气 候 态 盐 度 及 其 对 应 的 估 计 误 差 。 之 后 就 可 以 将 气 候 态 盐 度 资 料 与 浮 标 盐 度 观 测 资 料 对 比 , 并 判 断 浮 标 盐 度 资 料 是 否 存 在 漂 移 误 差 。 若 浮 标 盐 度 观 测 资 料 超 出 气 候 态 盐 度 变 化 范 围 , 则 判 定 浮 标 电 导 率 传 感 器 发 生 漂 移 , 须 对 浮 标 盐 度 资 料 进 行 延 时 校 正 ; 反 之 , 则 认 为 浮 标 电 导 率 传 感 器 工 作 正 常 , 浮 标 盐 度 资 料 无 漂 移 误 差 [ 2 4 ] 。 1 . 2 盐 度 延 时 校 正 浮 标 盐 度 资 料 的 延 时 校 正 是 利 用 加 权 最 小 二 乘 法 对 浮 标 剖 面 位 置 处 的 气 候 态 位 势 电 导 率 值 由 气 候 态 盐 度 值 换 算 得 到 进 行 线 性 拟 合 , 最 后 再 转 换 为 盐 度 得 到 的 。 浮 标 电 导 率 传 感 器 的 漂 移 主 要 是 由 海 水 腐 蚀 或 海 洋 生 物 附 着 而 造 成 的 电 子 元 器 件 有 效 容 积 变 化 引 起 的 [ 2 5 , 2 6 ] , 而 这 种 有 效 容 积 的 变 化 符 合 线 性 模 型 , 使 电 导 率 观 测 值 与 真 实 值 之 间 存 在 一 个 比 率 。 同 时 假 设 同 一 条 剖 面 上 的 传 感 器 有 效 容 积 不 发 生 变 化 , 即 该 比 率 在 同 一 条 剖 面 上 为 常 数 , 由 此 可 得 某 浮 标 第 i 条 剖 面 位 势 电 导 率 校 正 公 式 为 α i C i , k ε i , k C ′ i , k 。 式 中 C i , k 表 示 某 浮 标 第 i 条 剖 面 的 k 压 力 层 上 的 观 测 位 势 电 导 率 ; α i 表 示 该 剖 面 上 的 校 正 系 数 , 反 映 了 由 电 导 率 传 感 器 有 效 容 积 的 变 化 引 起 的 观 测 位 势 电 导 率 的 相 对 变 化 ; C ′ i , k 表 示 浮 标 第 i 条 剖 面 k 压 力 层 上 的 位 势 电 导 率 校 正 值 ; ε i , k 表 示 该 校 正 模 型 在 第 i 条 剖 面 k 压 力 层 上 的 误 差 。 然 而 , 由 于 蒸 发 、 降 水 、 水 平 平 流 和 垂 直 混 合 等 因 素 的 影 响 , 海 洋 上 混 合 层 盐 度 值 具 有 较 大 的 季 节 变 化 与 年 际 变 化 [ 2 7 , 2 8 ] ; 另 一 方 面 , 由 于 不 同 压 力 层 的 水 团 温 盐 度 时 空 变 化 不 同 , 因 此 气 候 态 盐 度 值 在 不 同 压 力 层 上 具 有 不 同 的 估 计 误 差 , 而 较 大 的 估 计 误 差 势 必 带 来 较 大 的 校 正 误 差 。 于 是 , 为 了 消 除 上 层 海 洋 盐 度 时 空 变 化 对 A r g o 盐 度 资 料 延 时 校 正 的 影 响 , 同 时 尽 量 减 小 盐 度 资 料 的 校 正 误 差 , 根 据 浮 标 的 温 盐 度 观 测 剖 面 , 在 浮 标 所 有 压 力 观 测 层 中 选 取 10 个 θ - S 关 系 最 为 稳 定 的 压 力 层 P k k 1 , 2 , , 10 , 作 为 位 势 电 导 率 校 正 依 据 , 并 称 1 0 个 压 力 层 P k 为 “ 最 优 压 力 层 ” [ 1 5 ] 。 于 是 , 通 过 10 个 最 优 压 力 层 上 的 标 准 加 权 误 差 乘 方 的 最 小 化 即 可 计 算 校 正 系 数 α i ε 2 k ∑ 1 0 i 1 ω i , k C o b j i , k - α k C i , k 2 。 