利用海表信息反演上层海洋中尺度动力过程的方法研究

Reconstructing ocean's interior from satellite-derived sea surface information through dynamical method has always been an important research topic. In recent years, more and more attentions have been paid to the "interior + surface quasigeostrophic (isQG)" method based on the surface QG theory. The isQG method can satisfactorily reconstruct meso-scale dynamics in the upper ocean from a combination of satellite-derived surface observations (height, temperature, and salinity). However, deficiencies exist in the isQG method which only considers influences of the barotropic and first baroclinic modes: the reconstructability of meso-scale activities with smaller wavelength (larger wavenumber) is not desirable; more importantly, the isQG method cannot be directly applied to the upcoming SWOT high-resolution sea surface height satellite observation (lower-order QG mode combination will falsely project the submeso-scale signal onto the deeper-layer reconstruction). Focusing on the reconstruction of meso-scale dynamics in the upper ocean, the present study is going to improve the isQG method: adding the second baroclinic mode into isQG for a better reconstructability of meso-scale activities with smaller wavelength; adding a damping factor into isQG for a reasonable description of submeso-scale signal's rapid decaying with depth. The present study will provide refined method for the reconstruction of meso-scale activities in the upper ocean from: (1) available satellite-derived sea surface data at present; and (2) upcoming high-resolution sea surface height SWOT satellite data.

结合卫星海表观测和海洋动力学反演海洋内部过程的研究一直以来都是海洋科学领域的热点问题之一。近几年，基于表面准地转理论的“内部+表面准地转（isQG）”反演方法得到广泛关注，该方法可综合利用多种卫星观测（高度、温度、盐度）较有成效地反演上层海洋的中尺度动力过程。但是，只考虑正压和第一斜压模影响的isQG方法仍有一定不足：对空间尺度较小的中尺度过程的反演能力较差；更重要的，不能直接利用即将问世的SWOT高分辨率海表高度卫星观测开展反演（次中尺度信号会被错误地投影至较深层的反演结果中）。本项目着眼于中尺度动力过程的反演，针对上述不足改进isQG方法：加入第二斜压模，提高对空间尺度较小的过程的反演能力；加入衰减因子，以能合理刻画次中尺度信号随深度的迅速衰减。本项目实施所得方法：（1）能更有效地利用现阶段卫星资料反演上层海洋中尺度动力过程；（2）为充分利用SWOT卫星资料开展反演工作打下先行基础。

基于卫星海表观测反演海洋内部动力过程的研究一直以来都是海洋科学领域的热点问题之一。本项目首先从“内部+表面准地转（isQG）” 方法出发，深入分析该方法的局限性。由于isQG方法只考虑了正压模态和第一斜压模态信号，其不能合理地反演（水平）空间尺度较小的动力过程。因为较小尺度的运动主要反映更高阶斜压模态的信息，它们会被错误地投影至深层的反演结果中。为迎接即将问世的SWOT高分辨率海表高度卫星观测数据，本项目基于isQG框架提出了一个更为先进的反演方法（称之为L19）。具体地，本项目利用“有效表面准地转（eSQG）”理论构造垂向衰减因子（该因子可以综合刻画更高阶斜压模态的垂直结构信息），并探索如何把此衰减因子与isQG方法合理结合，从而提出L19反演方法。本项目利用高分辨率海洋模式OFES数据在黑潮延伸体海域开展方法验证。验证结果表明，L19方法可以利用海表高度、温度、盐度有效地反演上层海洋（1000米之上）的密度场和水平地转流场。基于L19（密度和水平地转流速）反演场，本项目结合绝热准地转Omega方程诊断上层海洋的垂直速度，并在混合层以下得到令人鼓舞的结果。进一步，考虑海洋上混合层中较强的湍流效应，本项目在绝热准地转Omega方程中引入一个理想的湍流参数化方案，有效地改善了混合层中垂直速度的诊断结果。本项目所提出的L19方法，一方面可更合理地利用现阶段卫星资料反演上层海洋中尺度动力过程，另一方面可适用于未来的高分辨率SWOT卫星资料开展反演工作。三年的深入研究取得了丰硕成果。在项目支持下，项目组在国际主流学术期刊发表SCI收录论文三篇。