基于多平台协同观测的黑潮延伸体海域中尺度涡旋三维结构解析

《Scientific Data》：Three-Dimensional Observations of a Mesoscale Eddy in the Kuroshio Extension Based on Multiple Platforms

为解决中尺度涡旋三维结构观测分辨率不足的难题，研究团队通过船载CTD、7台水下滑翔机和20个表面漂流器组成的多平台系统，对黑潮延伸体海域气旋式涡旋开展同步观测，成功构建高分辨率三维数据集。该研究为SWOT卫星数据验证、涡致垂向输运估算及涡分辨率海洋预报系统优化提供了关键支撑。

　　

在浩瀚的海洋中，存在着直径数十至数百公里的"海洋天气系统"——中尺度涡旋。这些巨大的水体漩涡如同大气中的气旋和反气旋，主导着海洋动能的分布，在热量输送、碳循环和营养物质输运过程中扮演着关键角色。然而，由于观测手段的限制，科学家们长期以来难以精确捕捉这些涡旋的三维全貌，这成为制约海洋环流研究和气候预测精度提升的重要瓶颈。

传统观测手段各具局限性：卫星高度计只能探测海表面高度异常，无法获取海洋内部信息；Argo浮标虽然能提供温盐剖面，但其约300公里的水平分辨率难以解析中尺度涡旋的精细结构；而船载调查虽能获得高精度垂直剖面，但受航行时间限制，通常只能获取有限断面的数据，难以覆盖整个涡旋区域。正是这些观测技术上的空白，激发了海洋学家对新型观测方式的探索。

近期，由崂山实验室、中国海洋大学和北京大学等机构研究人员组成的团队在《Scientific Data》上发表了一项创新性研究。该研究于2024年9月7日至21日在黑潮延伸体这一中尺度涡旋活跃海域，开展了一次针对气旋式涡旋的多平台协同观测。研究团队巧妙整合了船载CTD（温盐深剖面仪）、7台自主水下滑翔机和20个表面漂流器，结合新发射的SWOT（表面水与海洋地形）卫星的同步过境数据，成功构建了迄今为止最为完整的中尺度涡旋三维结构数据集。

这项研究的独特价值在于其创新性的自适应观测策略。面对水下滑翔机推进速度（约0.3米/秒）远小于涡旋流速（可达1米/秒）的挑战，研究团队开发了动态导航控制系统。该系统每日更新涡旋中心位置，并基于实时海流估计动态调整滑翔机航点，引导滑翔机沿涡旋切向运动，实现了对目标涡旋的高效、全覆盖采样。与传统的长期监测或固定断面观测不同，该研究采用了时间最优的网络化策略，结合初始穿涡断面和沿流环绕观测，在两周内快速重建了涡旋的三维结构。

关键技术方法方面，研究团队综合利用了多种先进海洋观测技术：通过船载SBE 911plus CTD系统获取高精度温盐剖面；利用7台Petrel-L水下滑翔机搭载Sea-Bird GPCTD传感器进行自适应采样；布放20个表面漂流器记录表层流场；结合船载ADCP（声学多普勒流速剖面仪）和气象站进行连续观测。所有设备均经过国家海洋标准计量中心检定，数据经过严格质量控制。

研究结果部分，通过多平台数据的交叉验证，证实了观测数据的高可靠性。温度-盐度图显示，在涡旋核心区300米以深水域，船载CTD与滑翔机测量的T-S关系高度一致，ensemble平均温度剖面在0-800米水深差异仅为0.09°C，远小于各ensemble内部的标准偏差。而在涡旋边缘区域，由于水团性质变化剧烈，T-S关系相对分散，这反映了该区域更强的时空变异性。

在涡旋结构解析方面，研究成功捕捉了气旋式涡旋的典型特征：海表面高度异常呈现明显凹陷，伴随强烈的切向流场。通过将滑翔机轨迹调整至以涡旋中心为参考的坐标系，有效减少了因涡旋移动（约3.0公里/天向西北方向平移）导致的时空混淆问题，使采样点分布更加均匀。这种坐标转换方法为准确重构涡旋三维结构提供了重要技术支撑。

数据质量验证显示，不同观测平台之间具有高度一致性。对于时空邻近的配对剖面（相距10公里内、6小时时间窗），船载CTD与滑翔机测量的温盐剖面吻合良好。设备均经过严格标定，船载CTD遵循JJG763-2019国家计量检定规程，水下滑翔机传感器在布放前均经过同等标准的校准，确保了数据的准确性和可靠性。

该数据集的重要科学价值体现在多个方面。首先，它为新发射的SWOT卫星提供了宝贵的地面验证数据。研究发现SWOT测量的海表面高度异常与DUACS（数据同化与高度计组合系统）产品存在差异，高分辨率的现场观测不仅能评估SWOT数据的精度和噪声水平，还有助于将海表面高度信号分解为平衡过程与非平衡过程的贡献。

其次，该研究为估算涡致垂向输运提供了独特机会。通过整合三维温盐观测和表层流场数据，可利用热风关系计算三维地转流，进而基于准地转omega方程推断垂向流速。这对理解涡旋在垂向热量和物质输运中的作用具有重要意义，而这一量值至今仍缺乏充分的观测评估。

此外，数据集对改进涡分辨率海洋预报模式具有重要价值。当前数值模式在中尺度涡旋统计特征模拟中存在显著偏差，高分辨率、全覆盖的现场观测为模式参数化方案改进和验证提供了基准数据。

研究团队在Zenodo平台公开共享了完整数据集（DOI:10.5281/zenodo.17206966），包括船载CTD、水下滑翔机、表面漂流器、走航ADCP和气象数据等子集。同时提供了涡旋中心轨迹文件（eddy_center.xlsx）和坐标转换Python脚本（eddy_movement_adjustment.py），方便用户进行以涡旋为中心的相对位置分析。

这项研究通过多平台协同观测策略，成功突破了中尺度涡旋三维观测的技术瓶颈，为海洋涡旋研究提供了新的范式。其所获得的高质量数据集不仅有助于深化对黑潮延伸体区域海洋动力过程的理解，也将推动卫星海洋学发展和海洋数值模式进步。随着类似观测策略的推广应用，科学家有望更全面地揭示中尺度涡旋在海洋环流和气候变化中的作用，为精准预测海洋环境变化提供科学基础。