海洋中尺度涡的识别、合成与理论模型

The ocean mesoscale eddies are very important in ocean science, and there are lots of studies on the these eddies. However, they are still mysterious due to the lack of proper theory and enough observations. Even now, there still is a debate on how to identify the eddies, and we are still in confusion about the geometry shape and three dimensional (3D) structure of the eddies. These disadvanteges lead to a hard way to the knowledge of eddy's property. The further studies associated with the eddies, e.g., eddy-mean flow interaction and eddy-eddy interaction, require a clear identification and description of the eddies. This study tries to estabilish an eddy model according to both the geophysical fluid dynamics theory and the observations, to obtain the eddy's characteristic parameters with the analytical approach, to develop the eddies identification method with the sea surface height data, to composite the eddies's 3-D structure with the Argo data. The study will provide useful theory and method for future works, e.g., the eddy-mean flow interaction, which is valuable to understand the general ocean circulation and its short time variabilities.

海洋中尺度涡是海洋物理环境的一个重要组成部分，自发现以来一直为海洋学家所重点关注。虽然人们对海洋中尺度涡的研究已经进行了几十年，但是由于在理论和观测上的不足，目前取得的成果却相当有限。人们甚至对如何识别中尺度涡，以及它的三维结构是什么样等这些最基本的问题都缺乏清晰的认识。这导致对中尺度涡的基本性质、它和流动的相互作用等各方面的研究缺乏一个可靠的前提和基础。本项目拟结合卫星遥感高度计资料，发展中尺度涡的客观识别方法；结合Argo资料，合成中尺度涡的三维结构；从地球流体力学基本理论和目前的观测事实出发，建立中尺度涡的理论模型；结合解析方法，获取描述中尺度涡的特征参数。项目成果将获得中尺度涡的识别算法，建立中尺度涡的三维结构模型。这为未来系统地研究涡-流相互作用提供技术和理论支持，为更深入地理解大洋环流的短期变化提供帮助。

海洋中尺度涡是海洋环境的一个重要组成部分，自发现以来一直为海洋学家所重点关注。但人们对如何识别中尺度涡，以及它的三维结构这些最基本的问题都缺乏清晰的认识。这导致对中尺度涡的基本性质、它和流动的相互作用等各方面的研究缺乏一个可靠的前提和基础。本项目基于目前的卫星高度计观测出发，获取描述中尺度涡的特征，发展中尺度涡的客观识别方法；结合统计结果及数学分析，建立中尺度涡的理论模型；结合Argo资料，研究中尺度涡的三维结构对台风的响应。该项目取得了如下成果：（a）提出单核海洋中尺度涡识别概念，建立了基于分水岭模型和最速下降法的快速中尺度涡分割算法，并建立了中尺度涡合并分裂的演化模型（GEM模型）、快速算法及程序。（b）利用上述程序生成了中尺度涡数据产品，统计得到了最典型的海洋中尺度涡模型，并对全球海洋中尺度涡粘性系数进行了计算，提出了新的涡粘性系数参数化方案。（c）应用上述数据产品和模型，研究了海洋中尺度涡对台风的响应。发现中尺度涡内存在强烈的辐合、辐散现象，对海洋物质输送及气候变化有影响。GEM涡模型、算法及程序在国际上为首创，是具有完全自主知识产权的产品。且它的运算速度极快，比现有算法程序运行速度提高了1000倍以上，能够应用于当前及未来高分辨率数值模拟所产生的大数据分析，这是以往算法和程序所不能完成的。此外，项目生成的GEM涡数据为研究海洋中尺度涡合并、分裂等动力演化现象提供了广泛的数据集，对于研究海洋中尺度涡以及次中尺度现象都具有重要的科学意义。上述成果在J. Geophys. Res. Oceans（2篇）、Ocean Science（2篇）等海洋主流期刊上发表8篇论文，目前论文SCI引用次数约40次。