Phân tích trạng thái sử dụng Bộ lọc Kalman biến thể tập hợp địa phương (LETKF) và cấu trúc tuần hoàn ba lớp của Eo biển Luzon và Biển Đông

Springer Science and Business Media LLC - Tập 64 - Trang 905-923 - 2014
Fang-Hua Xu1, Lie-Yauw Oey2,3
1Ministry of Education Key Laboratory for Earth System Modeling, Center for Earth System Science, Tsinghua University, Beijing, China
2National Central University, Zhongli, Taiwan
3Program in Atmospheric and Oceanic Sciences, Princeton University, Princeton, USA

Tóm tắt

Một mô hình lưu thông mới của Đại Tây Dương Bắc Thái Bình Dương dựa trên phiên bản song song của Mô hình Hải dương Princeton và kết hợp với kế hoạch đồng bộ dữ liệu Bộ lọc Kalman biến thể tập hợp địa phương (LETKF) đã được phát triển. Mô hình mới kết hợp dữ liệu vệ tinh và được thử nghiệm trong khoảng thời gian từ ngày 1 tháng 1 đến ngày 3 tháng 4 năm 2012 khởi đầu từ một mô phỏng kéo dài 24 năm để ước tính trạng thái đại dương tập trung vào Biển Đông (SCS). Kết quả mô hình được so sánh với các ước tính dựa trên kế hoạch đồng bộ nội suy tối ưu (OI) và được xác nhận so với dữ liệu Argo và dữ liệu vận chuyển độc lập để đánh giá năng lực mô hình. LETKF cung cấp các ước tính cải thiện về trạng thái đại dương Bắc Thái Bình Dương, bao gồm cả vận chuyển qua các eo biển khác nhau trong Biển Đông. Tại Eo biển Luzon, mô hình xác nhận, lần đầu tiên, cấu trúc vận chuyển ba lớp trước đây đã được suy luận trong tài liệu từ các quan sát thưa thớt: hướng tây trong các lớp trên và dưới và hướng đông trong lớp giữa. Cấu trúc này được xác nhận là vững chắc, và động lực liên quan được phân tích sử dụng kết quả của một mô hình Bắc Thái Bình Dương không được đồng bộ kéo dài (18 năm). Độ xoáy tiềm năng và bảo tồn khối lượng chỉ ra một lưu thông xoáy men theo bồn chứa ở lớp trên của Biển Đông (z > -570 m), một lưu thông phản xoáy ở lớp giữa (-570 m ≥ z > -2,000 m), và, trong bồn chứa sâu (< -2,000 m), lưu thông có thể là xoáy ở miền bắc và phản xoáy ở miền nam. Lưu thông xoáy - phản xoáy sâu dưới được xác nhận và được giải thích bằng mô hình trọng lực giảm tại các lớp sâu, do sự tràn qua bậc sâu của Eo biển Luzon tạo nên, kết hợp với sự trỗi dậy dữ dội, cục bộ bên phía tây của eo biển.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Atlas R, Hoffman RN, Ardizzone J, Leidner M, Jusem JC (2009) Development of a new cross-calibrated, multi-platform (CCMP) ocean surface wind product. AMS 13th Conference on Integrated Observing and Assimilation Systems for Atmosphere, Oceans, and Land Surface (IOAS-AOLS) Berntsen J, Oey LY (2010) Estimation of the internal pressure gradient in sigma-coordinate ocean models: comparison of second-, fourth-, and sixth-order schemes. Ocean Dyn 60:317–330 Blumberg AF, Mellor GL (1987) A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model. In: Heap N (ed) Three-dimensional coastal ocean models, coastal estuarine stud, vol 4. AGU, Washington, DC, pp 1–16 Chang YL, Oey LY (2011) Loop Current cycle: coupled response of the Loop Current with deep flows. J Phys Oceanogr 41(3):458–471 Chang YL, Oey LY (2012) The Philippines-Taiwan oscillation: monsoonlike interannual oscillation of the subtropical-tropical western North Pacific wind system and its impact on the ocean. J Climate 25:1597–1618. doi:10.1175/JCLI-D-11-00158.1 Chang Y, Oey L (2013) Loop Current growth and eddy shedding using models and observations Part 1: numerical process experiments and satellite altimetry data. J