基于GODAE Ocean View標準的全球海洋環流預報系統評估

莫慧爾，萬莉穎，秦英豪，祖子清，張宇

（1.國家海洋環境預報中心自然資源部海洋災害預報技術重點實驗室，北京100081；2.國家海洋環境預報中心，北京100081）

1 引言

全球海洋數據同化實驗（Global Ocean Data Assimilation Experiment，GODAE）始于1997 年，它是協調、促進全球與區域海洋分析和預報系統發展的唯一國際組織[1]。GODAE OceanView（GOV）是GODAE的繼承和延伸，自2009年成立至今，一直致力于通過國際合作繼續鞏固和推動國際間業務化海洋學的發展[2-4]。GOV 通過成立不同的工作組（Task Team）來聚焦不同的科學問題，其中相互比較與驗證工作組（Intercomparison and Validation Task Team, IVTT）成立于2010 年，旨在協同推進業務化海洋學系統的科學驗證和比較工作。它的活動包括制定標準來評估分析和預報場、建立全球與區域的比較計劃等，在統一框架下用相互比較和定量評估的方法判斷國際間海洋分析和預報系統的強弱。

GODAE 對海洋后報和預報產品的評估原則包括一致性（Consistency）、質量（Quality）和性能（Performance），即驗證系統結果與對海洋環流和氣候特征的現有認知是否一致，定性分析系統“最優值”與海洋真值差異以及每個系統的短期預報能力[5]。所用的比較驗證方法基于4 類“標準（Classes）”。Class1—3 標準多應用于系統氣候態和后報評估：Class1 標準主要用于評估相干空間結構或主要流系、海洋鋒和中尺度渦等海洋過程；Class2標準側重與錨定浮標時間序列的對比以及時間序列間的統計分析；Class3標準主要評估體積輸送、熱輸送和渦動動能的空間分布和時間變化。而Class4標準側重于系統預報性能和預報技巧評估，通過與所有可用的海洋觀測（現場漂流浮標或衛星數據）的比較，評估系統的近實時準確性[6-7]。Class4相互比較框架的建立基于IVTT 參與者的志愿行動，即：其中一家業務機構收集觀測數據、進行質量訂正、提供包含觀測及自身業務化海洋預報系統（Operational Ocean Forecast Systems，OOFS）預 報 場 的 初 始 文 件（NetCDF 格式）、并上傳到USGODAE 服務器上，其他參與者下載該初始文件、按照該文件格式將自己的OOFS 預報場插值成相似的數據文件、再上傳至USGODAE 服務器。最終，服務器上包含所有參與Class4 相互比較的OOFS 結果。目前，英國氣象局志愿提供海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）、海平面異常（Sea Level Anoma-ly，SLA）和T/S 剖面（Temperature/Salinity Profiles）的初始文件，加拿大環境中心則提供海冰密集度的初始文件。該數據并未對外公開，僅用于成員間共享。

參與比較的業務化海洋學系統主要有英國氣象 局 的FOAM[8]（Forecast Ocean Assimilation Model）、法國麥卡托中心的PSY3和PSY4[9]、加拿大環境中心的GIOPS-CONCEPTS[10]（Global Ice Ocean Prediction System-Canadian Operational Net-work of Coupled Environmental Prediction Systems，一 般 簡 稱“GIOPS”）、美國國家環境預報中心/美國國家氣象局/美國國家海洋和大氣管理局（National Centers for Environmental Prediction/National Weather Service/National Oceanic Atmospheric Admins-tration，NCEP/NWS/NOAA）的RTOFS（Real-Time Ocean Forecast System）[11]、澳大利亞氣象局的BLUElink OceanMAPS[12]（The Ocean Model Anal-ysis and Prediction System），國家海洋環境預報中心自2017 年起也向USGODAE 服務器上傳Class4 標準下的產品-全球業務化海洋學預報系統（Chinese Global Operational Forecasting System，CGOFS）。

基于GOV-IVTT 的Class4 標準，目前已有不少國際業務預報系統開展了全球或區域的比較。結果表明沒有一個預報系統在所有變量預報中明顯優于其他系統，而多系統集合平均的預報效果比單個預報系統要好[6，13-14]。為了解國家海洋環境預報中心CGOFS 全球海洋環流預報系統的性能，本文基于Class4標準主要評估了該系統在海表溫度預報上的表現。

