AVISO卫星高度计新版产品改进对南海海洋学研究的影响

李佳讯，陈奕德，陈符森1，

（1.解放军92859部队，天津300061；2.国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江杭州310012；3.解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京211101）



AVISO卫星高度计新版产品改进对南海海洋学研究的影响

李佳讯1，2，陈奕德3，陈符森1，3

（1.解放军92859部队，天津300061；2.国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江杭州310012；3.解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京211101）

摘要：以南海为例，从海面高度异常的气候态、海面高度异常的年际变化和地转流算法等3个方面，探讨了AVISO新版高度计资料的几点重要改进对南海海洋动力学研究的影响。研究表明：新版资料对于南海重要海洋现象和海面高度异常的年际变化的刻画效果要优于旧版资料。分析结果对于构建南海海平面变化的预测模型和分析南海中尺度涡的时空变化规律都具有一定的参考价值。

关键词：卫星高度计；海平面变化；中尺度涡；南海

1　引言

卫星高度计是测量地球表面相对高度的一种重要仪器。它是一种星载主动式微波测量仪，具有全天候、大面积观测、精度高、时间准同步、信息量大等优点［1］。卫星高度计在物理海洋学的应用十分广泛，从海洋潮波系统到全球尺度的大洋环流反演，从中尺度的海洋现象观测到全球气候变化研究，它都起到举足轻重的作用［2］。从1975年美国发射的第一个高度计卫星GEOS-3开始，美国NASA、欧空局和法国空间局等多家单位陆续发射了多颗高 度 计 卫 星 ，如 Seasat-A，ERS-1，TOPEX/ POSEIDON，Jason-1、Envisat-1等。目前人们可以同时利用多达4颗高度计卫星对全球海洋进行监测，大大提高了观测的时空分辨率。

海表高度异常（Sea Level Anomaly，SLA）资料是卫星高度计观测的主要产品，它是研究大洋环流、中尺度涡旋和海气相互作用以及海洋数值业务预报等必备可少的资料。由法国国家空间研究中心卫星海洋学存档数据中心（AVISO）通过其官方网站（ftp.aviso.oceanobs.com）对外发布的海表高度异常资料是目前使用最广泛的资料，该资料主要用TOPEX/POSEIDON，Jason-1和ERS/Envisat等多颗高度计卫星资料融合而成。AVISO卫星高度计产品可以分为两类：准实时资料和延时资料。准实时资料可以为业务应用提供准实时的高度计资料，而延时资料则可以为海洋学研究提供质量更高的延时高度计产品。两类AVISO高度计产品的制作过程大体都包含：资料获取、资料预处理、质量控制、交叉校正、生成沿轨资料、生成融合的网格资料、输出检测等7个步骤。而差异主要体现在由于没有“将来”数据，准实时产品的制作无法像延时产品那样通过中间计算时间窗口来计算。

2014年4月5日，AVISO发布了该资料的新版本DUACS 2014，这次产品改版是高度计资料史上的一次重要变革，主要体现在一系列资料制作方式的显著改变，而这些变化对沿轨和网格化的实时或延时资料都有重要的影响［3］。高度计资料的变革也对我们传统认知提出了挑战。比如Chelton在1996年使用TOPEX/POSEIDON两颗高度计卫星的低分辨率资料认为全球大洋海表高度的变化主要与西传的Rossby波有关［4］，而之后通过多颗卫星高度计观测资料融合得到的高分辨率产品则显示大洋海表高度的变化实际上是与中尺度涡有很大关系［5］。因此，本文以南海为例，探讨这次高度计资料的变革对于南海海洋动力过程研究的影响，同时也利用新版卫星高度计资料对南海几个重要的海洋动力过程进行再认识。

2　AVISO新版卫星高度计产品的重要变化

此次，AVISO新版高度计资料DUACS 2014相对于旧版资料的显著变化主要有如下几个方面［3］，详见表1。

3　结果

本节我们选择南海为比对区域，通过与旧版本比对分析，初步探索DUACS 2014新版高度计数据对南海海洋动力学研究的可能影响。

3.1南海海面高度异常气候态

南海位于东亚季风区，是显著的季风性气候海区。冬季盛行东北季风，夏季盛行西南季风，其变率非常大。根据季风盛行规律，一般10月—次年3月盛行东北季风，而6月—8月盛行西南季风，4月—5月春季季风转换时节，9月为秋季季风转换时节。季风是南海海盆尺度环流最主要的驱动力之一。根据季风盛行的强盛时节，又结合南海海面高度异常滞后季风驱动约40 d的特点［6］，本文在取冬季和夏季南海海面高度异常的气候平均时分别为从12月—1月和从7月—9月。

