1.海洋中尺度涡旋的多源探测算法

工程中心依托海洋现场一体化观测基地建设平台，围绕海洋中尺度涡旋的自动识别与追踪技术、拉格朗日框架下的海洋涡致热量与淡水输运、对大气的影响、以及与海洋渔业生产的关系等方面，开展了深入的研究。在海洋中尺度涡旋的多源探测算法、涡致热盐输运、涡旋与渔业生产的关系、大气对大气的影响等方面，取得了重要的原创性成果，并具有重大的业务化转化及推广应用能力。主要研究内容和科学应用价值如下：（1）从流场的几何特征角度定义了海洋中尺度涡旋，基于该定义，原创性地发展了基于欧拉数据的涡旋自动探测和追踪算法，该算法成功应用于卫星高度计、海表温度等数据，从而实现了多源卫星数据的涡旋识别；对于拉格朗日数据，引入“回路”的概念，建立了自动探测轨迹中的“回路”的算法，从而实现了海表漂流浮标数据的涡旋探测；从卫星遥感SAR资料中获得次中尺度涡旋的信息；为了便于推广和应用，开发了具有业务化运行能力的多源卫星及漂流浮标资料的海洋中尺度涡旋自动探测可视化系统。（2）首次提出在拉格郎日动力框架下计算涡旋诱导的海洋热量和淡水输运，定量地给出了全球大洋内中尺度涡旋所导致的热盐输运贡献及其机制，指出由于涡旋的强非线性和保守性，涡致热量和淡水输运主要由涡旋自身的移动所导致，涡致输运在热带海洋总经向热输送中所占比例可达20～30%。（3）基于黑潮延伸区海洋涡旋对大气的影响研究，提出涡旋对该区域局地海表风速、热通量、云水含量、降水、大气瞬变扰动强度等均有不可忽略的影响，并量化了影响的强度、特征；通过理想试验，揭示了涡旋影响大气的动力学机制。（4）通过分析黑潮延续体海域历史渔业捕捞数量与涡旋特征的关系，从统计角度分析了涡旋各特征参数（位置、强度、大小、生命周期等）对钓捕作业渔获量的影响，其结论对我国渔业捕捞、渔场建设等具有重要的指导意义。涡旋探测技术、可视化系统、及涡旋对大洋输运、大气、渔业的影响相关研究成果为我国涡旋及相关领域研究提供了技术支持和理论指导。上述研究成果共发表学术论文20余篇，被SCI收录19篇，CSCD收录1篇，代表性学术论文在《Nature communications》、《Scientific reports》、《Journal of Geophysical Research》、《Progress in Oceanography》、《Journal of Physical Oceanography》、《Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers》等国际海洋、大气、遥感领域的权威学术期刊上发表，并出版专著《海洋涡旋探测与分析》，得到了国际同行的广泛认可和高度评价（论文查新数据显示，共被SCI论文引用366次）。该项目于2016年获得国家海洋局海洋科学技术奖二等奖。例如：基于全球漂流浮标数据，发现了在东中国海内部黑潮路径上海洋涡旋的对称性（图1）。黑潮路径的东西两侧分别主要被气旋涡和反气旋涡占据。该现象的成因主要是由于黑潮流轴两侧速度的剪切引起的。1/64度的高分辨率海洋环流模式产品（ROMS）也被应用于该问题的研究之中。该模式是由气候态NCEP风场和大气通量产品以及SODA气候态大气通量产品作为边界共同驱动。该产品十分适合中尺度涡旋的研究，其结果印证了观测系统中发现的黑潮流轴两侧涡旋的对称性现象（图2）。

图1.基于全球漂流浮标数据通过检测到的海洋涡旋。蓝色和红色分别表示气旋涡与反气旋涡。浅色箭头代表平均海流，而深黑色线表示黑潮轴线。

图2.沿黑潮的涡旋的数目。蓝色和红色分别表示气旋涡与反气旋涡。水平线“0”表示黑潮的主轴。

2.多源数据综合应用技术

多源资料的丰富为海洋气象预报提供了多维多尺度多要素环境，为更准确地进行海洋气象预报提供了现代技术的保障。但是多源资料具有各自坐标系，各自数据格式，各自系统平台与展示平台，互相不兼容。因此进行数据融合技术、数据综合应用技术，以及数据同化技术成为目前的研究热点之一。

1)HY2卫星SST资料与海岸站点SST资料融合技术

对国家海洋卫星应用中心的HY-2卫星SST反演数据与在我国东部海岸海洋站点监测ＳＳＴ数据，结合再分析格点资料进行融合处理。通过对三类数据的多重方法预处理，并采用美国LAPS（Local Analysis and Prediction System）区域数据分析与预报系统进行三类数据的融合，生成适合多要素诊断计算的规范化的区域再分析数据（如图3）。

图3.数据融合及效果（ａ）台站与卫星SST，（ｂ）格点再分析数据（ｃ）融合后的SST数据场

2)FY3A卫星水汽资料与格点再分析资料综合应用技术

通过将FY-3A卫星反演的大气水汽混合比进行数据处理与验证，将卫星数据从拉格朗日坐标系向欧拉坐标系转换，并与格点再分析资料对应使用，突出卫星数据的精细化特点，尤其是大气混合比与格点流场配合，形成对雨区的良好指示性。同时以FY-3A湿度产品计算的大气低层(1000~850 hPa)可降水量、以及降水区对应的假相当位温高能区及高能锋区，均与降水强度呈正比关系。将卫星水汽资料诊断方法应用于近海海域，可估测系统强降水落区以及降水强度（如图4），有利于改善海上缺乏降水观测站的问题。

图4.数据综合对应诊断（ａ）降水量分布，（ｂ）预处理后的FY-3A卫星水汽数据分布（ｃ）卫星水汽产品与格点再分析辐合流场对应应用。

3.全球海表面温度的持续性特征

利用1870–2009哈德利中心的海冰和SST（HadISST）的月平均数据集提供的全球月平均海表温度（SST）数据，研究了全球海表温度的波动，结果显示SST具有正长程相关（图5）。长程相关指数值在热带地区比在南北半球的中纬度地区的值大。全球(600S~600N)，北半球(00N~600N)，和南半球(00S~600S)的长程相关指数等于0.87；在南半球中纬度(300S~600S)的长程相关指数等于0.84；在北半球中纬度(300N~600N)的长程相关指数等于0.81；热带300S~300N的长程相关指数等于0.90，月海温异常都显示出长期相关行为。此外，较大的标准偏差的海温，一般对应较小的长程相关性，特别是在三个不同的上升流区，暗示了海洋变率的可预报性。

图5.指数的全球分布（指数χ=α*δ）α代表标度指数，δ代表标准差

4.利用雷达图像首次观测到次中尺度非线性Ekman运动

图6.雷达图像首次观测到次中尺度非线性Ekman运动机制。