XBT观测资料系统性偏差影响因素的数值模拟研究

How much the upper ocean is warming? This is a basic question in climate change studies. Estimation on upper ocean heat content (OHC) change relies on in-situ ocean subsurface observations. The majority of ocean subsurface observations are collected by an instrument named XBT. But there are systematic biases in XBT data, which impede an accurate estimation on OHC change. Although lots of researches investigated how to correct XBT bias, yet discrepency occurs among different studies. Scientific community has no general agreement on bias correction methods, because of the limited understanding on the impact factors of XBT bias. In this project, we are going to use a new generation model named Fluidity-Femdem to simulate the free-falling motion of XBT in the ocean and then find the impact factors of the bias. We will examine the possible impact factors including: probe type, ocean temperature, ocean stratification, entry angle and launching height of the probe. According to those results and the meta data collected by authors (including temperature profiles, launching height, cruise name), we will propose a new correction scheme on historical XBT depth bias.

"全球上层海洋热含量如何变化"是气候变化研究的一个基础问题。热含量变化的估计依赖于历史海洋次表层现场观测资料，其中过去50年最主要是XBT。但其系统性偏差，使得历史热含量估计存在很大的不确定性。虽然已有大量研究订正XBT偏差，但到目前为止仍然没有一个广泛认可的最佳订正方案。这主要源于对XBT偏差的认识依然很不够。本项目拟采用一个新一代的流体力学－固体相互作用模型来模拟XBT在海水中下降的详细过程。通过大量的数值模拟试验对XBT型号、海洋温度、海水层结、仪器入水角度、仪器发射高度等因子对XBT的系统性偏差的影响开展研究。利用本项目的模拟结果，和已经收集到的历史XBT的元数据（除了温度廓线观测外还包括发射的船名和甲板高度等相关辅助信息），拟提出新的订正海洋历史XBT资料深度偏差的方案。

XBT数据是1966-2000年间海洋最主要的观测仪器，占该时期所有海洋观测数据的将近40%。然而XBT数据存在系统性偏差，是全球海洋变暖估计不确定性的最主要来源之一。本项目构建了一个新的流体力学－固体相互作用模型Fluidity-Femdem来模拟XBT在海水中下降的过程。该系统可以开展数值模拟，对XBT型号、海洋温度、仪器重量、探头尺寸等因子对XBT的系统性偏差的影响进行研究。针对某一种仪器类型XBT-T5，研究了XBT质量、XBT探头直径、线圈质量、海水温度、XBT探头密度等等。我们发现T5的下降速率和纯温度偏差随温度升高而增加。同时，XBT下降速度和XBT仪器的质量有显著关系，而其和探头直径、线圈质量、XBT探头密度等并没有显著关系。此外，我们也搜集了全球XBT/CTD对比数据，据此统计XBT偏差随时间的变率。最后，基于上述两个数据集的结果，我们提出了一个新的XBT-T5数据偏差订正方案。基于本项目及相关进展，XBT研究人员在美国气象学会会刊BAMS发表论文对XBT数据偏差和订正提出建议，确定了使用大气所的订正方案作为国际通用方案。