式 中 C o b j i , k 表 示 第 i 条 剖 面 P k 压 力 层 上 的 客 观 估 计 位 势 电 导 率 值 ; ω i , k 为 P k 压 力 层 上 的 权 重 系 数 , 与 该 压 力 层 气 候 态 位 势 电 导 率 的 客 观 估 计 误 差 的 倒 数 有 关 , 即 ω i , k 1 / σ 2 m C o b j i , k 。 式 中 , σ m C o b j i , k 由 式 4 的 气 候 态 盐 度 值 的 客 观 估 计 误 差 换 算 得 到 。 最 后 , 利 用 最 小 二 乘 法 将 该 浮 标 所 有 剖 面 的 校 正 系 数 α i 进 行 分 段 线 性 拟 合 得 到 最 终 的 位 势 电 导 率 校 正 系 数 , 并 将 其 换 算 为 最 终 的 盐 度 校 正 值 [ 1 3 1 5 ] 。 2 O W 方 法 的 改 进 根 据 对 O W 方 法 两 部 分 的 介 绍 不 难 看 出 1 参 考 资 料 的 选 择 以 及 参 考 资 料 与 浮 标 剖 面 资 料 的 相 关 性 即 2 个 协 方 差 矩 阵 都 与 时 空 尺 度 参 数 的 设 定 有 关 , 因 此 气 候 态 盐 度 值 的 客 观 估 计 精 度 在 一 定 程 度 上 取 决 于 时 空 尺 度 参 数 的 大 小 合 适 与 否 ; 2 10 个 最 优 压 力 层 的 正 确 选 取 , 关 系 着 盐 度 延 时 校 正 的 结 果 。 然 而 , 由 于 早 期 参 考 数 据 库 中 高 质 量 船 载 C T D 仪 观 测 资 料 数 量 较 少 , 尤 其 是 在 大 洋 中 央 海 域 少 有 船 载 C T D 仪 观 测 资 料 , 在 选 取 参 考 资 料 时 设 置 的 时 空 尺 度 参 数 都 较 大 通 常 纬 向 和 经 向 参 数 分 别 取 为 2 4 和 1 2 , 时 间 尺 度 τ 为 1 0 a [ 2 9 , 3 0 ] , 从 而 使 得 在 一 些 温 盐 水 平 梯 度 较 大 的 海 域 中 如 大 西 洋 亚 北 极 环 流 海 域 、 南 大 洋 海 域 、 西 边 界 流 和 冷 暖 海 流 交 汇 海 域 等 , 由 于 大 时 空 尺 度 参 数 会 使 选 取 的 参 考 资 料 中 混 杂 进 与 浮 标 剖 面 处 温 盐 性 质 相 关 性 较 差 的 历 史 观 测 资 料 , 从 而 降 低 了 气 候 态 0 0 6 解 放 军 理 工 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 1 5 卷 盐 度 剖 面 的 客 观 估 计 精 度 ; 另 一 方 面 , 当 浮 标 电 导 率 传 感 器 发 生 漂 移 时 , 由 于 浮 标 盐 度 资 料 存 在 漂 移 误 差 , 使 得 最 优 压 力 层 的 选 取 结 果 与 真 实 海 洋 情 况 之 间 存 在 偏 差 。 以 上 提 到 的 2 个 问 题 都 影 响 着 盐 度 延 时 质 量 控 制 的 最 终 结 果 。 为 改 进 这 2 个 缺 陷 , 分 别 在 盐 度 剖 面 的 客 观 估 计 中 引 入 了 梯 度 依 赖 空 间 尺 度 法 , 在 最 优 压 力 层 的 选 取 中 提 出 了 一 个 利 用 气 候 态 盐 度 资 料 代 替 浮 标 自 身 盐 度 观 测 资 料 的 优 化 方 案 。 2 . 