Phys Oceanogr 43:669–689 Chang Y-L, Oey L-Y (2014) Instability of the North Pacific subtropical countercurrent. J Phys Oceanogr 44:818–833 Chao S-Y, Shaw P-T, Wu SY (1996) Deep water ventilation in the South China Sea. Deep Sea Res I Oceanogr Res Pap 43(4):445–466. doi:10.1016/0967-0637(96)00025-8, ISSN 0967-0637 Chen C-T (2005) Tracing tropical and intermediate waters from the South China Sea to the Okinawa Trough and beyond. J Geophys Res 110, C05012. doi:10.1029/2004JC002494 Chen C-T, Huang MH (1996) A mid-depth front separating the South China Sea water and the Philippine Sea water. J Oceanogr 52:17–25. doi:10.1007/BF02236530 Chen C-T, Wang S-L (1998) Influence of the intermediate water in the western Okinawa Trough by the outflow from the South China Sea. J Geophys Res 103:12,683–12,688 Chu PC, Edmons NL, Fan CW (1999) Dynamical mechanisms for the South China Sea seasonal circulation and thermohaline variabilities. J Phys Oceanogr 29:2971–2989 Gan J, Li H, Curchitser EN, Haidvogel DB (2006) Modeling South China Sea circulation: response to seasonal forcing regimes. J Geophys Res 111, C06034. doi:10.1029/2005JC003298 Gordon AL, Huber BA, Metzger EJ, Susanto RD, Hurlburt HE, Adi TR (2012) South China Sea throughflow impact on the Indonesian throughflow. Geophys Res Lett 39, L11602. doi:10.1029/2012GL052021 Guo X, Miyazawa Y, Yamagata T (2006) The Kuroshio onshore intrusion along the shelf break of the East China Sea: the origin of the Tsushima warm current. J Phys Oceanogr 36:2205–2231. doi:10.1175/JPO 2976.1 Hsin Y-C, Wu C-R, Chao S-Y (2012) An updated examination of the Luzon Strait transport. J Geophys Res 117, C03022. doi:10.1029/2011JC007714 Hu JY, Kawamura H, Hong H, Qi YQ (2000) A review on the currents in the South China Sea: seasonal circulation, South China Sea warm current and Kuroshio intrusion. J Oceanogr 56:607–624 Hunt BR, Kostelich EJ, Szunyogh I (2007) Efficient data assimilation for spatiotemporal chaos: a local ensemble transform Kalman filter. Phys D 230:112–126 Isobe A (2008) Recent advances in ocean-circulation re- search on the Yellow Sea and East China Sea shelves. J Oceanogr 64:569–584. doi:10.1007/s10872-008- 0048-7 Johns WE, Lee TN, Zhang D, Zantopp R, Liu CT, Yang Y (2001) The Kuroshio east of Taiwan: moored transport observations from the WOCE PCM-1 array. J Phys Oceanogr 31:1031–1053 Jordi A, Wang D-P (2012) sbPOM: a parallel implementation of Princeton Ocean Model. Environ Model Softw 38:59–61. doi:10.1016/j.envsoft.2012.05.013, December 2012 Kawase M (1987) Establishment of deep ocean circulation driven by deep-water production. J Phys Oceanogr 17:2294–2317 Lan J, Zhang N, Wang Y (2013) On the dynamics of the South China Sea deep circulation. J Geophys Res Oceans 118:1206–1210. doi:10.1002/jgrc.20104 Liao G, Yuan Y, Xu X (2008) Three dimensional diagnostic study of the circulation in the South China Sea during winter 1998. J Oceanogr 64:803–814 Lin SF, Tang TY, Jan S, Chen CJ (2005) Taiwan Strait current in winter. Cont Shelf Res 25(9):1023–1042 Lin X, Oey L-Y, Wang D-P (2007) Altimetry and drifter assimilations of Loop Current and eddies. JGR 112:C05046 Liu JY (2013) Status of marine biodiversity of the China seas. PLoS One 8(1):e50719. doi:10.1371/journal.pone.0050719 Liu KK, Tang TY, Gong GC, Chen LY, Shiah FK (2000) Cross-shelf and along-shelf nutrient fluxes derived from flow fields and chemical hydrography observed in the southern East China Sea