表1旧版和新版高度计资料的差异

图1是南海海面高度异常冬季气候态特征，无论是新版资料（图1a）还是旧版资料（图1b）显示的特征都是基本一致的：整个南海海盆为海面高度异常的低值区，对应于冬季东北季风引起的海盆尺度的气旋式环流。南海冬季有两个显著地海洋动力现象：一个是位于从广东沿岸至越南沿岸的南海西边界流和位于吕宋西北的吕宋气旋冷涡［7］。根据海面高度异常反演出地转流可以大致推算出南海西边界流的情况。图1c是新版数据与旧版数据的差值，可以看到在南海整个海盆的北部和越南外海差值为负，而海盆中间差值为正，这说明新版数据显示的压强梯度要比旧版数据的小，这样就导致了新版数据推算出的西边界流的流速要比旧版数据的小。同样，我们还发现新版数据显示的吕宋气旋涡的强度和范围都要比旧版小。

图2是南海海面高度异常夏季气候态特征，新版资料（图2a）和旧版资料（图2b）都显示出南海夏季越南外海的偶极子环流特征和吕宋反气旋暖涡的特征。图2c显示两版资料显示偶极子的强度是不一致的，新版资料中的偶极子中的气旋涡强度要比旧版资料的强，大约强-1 cm，而吕宋暖涡的强度和范围则是新版要比旧版小。图3给出了2010年夏天的个例，研究证实由于2009/2010厄尔尼诺引起南海夏季风异常从而在西沙附近产生了一个极端异常的反气旋暖涡［8］，其范围高达400 km，反气旋中心的海面高度异常高达36 cm。可以看到，新版和旧版资料显示的西沙异常反气旋涡的强度基本相同，只是新版资料的涡旋中心位置相对旧版资料稍微偏北。另外，新版资料显示的西沙异常反气旋涡界限更清晰，而旧版资料则与位于吕宋西北的吕宋气旋暖涡连成一片。

图1冬季气候态南海海面高度异常（单位：cm）

图2　夏季气候态（略去1995、1998和2010年等强暖事件年）南海海面高度异常（单位：cm）。

图3 2010年夏季南海海面高度异常（单位：cm）

3.2南海海面高度异常的年际变化

南海海面高度异常面积平均值的年变化如图4，新版资料计算出的年变化时间序列曲线和旧版资料的年变化时间序列曲线相关较好，相关系数高达0.98。但是，单个年份两版资料的平均海面高度异常还是有差别的，特别是在2002年以后，两者之差特别明显，新版资料的平均海面高度异常明显高于旧版资料的平均海面高度异常，最大差值可到1.76 cm。两版资料的平均海面高度异常都有增高的趋势，但增长率不同，新版资料显示南海平均海面高度异常的增长率约为0.45 cm/a，而旧版资料显示约为0.51 cm/a。需要说明的是，由于采用高度计数据时间段不同，我们计算南海平均海面高度异常的增长率与Fang等［9］利用1993—2003年高度计数据计算出的0.67 cm/a的结果略有差别的，但高度计时间段的选取并不影响上述结论。从南海整个海盆尺度来讲，相对于新版资料，旧版资料高估了南海海面高度异常的增长速率，这主要是由于平均海平面计算的参考时段选取不同所致。相对旧版资料，新版高度计资料平均海平面的参考时段变化包含了最近13 a来海平面的年际变化。如图4所示，南海海平面高度在最近13 a呈现上升趋势，新版资料平均海平面的计算参考时段由于已经包含这一趋势，因此计算出的海平面高度异常必然小于没有包含这一上升趋势的旧版资料。

尽管从南海整个范围平均来看，旧版资料高估了南海海面高度异常的增长速率，但是从空间分布来讲，并不是在南海整个范围内旧版资料的南海海面高度异常的增长率都要高于新版资料，而是在南海中部深海盆区旧版资料高估了南海海面高度异常的增长率，在南海南部和北部陆架区反而是旧版资料低估了南海海面高度异常的增长率（见图5）。

3.3地转流计算与南海中尺度涡识别

AVISO高度计资料中的地转流数据是由高度计海面高度异常h根据式（1）和式（2）计算得到的

式中：u和v分别是经向和纬向地转流，h是海面高度异常，x和y分别是纬向和经向水平距离，g是重力加速度，f是科氏常数。旧版高度计资料中提供的地转流数据是采用传统的三点中央差值方法计算得到，而新版则采用了九点差值方法。研究证实九点差值方法可以减小“模板宽度”对于地转流计算偏差的影响［10］。

图4南海海面高度异常的年变化

图5 南海海面高度异常变化趋势的空间分布（单位：cm/a）

图6 从1993年5月20日卫星高度计数据（单位：cm）反演出的地转流场（箭头表示，单位：cm/s）中识别中尺度涡的个例。其中，白色虚线圈标识气旋涡（CE），白色实线圈标识反气旋涡（AE）。

利用卫星高度计资料反演计算出的地转流场，根据中尺度涡的几何学性质可以识别出中尺度涡。我们采用Nencioli等［11］提出的基于地转流矢量几何学的涡旋识别方法对某天海表高度异常资料反演出的地转流场进行识别，反演地转流的方法分别采用新版的九点差值方法和旧版的三点中央差法。图6给出了两种不同方法计算出的地转流识别中尺度涡的效果，可以看到，从两种差值方法计算地转流识别出的中尺度涡无论是总体数量还是涡中心位置的空间分布都基本一致，只是识别出的中尺度涡边界有一定差别。通过几个涡旋个例的比对（图6中AE1，CE1，AE2，CE2），参照海表高度异常的空间分布，我们发现新的地转流计算方法识别出的中尺度涡边界更合理，与海表高度异常的空间形态更匹配。

