基于表准地转理论的卫星观测海表数据同化方法研究

The rapidly increasing satellite sensing sea surface temperature, salinity and height data provides a plenty of sea surface information. These data are important data sources for the ocean numerical forecast and reanalysis. However, the satellite data can only supply the sea surface information. Therefore how to effectively assimilate satellite sensing sea surface data has become the research frontier in the oceanic data assimilation field. The previous methods about satellite sensing sea surface data assimilation have an obvious limitation,that is,short of sufficient dynamics theory basis when projecting the sea surface information onto the subsurface.Recently,it was suggested that the surface quasi-geostrophic dynamics theory can better explain the dynamic process of the satellite sensing sea surface data.Thus, this study will explore how to apply surface quasi-geostrophic dynamics theory to the satellite sea surface data assimilation in order to address the issue metioned above. This study will attempt to develop a multi-scale three-dimensional variational method with the resonable dynamic constraints to extract the coherent multi-scale space-time information from satellite observations and model variables. The new method suggested by this study with more complete and reasonable basis of the dynamics theory can jointly assimilate satellite sea surface temperature, salinity and height data. This method is expected to advance the ability of the ocean numerical forecast and reanalysis. Therefore, the research not only has science significance, but also has practical value.

卫星观测海表温度、海表盐度和海面高度资料日益增加，为人们提供了海量的海表监测信息。然而，卫星观测资料只能提供海洋表层观测信息，如何有效地通过同化卫星观测资料获得海洋次表层结构信息是近年来海洋数据同化研究领域前沿课题之一。目前，关于卫星观测海表数据同化研究存在的突出问题是：利用卫星观测海表数据反演海洋次表层信息时的动力学依据不足。最近研究发现，利用表准地转理论（surface quasi-geostrophic theory）能够更好地解释卫星观测海表数据所呈现的动力学过程。因此，本研究拟将表准地转理论引入到卫星观测海表数据同化中，发展一种动力学依据充分的卫星观测海表数据同化方法，联合同化海表温度、盐度和海面高度，获得海洋次表层多尺度信息；基于多尺度三维变分同化方法，综合利用卫星观测数据的互补性及多尺度信息，提高海洋状态分析场的精度。本研究不但具有重要的科学意义，而且具有广泛的实际应用价值。

尽管来自于现场观测的温盐剖面资料逐渐增多，但目前现有的温、盐剖面现场观测资料仍不足以描述海洋内部结构和变化规律，不能完全分辨海洋的中尺度过程和海洋上层的热盐结构，难以构造完备的三维温盐流数值预报初始场。而另一方面，随着卫星观测技术的不断发展，卫星观测海表温度、海表盐度和海面高度资料日益增加，为监测海洋表层提供了大量覆盖范围广、精度和空间分辨率较高、时间连续性较强的实时和准实时的信息。但是，卫星观测资料只能提供海洋表层信息，如何将卫星监测的海面信息映射到海洋内部，从而反演海洋内部结构特征及其变化信息，为三维温盐流数值模式提供初始场，实现对三维温盐流的实况分析和现报与预报，是海洋数据同化领域中亟需解决的前沿难题。.目前，卫星观测海表数据同化存在的突出问题是利用卫星观测海表数据推演次表层信息时动力学依据不足。本研究的主要目的是将表准地转理论引入到卫星观测海表数据同化中，主要研究内容包括基于表准地转动力学的卫星观测海表数据同化方法理论研究、海洋表层场与海洋次表信息之间动力学关系研究以及多尺度三维变分数据同化方法研究等。.本研究取得的主要成果包括以下三个方面：基于表准地转理论，建立了表层信息与次表层信息之间的映射关系模型，解决了卫星海表数据同化中的关键技术；将扩散方程引入到三维变分分析，建立了基于扩散滤波的多尺度三维变分同化模型；将开发的数据同化方法应用于热带气旋与海洋的相互作用以及ENSO研究中，取得了多项创新性成果。研究成果对于提高海洋动力环境分析与预测能力具有重要的意义。