2 系統簡介

21 世紀初，世界各國的全球海洋業務預報系統得到了長足發展，預報系統在空間分辨率、同化方法等方面得到了很大改進[15]。國家海洋環境預報中心在“十二五”期間也構建了我國首個涵蓋全球大洋的一體化全球業務化海洋學預報系統CGOFS[16-17]。該系統中的全球海洋環流預報系統以MOM4（Modular Ocean Model Version 4）海洋模式[18]為基礎，耦合SIS（Sea Ice Simulator）海冰模式[19]，采用三極點網格坐標，分辨率為1/4°，垂直分層為50 層，225m 以上分辨率為10m，同化方案為三維變分[20-23]。CGOFS 實時同化了海表溫度資料（Real Time Global Sea Surface Temperature，TGSST），法國衛星海洋存檔數據中心（Archiving，Validation，and Interpolation of Satellite Oceano -graphic，AVISO）的海表高度資料以及Argo 溫鹽剖面等多源觀測資料。系統自2013年起業務化運行，采用0.5°分辨率的NCEP 全球預報系統（Global Forecast System，GFS）的海表面風場和熱力強迫[24]。這標志著我國海洋預報保障能力從近海擴展到全球大洋，體現了我國海洋數值預報技術的發展和進步。

本文用于比較的預報系統FOAM 基于NEMO海洋模式[25]和CICE 海冰模式，水平分辨率為1/4°；PSY3 和PSY4 基于NEMO 海洋模式和LIM2[26]海冰模式，水平分辨率分別為1/4°和1/12°；GIOPS 同樣基于NEMO 海洋模式和CICE 海冰模式，水平分辨率為1/4°；RTOFS基于HYCOM 模式[27]，水平分辨率為1/12°；BLUElink OceanMAPS基于MOM4海洋模式[18]，水平分辨率為1°，澳大利亞周邊加密至0.1°。關于系統參數、同化方案和強迫場等詳細說明可參考文獻[6，13-14]。

3 數據及方法

系統評估所用的觀測海表溫度來自USGODAE的現場漂流浮標（網址：http://www.usgodae.org/cgibin / datalist. pl? dset=fnmoc_obs_sfcobs&summary=Go），全球溫度的空間分布如圖1a 所示。大部分浮標點分布于南北緯60°之間，浮標點個數每天變動，約為20,000～30,000萬個（見圖1b）。與來自先進的沿軌掃描輻射計（Advanced Along-Track Scanning Radiometer，AATSR）和先進的微波掃描計（Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth，AMSR-E）海表溫度的誤差對比分析表明，USGODAE 現場漂流浮標的海表溫度觀測不確定性約為0.2 ℃[28]。除英國氣象局FOAM 系統外，其他系統均未同化該觀測資料，所以可利用這個相對獨立的海表溫度觀測資料來檢驗評估預報系統的預報技巧。

圖1 USGODAE現場表層漂流浮標

本文CGOFS的評估時間段為2015年1月1日—2017 年12 月31 日。系統采用IVTT Class4 標準作為評估方法，在全球平均標準下評估業務化系統的技巧及性能表現。所用的統計量包括偏差（Bias）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、異常相關（Anomaly Correlation，AC）以及用延續性預報場（Persistence）和氣候態場（Climatology）構造的兩個技巧評分（Skill Score）。公式如下：

偏差：

均方根誤差：

異常相關：

式中：F為預報值；O為觀測值；C為氣候態。技巧評分：

式中：延續性預報場是由預報場前移1 d 并插值到觀測點得到；氣候態場由《世界海洋圖集2001》（World Ocean Atlas 2001，WOA01）月平均場插值得到[29]。當參考場（Reference）為延續性預報場時，技巧評分為延續性預報技巧（Persistence Skill Score，PSS）；當參考場為氣候態場時，技巧評分為氣候態預報技巧（Climatology Skill Score，CSS）。

4 結果

將多個預報系統與同一觀測資料對比，既可了解預報系統本身預報精度，也可以進行各個預報系統的橫向對比分析。表1是各預報系統SST 預報的RMSE 隨預報天數的變化。結果表明，英國氣象局預報系統FOAM 預報前4 d 的RMSE 值最小，但其誤差增長較大，預報6 d 后誤差增長百分比達61.1%。這可能因為FOAM 系統是所有系統中唯一直接同化了USGODAE 現場漂流浮標觀測的SST，隨著預報天數增長，該觀測資料帶來的同化增益必然降低。從表1 中可見，積分5 d 后，加拿大的GIOPS 系統的誤差甚至少于FOAM 系統。相對于FOAM系統，其他預報系統誤差較大，但誤差增長百分比較低，一般在10%左右。國家海洋環境預報中心CGOFS系統的第1 d誤差為0.65 ℃左右，7 d誤差增長為13%，預報精度在參與評估的多個預報系統中處于中等水平。

表1 各預報系統SST預報1—7 d的RMSE（單位：℃）及誤差增長百分比

本文分析了CGOFS 全球海洋環流預報系統的SST 預報與多個系統的相互比較情況，以下是對CGOFS SST 預報的詳細評估。CGOFS 系統的預報偏差隨預報時間變化偏差平均值為負（見圖2a），且隨預報時間呈略微下降趨勢，絕對偏差增大。這說明：總體而言CGOFS全球預報的SST總體較觀測偏冷，且預報技巧隨天數增加略微下降。從系統預報偏差隨時間變化可以看出，系統偏差值約在-0.4～0.2 ℃之間，以負偏差為主；而2016 年5—12 月間存在與其他時段不同的正偏差（見圖2b）。數值預報的誤差主要分系統性誤差和非系統性誤差。系統性誤差和模式性能有關，例如模式動力過程、分辨率和參數化等；非系統性誤差是模式以外的原因造成的。因此，初步判斷2016 年5—12 月間的正偏差是由于非系統性誤差造成的，即觀測誤差以及強迫場誤差等。我們將進一步針對數值預報誤差的來源進行詳細分析，以期為改善數值預報和提高數值預報質量提供重要參考。

