采用温盐镜像层评估海洋数值模式模拟能力的方法与流程

本发明属于海洋学技术领域，涉及采用温盐镜像层评估海洋数值模式模拟能力的方法。

背景技术：

温度和盐度是海水的两个重要物理性质，但它们基本是相互独立的：温度的变化对盐度影响甚微，反之亦然。

中国海洋大学陈戈等(chen,g.,d.geng.a“mirrorlayer”oftemperatureandsalinityintheocean.climatedynamics,2018，inpress)逐层计算argo格点海洋产品温度、盐度空间平均的时间序列的相关性，发现海面下200-300m之间的水层，海水的温度和盐度的相关性达到最大值，进而发现两者的空间分布形态也非常相似。陈戈等将海水温、盐空间平均的时间序列相关性最高的水层称为温盐镜像层。

既然温盐镜像层的特点是温度、盐度空间分布形态相似，我们可以采用空间相关性直接度量温、盐空间分布的相似性。我们采用多套海洋现场观测和再分析温盐场数据产品，直接计算各水层的温度、盐度空间相关系数。在所有的数据产品中，温度和盐度的空间相关性都在150m层左右(对不同的数据集，这个深度略有差别)达到极大值，即温度和盐度的空间分布在此深度是最相似的。相比陈戈等导出的镜像层，此处通过空间相关性确定的温盐镜像层，其空间相似度显然更高，符合“温盐镜像层”的基本特征。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供采用温盐镜像层评估海洋数值模式模拟能力的方法。本发明的有益效果是：通过温度和盐度的空间相关性直接导出的温盐镜像层，具有更高的空间相似性。本发明方法简单，评估结果准确。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤1：逐层计算海洋温度、盐度的空间相关系数

温度场t和盐度场s的空间相关系数r通过如下公式计算得到：

其中下标m,n表示二维空间位置，和分别为t和s的空间平均值；

在模式或数据产品的每个水层计算温度和盐度的空间相关系数，得到一个空间相关系数的序列。

步骤2：找出温度、盐度空间相关系数最大的水层；

在各水层温、盐空间相关系数的序列中，寻找极大值点。

步骤3：比较数值模式和客观分析场的温盐镜像层深度，以及镜像层上温、盐空间分布的相关系数；计算待评估的数值模式结果的温盐镜像层深度，以及温盐镜像层上的温、盐空间相关系数，与参考数据集上的对应结果进行比较，以其相对误差作为模式模拟水平的一个度量。

进一步，步骤1中水层为z坐标分层，sigma层要先转换成z坐标分层。

进一步，步骤2中温盐镜像层位于海洋上500m温、盐空间相关系数极大值所在水层。

进一步，步骤3中将多个模式结果与参考数据集比较，以评估模式模拟水平的优劣或者采用传统比较方式，在温盐镜像层上分别比较温度、盐度、流速变量的模拟误差。

附图说明

图1是woa、en4、ishii、argo等四个数据集导出的温盐镜像层深度；

图2是woa、en4、ishii、argo等四个数据集根据温盐空间相关系数导出的温盐镜像层上，温度和盐度的空间分布；

图3是woa气候态季节温盐场数据中温盐空间相关系数随深度的分布。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明步骤如下：

步骤1：逐层计算海洋温度、盐度的空间相关系数

温度场t和盐度场s的空间相关系数r通过如下公式计算得到：

其中下标m,n表示二维空间位置，和分别为t和s的空间平均值。

温度和盐度数据仅限于海洋中，因而在计算空间相关系数之前，先以温度和盐度各自的平均值分别填充陆地点和缺测点。根据公式(1)，这些点不会影响到相关系数。

在模式或数据产品的每个水层(z坐标分层。如果是sigma层，要先转换成z坐标分层)计算温度和盐度的空间相关系数，得到一个空间相关系数(关于水深)的序列。

步骤2：找出温度、盐度空间相关系数最大的水层

在温盐空间相关系数的序列中，寻找极大值点。温盐镜像层位于海洋上500m温盐空间相关系数极大值所在水层。在2000m以深的水层，空间相关系数也可能达到极大值，甚至最大值。此水层不可作为温盐镜像层。原因是：(1)2000m以深海洋中的观测值稀少，经差值后的温盐空间场误差较大；(2)2000m以深海洋中温、盐结构相对稳定，空间变化小，空间分布中包含的有意义信息较少。

步骤3：比较数值模式和客观分析场的温盐镜像层深度，以及镜像层上温、盐空间分布的相关系数

计算待评估的数值模式结果的温盐镜像层深度，以及温盐镜像层上的温、盐空间相关系数，与参考数据集(通常为客观分析场)上的对应结果进行比较，以其相对误差作为模式模拟水平的一个度量。可以将多个模式结果与参考数据集比较，以评估模式模拟水平的优劣。

也可以采用传统比较方式，在温盐镜像层上分别比较温度、盐度、流速等变量的模拟误差。

如图1所示，以woa、en4、ishii、argo等四个数据集为例。

首先在每个数据集中逐层计算温盐空间相关系数，求出各自的温盐镜像层。相比根据温盐空间平均时间序列的相关性导出的温盐镜像层，本发明方法给出的镜像层更加稳定。通过空间相关系数直接计算得到的镜像层深度在四个数据集中比较稳定，在100m-200m之间；而通过空间平均的时间序列的相关性导出的镜像层，在不同数据集中有很大的差异。此外，后者导出的镜像层，其温、盐空间结构也不是最相似的。

其次，给出温度和盐度在温盐镜像层上的空间分布。每一对温、盐空间分布都是相似的(见图2)。左列为四个数据集的温度在镜像层上的空间分布，右列为各自对应的盐度分布。

图3是woa气候态季节温、盐场数据中，温盐空间相关系数随深度的分布。空间相关系数在150m层达到极大值0.6，表示该水层的温度、盐度空间分布相似。温、盐空间相关系数在2000m以深也可以达到极大值，甚至最大值，此处不作为温盐镜像层。

本发明的优点还在于：

(1)采用温度、盐度的空间相关性作为依据来确定温盐镜像层，可以得到温、盐空间分布相似度更高的水层，更加符合镜像层的基本特征；

(2)本方法可以用来检验海洋数值模式的模拟效果。传统方法评估海洋数值模式能力时，常以海洋表层作为参考面。由于海洋模式在同化过程中融合了更多海表面观测数据(如卫星遥感数据)，以表层的海洋要素偏差作为模式模拟水平的度量，还是有一定的争议的。温盐镜像层为模式模拟效果的评估提供了另外一个参考面，并且该参考面受到同化因素的影响更小；

(3)温盐镜像层上既可采用同海洋表面相同的比较单一变量的方式(如单独比较温度、盐度等)，也可以比较温度、盐度的综合模拟效果(如温、盐空间相关性，温盐镜像层的深度等)。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。