这主要与该识别算法的特点有关，它是基于中尺度涡流场几何学的一套算法，该算法对于流场矢量的大小和方向要求非常严格。这也充分说明新版中的地转流差值方法相对于旧版方法更好。

4　小结

本文以南海为例，从涉及高度计资料相关的南海海洋动力学研究的3个方面对比研究了AVISO最新发布的DUCAS 2014高度计资料与旧版高度计资料的区别和影响，结论如下：

（1）两版资料的南海海面高度异常的气候态空间分布基本相近，但强度和重要海洋现象的中心位置略有差别。比如，新版数据推算出的冬季西边界流的强度要比旧版数据的弱，而夏季越南外海偶极子中的气旋涡强度要比旧版资料的强；

（2）两版资料显示的南海海面高度异常的年际变化趋势相同，但增长速率不同。在南海中部深海盆区，旧版资料的南海海面高度异常的增长率高于新版资料，而在南海南部和北部陆架区旧版资料计算出的增长率则低于新版。但是，从南海整个范围平均来看，旧版资料显示的南海海面高度异常的增长速率高于新版资料；

（3）通过基于地转流涡旋识别方法的对比试验表明新版的地转流计算方法要优于旧版方法。

参考文献：

［1］刘良明.卫星海洋遥感导论［M］.武汉:武汉大学出版社，2005.

［2］刘玉光.卫星海洋学［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［3］AVISO.A New Version of SSALTO/Duacs Products Available in April 2014［R］.Toulouse，France，2014.

［4］Chelton D B，Schlax M G.Global Observations of Oceanic Rossby Waves［J］.Science，1996，272（5259）:234-238.

［5］Chelton D B，Schlax M G，Samelson R M，et al.Global Observations of Large Oceanic Eddies［J］.Geophysical Research Letters，2007，34（15）:L15606，doi:10.1029/2007GL030812.

［6］Wang G H，Chen D K，Su J L.Generation and Life Cycle of the Dipole in the South China Sea Summer Circulation［J］.Journal of Geophysical Research，2006，111（C6）:C06002，doi:10.1029/ 2005JC003314.

［7］Wang G H，Li J X，Wang C Z，et al.Interactions Among the Winter Monsoon，Ocean Eddy and Ocean Thermal Front in the South China Sea［J］.Journal of Geophysical Research，2012，117（C8）: C08002，doi:10.1029/2012JC008007.

［8］Chu X Q，Xue H J，Qi Y Q，et al.An Exceptional Anticyclonic Eddy in the South China Sea in 2010［J］.Journal of Geophysical Research，2014，119（2）:881-897，doi:10.1002/2013JC009314.

［9］Fang G H，Chen H Y，Wei Z X，et al.Trends and Interannual Variability of the South China Sea Surface Winds，Surface Height，and Surface Temperature in the Recent Decade［J］.Journal of Geophysical Research，2006，111（C11）:C11S16，doi:10.1029/ 2005JC003276.

［10］Arbic B K，Scott R B，Chelton D B，et al.Effects of Stencil Width on Surface Ocean Geostrophic Velocity and Vorticity Estimation from Gridded Satellite Altimeter Data［J］.Journal of Geophysical Research，2012，117（C3）:C03029，doi:10.1029/2011JC007367.

［11］Nencioli F，Dong C M，Dickey T，et al.A Vector Geometry-Based EddyDetectionAlgorithmandItsApplicationtoA High-Resolution Numerical Model Product and High-Frequency Radar Surface Velocities in the Southern California Bight［J］. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2010，27（3）: 564-579.

中图分类号：P715.6

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2016）02-0074-07

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2016.02.011

收稿日期：2015-07-27

基金项目：国家自然科学青年基金项目（41406004，41306010）

作者简介：李佳讯（1984-），男，工程师，博士，主要从事海洋环流动力学研究。E-mail:lee_jx@126.com

Impact of the new version of AVISO satellite altimeter data on the study of physical oceanography in the South China Sea

LI Jia-xun1，2，CHEN Yi-de3，CHEN Fu-sen1，3
（1.Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting，Tianjin 300061 China；2.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics，Second Institute of Oceanography，SOA，Hangzhou 310012 China；3.College of Meteorology and Oceanography，PLA University of Science and Technology，Nanjing 211101 China）

Abstract：From the SLA climatology，interannual variability of SLA，and the geostrophic current estimation method，this study takes the South China Sea as an example and discussed the impact of the AVISO altimeter data update.It is found that the new updated data can depict better interannual signals and ocean mesoscale anomalies.The result is significant for the SLA trend model forecast and the variability of mesoscale eddy in the SCS.

Key words：satellite altimeter；sea level anomaly；mesoscale eddy；South China Sea