第1章 海洋环境再分析研究进展
　　1.1国外研究进展
　　国际海洋领域十分重视海洋再分析研究，其规模化研究始于世界大洋环流实验（world ocean circulation experiment，WOCE）计划，之后纳入气候变率与可预测性研究计划和全球海洋数据同化试验计划，并广泛应用于海洋环境安全保障、海洋科学和气候变化研究等领域。美国、法国、英国、日本、澳大利亚等世界海洋强国均有各自的海洋再分析研究计划。全球简单海洋数据同化（simple ocean data assimilation，SODA）系统、美国海洋环流和气候估计（estimating the circulation and climate of the ocean，ECCO）、美国海军混合坐标海洋模式（hybrid coordinate ocean model，HYCOM）、欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第四代海洋再分析系统（ocean reanalysis system 4，ORAS4）等海洋再分析产品国际影响较大、应用广泛（王世红等，2018）。
　　1.1.1美国
　　1. SODA
　　SODA 是美国马里兰大学于20世纪90年代初开发的，其目的是为气候研究提供一套与大气再分析资料相匹配的海洋再分析资料。SODA *初采用美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）地球物理流体动力学实验室（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory，GFDL）的第二代模块化海洋模式（modular ocean model version 2，MOM2），后来又引入美国Los Alamos 国家实验室发展的高分辨率并行海洋模式（parallel ocean program，POP）。该系统采用随机连续估计理论和质量控制的方法，包括临近点检验法、“预报值-观测值”差值检验、卡尔曼滤波（Kalman filter，KF）、四维变分（four dimensional variational，4D-Var）等。同化的资料主要来自世界海洋数据库（world ocean database，WOD），包括抛弃式温度测量仪（expendable bathy thermograph，XBT）、电导率-温度-深度（conductivity-temperature-depth，CTD）测量仪观测的海洋温度和盐度资料，其他资料来自美国国家海洋数据中心（National Oceanographic Data Center，NODC）的实测温度廓线数据、热带大气海洋（tropical atmosphere ocean，TAO）浮标阵列/三角跨海浮标网（triangle trans-ocean buoy network，Triton）和实时地转海洋学浮标观测网（array for real-time geostrophic oceanography，Argo）的观测资料、国际综合海洋大气数据集（international comprehensive ocean-atmosphere dataset，ICOADS）的混合层温度数据、卫星海平面测高仪测得的海平面高度和改进的甚高分辨率辐射仪（advanced very high resolution radiometer，AVHRR）测得的海表温度数据等（Carton et al.，2008）。
　　SODA 先后发布了多个版本的产品（表1-1）。其中SODA 2.2.4是使用较为广泛的一个版本，由美国马里兰大学和得克萨斯农工大学共同研制，同化时间超过100年（1871～2010年），使用了NOAA 20世纪v2再分析（20th century reanalysis v2，CR20v2）风场资料。该数据产品的空间范围为（0.25°E～359.75°E，75.25°S～89.25°N），水平分辨率为0.5°×0.5°，垂向分为40层，时间分辨率为月平均，要素包括温度、盐度、纬向流、经向流、海面高度（sea surface height，SSH）、纬向海表风应力和经向海表风应力。目前，SODA 已经更新到第三代，使用的数值模式由POP 改为MOM5，垂向增至50层，引入了通量的偏差校正方案，增加了同化的观测资料。第三代中SODA 3.4.2是使用较为广泛的产品（Carton et al.，2018），要素包括温度、盐度、密度、纬向流、经向流、垂向流、海面高度、混合层深度、纬向海表风应力、经向海表风应力、海表净热通量、盐通量、海底压、海冰厚度和密集度等，除了月平均数据还增加了5天平均数据。
　　表1-1SODA 各版本产品
　　2. ECCO
　　ECCO 作为WOCE 计划的组成部分，得到了美国国家海洋合作项目（national oceanographic partnership program，NOPP）资助，并由美国国家科学基金（national science foundation，NSF）、美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和海军研究署（Office of Naval Research，ONR）联合支持。ECCO 始于1998年，使用的海洋模式是美国麻省理工学院的通用环流模式（Massachusetts Institute of Technology general circulation model，MITgcm），旨在将大洋环流模式与各种海洋观测资料相结合，定量描述随时空变化的海洋状态。