1 梯 度 依 赖 空 间 尺 度 法 张 春 玲 等 [ 3 1 , 3 2 ] 在 对 A r g o 温 盐 资 料 进 行 再 分 析 及 三 维 网 格 数 据 重 构 时 , 基 于 温 盐 度 的 二 维 扩 散 方 程 , 推 导 了 各 向 异 性 条 件 下 空 间 相 关 尺 度 参 数 与 温 、 盐 度 梯 度 分 布 的 关 系 , 进 而 提 出 了 基 于 海 洋 中 温 盐 度 梯 度 分 布 的 空 间 相 关 尺 度 方 案 , 即 梯 度 依 赖 相 关 尺 度 法 。 本 文 对 该 方 法 作 适 当 调 整 后 , 得 到 了 能 够 满 足 气 候 态 盐 度 剖 面 客 观 估 计 具 体 过 程 的 “ 梯 度 依 赖 空 间 尺 度 法 ” g r a di e n t - de pe nde n t s pa t i a l s c a l e m e t ho d , G D S SM , 其 相 应 的 空 间 尺 度 计 算 公 式 为 L x L ′ x W x ; W x 1 1 2 ∂ T D ∂ x / ∂ T D ∂ x ∂ S D ∂ x / ∂ S D ∂ x ; L y L ′ y W y ; W y 1 1 2 ∂ T D ∂ y / ∂ T D ∂ y ∂ S D ∂ y / ∂ S D ∂ y 。 5 式 中 D 表 示 整 个 剖 面 上 的 某 个 代 表 性 深 度 层 , 它 由 具 体 的 温 盐 分 布 情 况 决 定 ; ∂ T D ∂ x 和 ∂ T D ∂ y 表 示 温 度 在 代 表 性 深 度 层 中 的 水 平 梯 度 ; ∂ S D ∂ x 和 ∂ S D ∂ y 表 示 盐 度 在 该 深 度 层 中 的 水 平 梯 度 。 另 外 , 为 了 防 止 参 考 资 料 的 选 取 数 量 偏 少 以 致 客 观 估 计 误 差 增 大 , 需 要 根 据 浮 标 漂 移 海 域 的 历 史 参 考 资 料 密 度 确 定 相 关 梯 度 值 W x 和 W y 的 上 界 。 L ′ x 和 L ′ y 为 空 间 尺 度 常 数 , 为 保 持 改 进 后 的 空 间 尺 度 参 数 与 原 尺 度 参 数 的 连 续 性 , 仍 将 其 设 定 为 24 和 12 。 另 外 , 目 前 设 定 的 时 间 尺 度 参 数 为 10 a , 这 一 设 置 基 本 能 够 适 用 于 海 水 温 盐 性 质 年 际 变 化 较 小 的 大 洋 中 央 海 域 [ 2 9 , 3 0 ] , 但 是 在 海 水 盐 度 年 际 变 化 较 大 海 域 , 仍 会 给 气 候 态 盐 度 客 观 估 计 结 果 带 来 一 定 的 误 差 。 为 此 , 将 其 调 整 为 3 a 。 2 . 2 最 优 压 力 层 选 取 方 案 的 优 化 O W 方 法 利 用 浮 标 原 始 观 测 温 盐 剖 面 资 料 选 取 最 优 压 力 层 , 然 而 当 浮 标 电 导 率 传 感 器 发 生 漂 移 时 , 由 于 浮 标 盐 度 资 料 存 在 漂 移 误 差 , 导 致 O W 方 法 选 取 的 最 优 压 力 层 与 浮 标 漂 移 海 域 的 真 实 情 况 之 间 存 在 偏 差 [ 3 3 ] , 从 而 使 最 终 的 盐 度 延 时 校 正 效 果 较 差 。 因 此 , 需 要 寻 找 一 种 不 受 电 导 率 传 感 器 漂 移 影 响 , 且 与 浮 标 漂 移 海 域 温 、 盐 度 垂 直 分 布 基 本 相 符 , 又 相 对 可 靠 的 资 料 来 替 代 浮 标 自 身 盐 度 观 测 资 料 , 选 取 1 0 个 最 优 压 力 层 。 利 用 客 观 估 计 方 法 和 浮 标 周 围 的 参 考 资 料 可 以 估 计 浮 标 剖 面 位 置 处 的 气 候 态 盐 度 剖 面 , 能 够 得 到 较 好 的 估 计 结 果 , 且 其 估 计 值 与 浮 标 电 导 率 传 感 器 是 否 发 生 漂 移 无 关 ; 另 外 , 气 候 态 盐 度 剖 面 的 压 力 层 均 与 浮 标 的 观 测 压 力 层 相 同 , 无 需 经 过 插 值 过 程 , 即 在 计 算 过 程 中 不 会 产 生 额 外 的 误 差 。 