海面高度与流速同步观测中波浪与涡旋运动的动力学解耦方法及其应用

本研究针对宽幅卫星（如SWOT和ODYSEA）同步观测的海面高度（SSH）与流速（SSV）数据，提出了一种基于动力学原理的波浪（wavy）与涡旋（vortical）运动解耦方法。通过利用波浪运动不产生位涡异常的特性，研究人员在单次同步观测条件下实现了两类运动的有效分离。数值模拟验证表明，该方法简单高效，为宽幅卫星观测数据的应用提供了新工具，对理解海洋混合过程具有重要意义。

　　

海洋中存在着两种基本运动形式：涡旋运动（vortical motions）和波浪运动（wavy motions）。前者如大尺度洋流、中尺度涡旋和亚中尺度过程，主要通过等密度面混合影响物质输运；后者如内重力波（IGWs）和潮汐，则通过产生小尺度湍流促进垂向混合。传统高度计受限于一维观测和低分辨率，难以区分这两类运动。随着SWOT、ODYSEA等宽幅卫星的发射，二维海面高度和流速的同步观测成为可能，但如何从单次快照数据中分离两类运动仍是挑战。

针对这一问题，中国的研究团队提出了一种基于位涡守恒原理的动力学解耦方法。该方法的核心在于利用波浪运动不产生位涡异常（potential vorticity anomaly）的特性，通过求解位涡反演方程，从同步观测的SSH和SSV数据中分离出涡旋分量，剩余部分即为波浪分量。研究采用高分辨率数值模拟LLC4320的输出数据进行验证，结果表明该方法能有效识别西南向传播的内重力波（如吕宋海峡生成的潮汐内波）和涡旋结构。

关键技术包括：1）基于位涡异常的涡旋分量提取；2）利用LLC4320模拟数据构建验证场景；3）空间滤波和偏振关系分析。研究区域涵盖南海和黑潮延伸体，重点关注波浪运动的水平散度（χ）和相对涡度（ζ）特征。

数学公式
研究指出波浪运动的偏振关系和频散关系决定了其位涡异常为零，据此建立动力学框架。

分解结果
在南海区域，分解后的波浪分量清晰显示出吕宋海峡生成的西南向传播内波，其水平散度和涡度场呈现典型波动特征；而涡旋分量则捕获了中尺度涡旋的准地转特性。黑潮延伸体区域的分解进一步验证了方法对强流背景场的适用性。

总结与讨论
该研究为宽幅卫星数据的应用提供了创新工具，特别适用于低频观测场景下的运动分离。未来可结合机器学习优化计算效率，并扩展到更复杂的多尺度相互作用分析。研究结果对理解海洋能量串级和混合参数化具有重要价值。

资助与数据
研究受中国国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持，数据来自NASA的LLC4320模拟，代码已开源。