南海北部强中尺度涡中短期可预报性与适应性观测研究

The South China Sea (SCS) locates in the East Asian monsoon zone where monsoon reverses from summer to winter. In addition, the amount of Kuroshio intrusion from the Pacific to the SCS varies significantly season by season. Therefore, the SCS upper circulations and sea surface forcings show significant differences in winter and summer. The different circulations and sea surface forcings will have impact on the moving passage and energy transition of strong mesoscale eddies in the Northern SCS. These differences also introduce great uncertainty to the forecast of strong mesoscale eddies in the SCS (especially for the forecast of 15-30 days). To solve this problem, this project proposes to use the conditional nonlinear optimal perturbation (CNOP) method for investigating the first predictability problem for the movement and development of strong mesoscale eddies in the SCS under winter and summer conditions. The project also plans to reveal the dynamic mechanism of interaction among the background circulations, surface forcings and the strong mesoscale eddies, as well as the distribution and variation of CNOPs of strong mesoscale eddies in the South China Sea. Then the adaptive observation and Observing System Simulation Experiments (OSSE) will be done to test the adaptive observation results and improve the observation network and assimilation skill of strong mesoscale eddies in the regional ocean model of the SCS.

南海处于东亚季风区内，海表风场以及黑潮入侵南海流量呈现明显的季节性差异，因此南海冬季和夏季上层环流结构呈现出显著的差异。这些季节性差异对南海强中尺度涡的移动和能量转化产生影响，并给南海北部强中尺度的中短期预报（特别是15到30天的预报）带来很大的不确定性。针对这一问题，本项目拟利用条件非线性最优扰动（CNOP）方法，探讨季节性环流场和强迫场影响下南海北部典型强中尺度涡移动和发展的第一类可预报性问题，揭示环流场和强迫场影响强中尺度涡移动和发展的动力机制，以及强中尺度涡中短期预报非线性最优扰动的时空分布特征，在此基础上进行适应性观测和观测系统模拟试验，为完善南海北部区域观测网络布设提供科学依据，以提高南海北部强中尺度涡旋中短期模拟和预报的同化有效性。

南海处于东亚季风区内，海表风场以及黑潮入侵南海流量呈现明显的季节性差异，因.此南海冬季和夏季上层环流结构呈现出显著的差异。这些季节性差异对南海强中尺度涡的.移动和能量转化产生影响，并给南海北部强中尺度的中短期预报（特别是15到30天的预报.）带来很大的不确定性。此外，随着水下移动式观测设备的发展，如何合理布设机动式观测仪器以提高南海预报精度也慢慢成为了一个关键问题，针对这些问题，本项目先是利用卫星遥感和自主再分析产品，分析了南海北部中尺度涡的移动特性和能量变化特征，再利用三维海洋模式POM及其共轭伴随模式结合穆穆院士提出的条件非线性最优扰动方法（CNOP）建立南海区域目标观测模拟系统。将该系统应用于南海北部中尺度涡活跃区的预报中，发现在预报敏感区进行观测对于节约观测成本和提高同化效率有很大作用。进而探讨季节性环流场和强迫场影响下南海北部典型强中尺度涡能量来源的第一类可预报性问题，揭示环流场和强迫场影响强中尺度涡移动和发展的动力机制。在此基础上，利用该目标观测模拟系统可以确定关键海域海洋环境各个变量（如温度、盐度、声速等）的适应性观测敏感区；通过分析敏感区中的误差发展过程，探究初始误差发展的物理机制，进行相应关键环境数据的快速获取；进而结合敏感区的位置及初始误差的发展过程，确定最优化的观测配置和改变机动观测路径规划和空间分辨率方式；然后，通过观测系统为模式模拟输出提供验证试验，验证模式预报的有效性和准确性。该技术应用到南海重点海区的水下滑翔机适用性观测试验，结果证明了该系统能有效指导滑翔机的观测布点，进而提高同化的效果和海洋环境的预报精度。本项目适应性观测和观测系统模拟试验的结果表明，所建立南海目标观测模拟系统以及南海实时预报与同化系统可为完善南海北部区域观测网络布设提供科学依据，以提高南海北部强中尺度涡旋中短期模拟和预报的同化有效性。