因 此 , 利 用 浮 标 剖 面 位 置 处 的 气 候 态 盐 度 客 观 估 计 结 果 , 替 代 已 发 生 漂 移 的 浮 标 盐 度 观 测 资 料 , 不 失 为 是 一 种 可 行 实 用 的 办 法 。 3 改 进 方 法 的 验 证 3 . 1 G D S S P 方 法 的 验 证 1 数 字 信 号 检 验 高 斯 信 号 是 电 磁 学 和 信 息 处 理 技 术 中 最 为 常 见 的 信 号 源 , 因 为 高 斯 信 号 作 为 时 域 的 信 号 , 其 转 化 为 频 域 形 式 的 信 号 后 仍 为 高 斯 形 状 [ 3 4 ] 。 分 别 利 用 原 客 观 估 计 方 法 和 基 于 G D S SM 的 客 观 估 计 方 法 对 高 斯 信 号 进 行 客 观 估 计 , 其 估 计 结 果 如 图 1 所 示 图 中 振 幅 与 功 率 均 已 进 行 了 归 一 化 , 均 为 无 量 纲 变 量 。 从 图 1 a 中 可 以 看 出 , 原 方 法 的 估 计 结 果 与 原 高 斯 信 号 相 比 , 信 号 峰 值 振 幅 减 弱 了 0. 05 左 右 , 而 在 信 号 强 度 变 化 较 大 的 区 域 8 12 s , 估 计 结 果 也 偏 大 0. 03 左 右 , 在 7 , 13 s 处 也 有 大 约 - 0. 0 2 的 误 差 出 现 ; 从 基 于 G D SSM 的 改 进 方 法 得 到 的 估 计 结 果 来 看 , 信 号 峰 值 与 原 高 斯 信 号 无 明 显 差 异 , 并 且 在 信 号 强 度 变 化 较 大 的 区 域 8 12 s 内 , 估 计 结 果 也 几 乎 与 原 信 号 一 致 , 较 原 方 法 的 结 果 有 较 大 改 进 ; 由 于 7 , 13 s 处 的 信 号 强 度 变 化 很 小 , 估 计 结 果 在 这 些 地 方 同 样 存 在 误 差 , 但 与 原 方 法 相 比 也 有 所 减 小 。 图 1 b 给 出 了 原 高 斯 信 号 与 2 种 方 法 模 拟 信 1 0 6 第 6 期 卢 少 磊 , 等 A r g o 盐 度 资 料 延 时 质 量 控 制 的 改 进 方 法号 的 频 谱 分 析 。 很 显 然 , 利 用 原 方 法 进 行 客 观 估 计 时 , 0 0 . 2 H z 内 的 低 频 信 号 得 到 了 很 好 的 模 拟 , 但 是 在 0 . 2 0 . 5 H z 内 的 信 号 与 原 高 斯 信 号 相 比 , 功 率 迅 速 降 低 。 这 是 因 为 原 方 法 所 使 用 的 固 定 尺 度 参 数 不 利 于 对 高 频 信 号 的 提 取 , 从 而 使 得 频 率 在 0 . 2 0 . 5 H z 内 的 信 号 能 量 损 耗 较 大 ; 而 采 用 G D S S M 进 行 客 观 估 计 时 , 使 用 的 是 变 尺 度 参 数 , 在 保 证 低 频 信 号 模 拟 效 果 的 同 时 , 也 能 够 更 多 的 提 取 高 频 信 号 的 能 力 。 图 1 2 种 方 法 对 高 斯 信 号 的 模 拟 结 果 F i g . 1 T h e s i m u l a t e d r e s u l t s f o r G a u s s i a n s i g n a l a b o u t t h e t w o m e t h o d s 综 上 所 述 , 式 5 给 出 的 G D SS P 完 全 适 用 于 对 高 斯 信 号 的

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