　　**代ECCO 海洋再分析产品空间分辨率较低，没有考虑北冰洋、海冰等要素。第二代ECCO2的数值模式水平分辨率提高到了约18km，覆盖范围扩大到全球，并耦合了海冰模式，采用基于格林函数的4D-Var 技术。同化的观测资料主要来自WOCE 计划的数据库和TAO 浮标数据、Argo 观测网，以及卫星高度计观测的海面高度异常（sea level anomaly，SLA）、被动微波辐射仪观测的海冰密集度（sea ice concentration，SIC），快速散射仪（quick scatterometer，QuikSCAT）和R-GPS 观测的海冰移动（sea ice movement，SIM）及声呐探测的海冰厚度（sea ice thickness，SIT）等。ECCO2的水平分辨率为1°×1°，垂向分为50层，间隔从海表10m 到海底450m ，时间分辨率为月平均，要素包括海水温度、盐度、纬向流、经向流和海面高度。
　　第四代ECCO-V4是2016年发布的*新版本的全球海洋再分析产品（Forget et al.，2015），采用的数值模式、同化方法和观测资料与ECCO2大致相同，但进行了一些更新和改进，特别是数值模式中的一些物理过程和参数化方案，例如采用了先进的淡水通量边界条件，优化了混合参数、海冰参数，使用了更为平滑的地形参数等，这些改进明显改善了海面高度的模拟效果。ECCO-V4使用的同化方案为4D-Var ，同时配合一个偏差校正方案，同化的观测资料包括所有常规观测资料和卫星遥感资料。数值模式使用覆盖两级的逻辑链路控制（logical link control，LLC）网格，水平分辨率提高到约12km ，垂向分为50层，时间分辨率为日平均，要素包括海水温度、盐度、纬向流、经向流和海面高度。
　　在ECCO 的基础上，德国借鉴**代ECCO 的*优化方案，发展了GECCO，将CTD、机械/数字/微型温深仪（mechanical/digital/micro bathy thermograph，MBT）/XBT 、Argo 、TOGA/TAO 、T/P-ERS-ENVISAT 、Jason、AMSR/E/TMISST、QuikSCAT 和Levitus 等大量观测资料通过4D-Var 技术同化到ECCO/MITgcm 海洋环流模式中，使用美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）/美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）大气再分析资料作为驱动，将再分析时段延长为1952～2001年（K.hl et al.，2008）。该产品的水平分辨率为1°×1°，时间分辨率为月平均，垂向分为23层，从近海表10m 到海底500m ，要素包括海水温度、盐度、纬向流、经向流、垂向流和海面高度。GECCO2是GECCO 的延续，使用的数值模式和同化方案与GECCO 大致相同，但增加了海冰的同化，并优化了数值模式中的一些物理过程和参数化方案，模式水平分辨率提高到1°×（1/3）°，垂向层数增加到50层。
　　3. HYCOM
　　作为美国全球海洋数据同化实验（global ocean data assimilation experiment，GODAE） 计划的代表，HYCOM 是较早发展的、时间跨度较长的涡分辨（eddy-resolving）全球海洋再分析产品。HYCOM 的前身为迈阿密等密度面坐标海洋模式（Miami isopycnal-coordinate ocean mode，MICOM）。MICOM 在垂直方向采用单一的等密度坐标，HYCOM 则在其基础上添加了垂向Z坐标和随地形变化坐标，形成了特色鲜明的垂向混合坐标。这种混合坐标的特点是，在层化显著的开阔大洋中采用等密度面坐标，在浅海或者陆架区域采用随地形变化的σ坐标，在混合或者层化不明显的海域采用Z坐标（Chassignet et al.，2007）。由于在垂直坐标选择上的优势，HYCOM 在全球海洋、区域海洋、层结或非层结海洋、大洋内区或近岸区域都有较好表现，其在近表层和海岸附近浅水区域有更高的垂向分辨率，能够很好地表达上层海洋的物理特性。
　　HYCOM 是美国海军研究实验室利用海军耦合海洋数据同化（navy coupled ocean data assimilation，NCODA）系统将HYCOM 模式和多源观测资料结合的海洋再分析产品。HYCOM 采用的同化方法为多变量*优插值（multivariate optimal interpolation，MVOI），同化的观测资料为卫星高度计SLA、卫星遥感海表温度（sea surface temperature，SST）、Argo 浮标和锚系浮标观测的温度和盐度剖面资料。公开发布的HYCOM 海洋再分析产品时间跨度为1992～2012年，时间分辨率为1天，水平分辨率为1/12°，垂向分为不等距40层，要素包括海水温度、盐度、纬向流、经向流和海面高度。
　　1.1.2ECMWF
　　ECMWF 是政府间国际性组织，其前身是成立于1975年的欧洲科学技术研究领域合作（coorperation in the field of scientific and technical research，COST）计划。ECMWF 作为模式发展和资料处理技术的**机构，其同化技术在国际上同样具有引领性。在充分借鉴全球大气再分析技术的基础上，ECMWF 组织实施了全球海洋再分析（ocean reanalysis，ORA）计划，并发布了一系列海洋再分析产品。
　　ORA-S3是ECMWF 早期研发的再分析系统（Balmaseda et al.，2008），使用的海洋数值模式为汉堡海洋原始方程（Hamburg ocean primitive equation，HOPE）模式，采用的同化方案