海洋卫星观测高度异常数据三维变分同化的新方法研究

海洋卫星测高数据是三维温盐流数值预报和再分析的重要数据源，其同化方法研究属国内外前沿课题。传统三维变分卫星测高数据同化是将海面高度异常反演为温盐剖面信息，本研究从三个方面改进卫星观测高度异常三维变分数据同化方法：一是采用多重网格三维变分法同化卫星测高数据，用其从长波到短波依次提取多尺度观测信息的优点，有效考虑卫星测高数据的时空相关，弥补传统三维变分同化卫星测高数据时，将背景场误差协方差矩阵作为静态、经验给定、只能从卫星测高数据提取特定波长信息的不足；二是在同化中考虑罗斯贝波各个垂直模态贡献，使该方法有动力依据；三是将温盐关系作为强约束条件引入目标泛函，保证在卫星测高数据同化中保持温盐关系不变，反演出合理的温盐剖面信息。在此基础上，进行同化试验和效果检验。本项目具有良好研究基础，预期可为海洋卫星测高数据同化提供新方法，为上述预报和再分析提供更好的分析场，因此具有重要科学意义和广泛应用前景。

海洋卫星观测海面高度异常数据是三维温盐流数值预报和再分析的重要数据源，其同化方法研究属国内外前沿课题。传统三维变分卫星测高数据同化采用的是静态的、经验给定的背景场误差协方差矩阵，且将温盐关系作为弱约束条件引入目标泛函，因此人为性较强，动力依据不够充分，反演的温盐剖面信息不够合理。本研究从三个方面改进了卫星观测高度异常三维变分数据同化方法：一是改进和完善了多重网格三维变分数据同化方法，并采用该方法同化卫星测高数据，用其从长波到短波依次提取多尺度观测信息的优点，有效考虑了卫星测高数据的时空相关，弥补了传统三维变分同化卫星测高数据时，将背景场误差协方差矩阵作为静态、经验给定、只能从卫星测高数据提取特定波长信息的不足；二是改进了基于位势涡度守恒的水柱垂向调整算法，有效保持了同化前后等密度面上罗斯贝波各个垂向模态的权重不变和参考层压力不变，物理依据更加充分；三是自主研制了基于数据表对应的温盐一致性调整算法，保证在卫星测高数据同化中保持非线性温盐关系不变，反演出合理的温盐剖面信息。在此基础上，开展了理想同化试验，并将上述新方法应用到已有的海洋三维温盐流数值预报业务化系统中，开展了实际数据同化试验，验证了该方法的有效性。基于本项目研制的新方法，研制了西北太平洋海域1958～2008年共51年的长时序的海洋再分析产品，该产品对该海域海洋涡旋具有较好地再现能力，说明新方法可以有效地将卫星观测海面高度异常信息同化到模式中，从而可以较好地再现研究海区内的海洋涡旋及其三维结构特征。本项目研制的海洋卫星测高数据同化新方法，可以为三维温盐流数值预报和再分析提供更好的分析场，因此具有重要科学意义和广泛应用前景。