off northern Taiwan. Cont Shelf Res 20:493–523. doi:10.1016/S0 278-4343(99)00083-7 Mellor GL, Blumberg AF (1985) Modeling vertical and horizontal diffusivities with the Sigma Coordinate system. Mon Weather Rev 113:1379–1383 Metzger EJ, Hurlburt HE (1996) Coupled dynamics of the South China Sea, the Sulu Sea, and the Pacific Ocean. J Geophys Res Oceans 101(C5):12,331–12,352 Metzger EJ, Hurlburt H (2001) The importance of high horizontal resolution and accurate coastline geometry in modeling South China Sea inflow. Geophys Res Lett 28(6):1059–1062 Miyazawa Y, Miyama T, Varlamov SM, Guo X, Waseda T (2012) Open and coastal seas interactions south of Japan represented by an ensemble Kalman Filter. Ocean Dyn. doi:10.1007/s10236-011-0516-2 Miyoshi T, Sato Y, Kadowaki T (2010) Ensemble Kalman filter and 4D-Var intercomparison with the Japanese operational global analysis and prediction system. Mon Wea Rev 138:2846–2866 Oey LY, Chen P (1992a) A model simulation of circulation in the northeast Atlantic shelves and seas. J Geophys Res 97:20087–20115. doi:10.1029/92JC01990 Oey LY, Chen P (1992b) A nested-grid ocean model: with application to the simulation of meanders and eddies in the Norwegian Coastal Current. J Geophys Res 97:20063–20086. doi:10.1029/92JC01991 Oey L-Y, Ezer T, Forristall G, Cooper C, DiMarco S, Fan S (2005) An exercise in forecasting Loop Current and eddy frontal positions in the Gulf of Mexico. Geophys Res Let 32:L12611, 2005GL023253 Oey LY, Chang YL, Lin YC et al (2013) ATOP-the Advanced Taiwan Ocean Prediction System based on the mpiPOM. Part 1: model descriptions, analyses and results. Terr Atmos Ocean Sci 2013:24 Oey L-Y, Chang Y-L, Lin Y-C, Chang M-C, Varlamov S, Miyazawa Y (2014) Cross flows in the Taiwan Strait in Winter*. J Phys Oceanogr 44:801–817 Ott E et al (2004) A local ensemble Kalman filter for atmospheric data assimilation. Tellus 56A:415–428 Qu T (2000) Upper-layer circulation in the South China Sea. J Phys Oceanogr 30:1450–1460 Qu T, Kim YY, Yaremchuk M, Tozuka T, Ishida A, Yamagata T (2004) Can Luzon Strait transport play a role in conveying the impact of ENSO to the South China Sea?*. J Climate 17:3644–3657 Qu T, Du Y, Sasaki H (2006a) South China Sea throughflow: a heat and freshwater conveyor. Geophys Res Lett 33:23 Qu T, Girton JB, Whitehead JA (2006b) Deepwater overflow through Luzon Strait. J Geophys Res 111, C01002. doi:10.1029/2005JC003139 Qu T, Song T, Yamagata T (2009) An introduction to the South China Sea throughflow: its dynamics, variability, and implication for climate. Dyn Atmos Oceans 47:3–14 Rio MH, Guinehut S, Larnicol G (2011) New CNES-CLS09 global mean dynamic topography computed from the combination of GRACE data, altimetry, and in situ measurements. J Geophys Res 116, C07018. doi:10.1029/2010JC006505 Rong Z, Liu Y, Zong H, Cheng Y (2007) Interannual sea level variability in the South China Sea and its response to ENSO. Glob Planet Chang 55:257–272. doi:10.1016/j.gloplacha.2006.08.001 Shaw PT, Chao SY (1994) Surface circulation in South China Sea. Deep Sea Res Part I 40:1663–1683 Sheu W-J, Wu C-R, Oey L-Y (2010) Blocking and westward passage of eddies in the Luzon Strait. Deep Sea Res II Top Stud Oceanogr 57(19–20):1783–1791 Song YT (2006) Estimation of interbasin transport using ocean bottom pressure: theory and model for Asian marginal seas. J Geophys Res 111:C11S19. doi:10.1029/2005JC003189 Sprintall J, Gordon A, Flament P, Villanoy C (2012) Observations of exchange between the South China Sea and the Sulu Sea. J Geophys Res 117, C05036. doi:10.1029/2011JC007610 Stommel H (1958) The abyssal circulation. Letter to the editors. Deep Sea Res 5:80–82 Szunoygh I, Kostelich EJ, Gyarmati G, Patil DJ, Kalnay E, Ott E, Yorke JA (2005) Assessing a local ensemble Kalman filter: perfect model experiments with the National Centers for Environmental Prediction global model. Tellus 57A:528–545 Tian J, Yang Q, Liang X, Xie L, Hu D, Wang F, Qu T (2006) Observation of Luzon Strait transport. Geophys Res Lett 33, L19607. doi:10.1029/2006GL026272 Wang C, Wang W, Wang D, Wang Q (2006) Interannual variability of the South China Sea associated with El Niño. J Geophys Res 111:C3 Wang G, Xie SP, Qu T, Huang RX (2011) Deep South China Sea circulation. Geophys Res Lett 38, L05601. doi:10.1029/2010GL046626 Whitehead JA, Leetmaa A, Knox RA (1974) Rotating hydraulics of strait and sill flows. Geophys Fluid Dyn 6:101–125 Willmott CJ (1981) On the validation of models. Phys Geogr 2:184–194 Wyrtki K (1961) Physical oceanography of the Southeast Asian waters. Scripps Inst Oceanogr Univ Calif, La Jolla 2:195 Xie S, Xie Q, Wang D, Liu WT (2003) Summer upwelling in the South China Sea and its role in regional climate variations. J Geophys Res 108(C8):3261. doi:10.1029/2003JC001867 Xu F-H, Oey L-Y, Miyazawa Y, Hamilton P (2013a) Hindcasts and forecasts of loop current and eddies in the Gulf of Mexico using local ensemble transform Kalman filter and optimum-interpolation assimilation schemes. Ocean Model 69:22–38. doi:10.1016/j.ocemod.2013.05.002 Xu F, Chang Y, Oey L, Hamilton P (2013b) Loop current growth and eddy shedding using models and observations: analyses of the July 2011 eddy-shedding event. J Phys Oceanogr 43:1015–1027 Xue H, Chai F, Pettigrew N, Xu D, Shi M, Xu J (2004) Kuroshio intrusion and the circulation in the South China Sea. J Geophys Res 109, C02017. doi:10.1029/2002JC001724 Yang J, Price JF (2000) Water-mass formation and potential vorticity balance in an abyssal ocean circulation. J Mar Res 58(5):789–808 Yang Q, Tian J, Zhao W (2010) Observation of Luzon Strait transport in summer 2007. Deep Sea Res Part I 57:670–676 Yaremchuk M, Qu T (2004) Seasonal variability of the large-scale currents near the coast of the Philippines. J Phys Oceanogr 34:844–855 Yin XQ, Oey LY (2007) Bred-ensemble ocean forecast of loop current and rings. Ocean Model 17:300–326 Yuan Y, Liao G, Yang C (2008a) The Kuroshio near the Luzon Strait and circulation in the northern South China Sea during August and September 1994. J Oceanogr 64:777–788 Yuan Y, Liao G, Guan W, Wang H, Lou R, Chen H (2008b) The circulation in the upper and middle layers of the Luzon Strait during spring 2002. J Geophys Res 113:C06004 Yuan Y, Liao G, Yang C (2009) A diagnostic calculation of the circulation in the upper and middle layers of the Luzon Strait and the northern South China Sea during March 1992. Dyn Atmos Oceans 47:86–113 Zhang Z, Zhao W, Liu Q (2010) Subseasonal variability of Luzon Strait transport in a high resolution global model. Acta Oceanol Sin 29:9–17 Zhang Z, Zhao W, Tian J, Liang X (2013) A mesoscale eddy pair southwest of Taiwan and its influence on deep circulation. J Geophys Res Oceans. doi:10.1002/2013JC008994 Zhou H, Nan F, Shi M, Zhou L, Guo P (2009) Characteristics of water exchange in the Luzon Strait during September 2006. Chin J Oceanology Limnol 27(3):650–665