CGOFS 全球海洋環流預報系統預報第1 d 的RMSE 值約為0.65 ℃（見圖3），隨預報天數增長，預報誤差呈增大趨勢。由預報的RMSE隨時間變化也可以看出，除少數天數外，預報的RMSE 范圍多在0.5～0.7 ℃左右，系統在某些天數的最大均方根誤差達1 ℃左右。系統性能穩定，誤差可能與外部強迫有關。

圖2 CGOFS全球海洋環流預報系統SST偏差

圖3 CGOFS全球海洋環流預報系統SST的均方根誤差

AC 刻畫的是預報異常與觀測異常的相關性。AC 常用于驗證數值天氣預報的結果，AC 值越接近1越佳，但AC對預報偏差不敏感，好的AC不能保證預報精度更高。CGOFS 預報第1 d 的AC 平均值在0.75 左右（見圖4），隨積分天數的增長下降至0.65左右；預報的AC 隨時間的變化也表明預報與觀測相關的范圍在0.6～0.8左右。

圖4 CGOFS全球海洋環流預報系統的SST異常相關

為了解CGOFS 環流系統在全球各區域的預報誤差，根據IVTT Class4標準劃分了全球大洋各海盆（見表2）。圖5 為系統預報第1 d 在不同海域的RMSE，其中北大西洋和北太平洋的RMSE 值與全球相當，約為0.65 ℃左右；南大西洋誤差最大，約為0.68 ℃；赤道太平洋誤差最小，約0.38 ℃。

圖5 CGOFS全球海洋環流預報系統預報第1 d在不同海域的RMSE

為了更好地理解預報系統的性能，需要將預報場準確性與參考場作對比。在IVTT Class4框架下，有兩個參考場，分別為延續性預報場和氣候態場，所以根據定義，可構造兩個技巧評分，分別為PSS和CSS。圖6 和圖7 分別為相對于延續性預報場和氣候態預報場的技巧評分。對于延續性預報而言，CGOFS 的PSS 大于零，并隨預報天數增加而下降。這說明CGOFS 系統預報的SST 準確性比它自身的延續性場要好（見圖6a）。另外該系統在南北緯40°間大部分范圍內對SST 延續性預報技巧比全球其他區域更高，而在南極繞極流地區的預報技巧較低（見圖6b）。同樣，相對于氣候態預報場來說，CGOFS的氣候態技巧也為正值，系統預報理論上應比氣候態預測準確，CSS 較高區域位于北太平洋西部、赤道太平洋中西部以及北大西洋中高緯地區（見圖7）。

圖6 CGOFS全球海洋環流預報系統的延續性預報技巧

圖7 CGOFS全球海洋環流預報系統的氣候態預報技巧

5 結論及討論

本文基于IVTT Class4的觀測資料和標準，評估了國家海洋環境預報中心中等分辨率業務化全球海洋環流數值預報系統CGOFS。綜上可知，CGOFS 的SST 預報RMSE 范圍在0.65～0.73 ℃，在多個國際業務化系統中預報精度處于中間位置。全球整體預報偏差約為-0.1 ℃，預報較觀測偏冷。預報與觀測的相關性可高達0.6～0.8。且無論對于延續性預報場還是氣候態場而言，其技巧評分皆為正值，說明該系統可用來進行表層海表溫度的預報。

值得注意的是，英國氣象局FOAM 系統預報的誤差增長率雖遠高于其他幾個系統，但由于其是唯一同化了USGODAE 準實時觀測SST 的系統，雖然系統同化的SST 特征隨著模式積分而丟失，但仍可維持其預報時效內誤差小于其他大部分預報系統，這充分說明了近實時觀測對數值預報的重要性。

另外，PSY3 和PSY4 是麥卡托中心基于同一海洋模式、同樣強迫場、同化同樣的觀測資料，但分辨率不同的兩套業務系統，分辨率提高在預報中的優勢并沒有得到很好的體現。Class4標準評估所用的觀測資料是否可以抓住中尺度渦的變化特征？是否可以用來評估渦分辨率系統對中尺度渦的模擬以及現有的Class4標準是否能適用于高分辨率系統中中尺度渦預測能力的評估還需進一步研究。目前，國家海洋環境預報中心基于海洋模式NEMO 研發的高分辨率全球海洋環流數值預報系統已業務化運行，我們未來將對高分辨率對大洋環流預報的影響開展進一步評估。