海洋中尺度涡广泛分布于全球大洋，直接调控海洋热量、动量与物质输运过程，显著调制海气相互作用机制，是决定海洋状态演变的关键动力过程。依托观测与资料同化准确初始化海洋中尺度涡，是提升海洋环境及关联天气气候事件预报精技巧的核心基础，同时也是当前海洋环境业务预报中亟待突破的核心痛点与难点。
传统海洋观测布局与资料同化方案多采用均匀布设思路刻画中尺度涡，该方案难以适配中尺度涡的强非线性动力学属性，无法实现有限观测资源的最优配置与预报效能最大化。针对该问题，中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟与应用全国重点实验室段晚锁研究员与中国海洋大学姜琳博士合作，依托自主提出的条件非线性最优扰动（CNOP）方法，聚焦海表高度异常（SSHA）预报需求，系统开展了中尺度涡目标观测问题的研究，为准确刻画中尺度涡、提升海洋状态预报水平提供了经济高效的新型观测与同化策略。
研究表明，f平面近似条件下，中尺度涡最快增长初始误差集中分布于涡旋沿旋转方向流速由大到小的梯度大值区，呈正负相间径向切变结构，证实涡旋内高-低流速梯度区是决定SSHA预报精度的核心敏感区。针对海洋中尺度涡普遍成对分布的特征，研究进一步明确不同旋转关系涡对的敏感区分布存在显著异质性：反向旋转涡对的敏感区仅分布于各自涡旋内部的高-低流速梯度区；同向旋转涡对除涡内敏感区外，两涡旋之间还存在一处此前被忽略、却对SSHA预报起关键作用的核心敏感区。在此基础上，引入更贴近实际海洋环境的β平面近似，进一步揭示中尺度涡目标观测敏感区存在显著纬度依赖性：不同纬度带中尺度涡的敏感区均与高-低流速梯度直接相关，但主导机制存在差异——高纬度涡旋敏感区集中于涡旋内部最强的高-低流速梯度区；低纬度涡旋敏感区不仅受流速梯度强度调控，还受梯度区内纬向流向的调制，当高-低流速梯度与东向流速分量叠加时，即便流速梯度强度偏弱，仍可形成SSHA预报的高敏感区（图1）。
上述敏感区的物理机制可通过正压不稳定及其受行星β效应的调制作用得到合理解释。f平面近似条件下，涡旋内部流速快变特征主导的正压不稳定，最利于切变结构型初始误差从涡旋系统中汲取能量快速增长，进而成为SSHA预报误差的核心初值源。针对同向旋转涡对，涡-涡相互作用改变了涡间局地流场的稳定性，强化了扰动的能量转换与增长效率，使得涡间区域成为独立于涡内正压不稳定驱动敏感区之外的关键初值敏感区。与此同时，随纬度变化的行星β效应进一步调整流速梯度强度与纬向流流向对扰动增长的相对贡献权重，最终使预报敏感区呈现出显著的纬度依赖特征。
图1. （a）背景流初始速度场；（b–c）,（d–e）和（f–g）分别代表在高纬、中纬和低纬地区叠加在背景场上的CNOP型初始扰动。
针对上述敏感区，研究团队进一步依托观测系统模拟试验开展效能评估：与随机布设观测方案相比，优先在CNOP识别的初值敏感区开展观测并实施资料同化，可显著提升SSHA预报效果；若进一步结合CNOP初始误差的切变结构优化观测阵列布局，预报能力可实现更大幅度提升（图2）。研究还将上述理论成果拓展至真实海洋场景，利用黑潮延伸体海域多源观测与再分析资料，验证了中尺度涡敏感区在实际海洋环境预报中的有效性。结果同时表明，当大尺度背景流具备较强正压或斜压不稳定性时，中尺度涡敏感区的目标观测可呈现更显著的预报增益效果。
图2. 中尺度涡敏感区内随机确定的30种观测和同化策略G1-G30，及其对SSHA预报技巧的改进程度。
上述系列研究构建了从初值敏感区识别、动力机制阐释、观测系统模拟试验到实际海域验证的完整研究链条，厘清了中尺度涡目标观测中“优先观测区域划定、观测阵列优化布设”的核心科学问题，为低成本开展海洋观测、提升中尺度涡刻画精度、增强海洋状态预报能力提供了高效的新型观测和同化策略，也为突破传统均匀观测模式、开展面向关键敏感区的中尺度涡目标观测外场试验提供了坚实科学依据。
以上系列成果相继发表在Journal of Physical Oceanography, Frontiers in Marine Science, Journal of Geophysical Research: Oceans, Journal of Advances in Modeling Earth Systems上, 以下是论文相关信息：
1. Jiang Lin, Duan Wansuo, Wang Hui. 2026. Latitude‐Dependent Sensitive Areas for Targeted Observations of Mesoscale Eddies Associated With Sea Surface Height Anomaly Forecasts. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 18, e2026MS005831.
2. Jiang Lin, Duan Wansuo, Wang Hui. 2024. The Sensitive Area for Targeting Observations of Paired Mesoscale Eddies associated with Sea Surface Height Anomaly Forecasts. Journal of Geophysical Research: Oceans, 129, e2023JC020572.
3. Jiang Lin, Duan Wansuo, Wang Hui, Liu Hailong, Tao Lingjiang. 2023. Evaluation of the sensitivity on mesoscale eddy associated with the sea surface height anomaly forecasting in the Kuroshio Extension. Frontiers in Marine Science, 10:1097209.
4. Jiang Lin, Duan Wansuo, Liu Hailong. 2022. The most sensitive initial error of sea surface height anomaly forecasts and its implication for target observations of mesoscale eddies. Journal of Physical Oceanography, 52(4): 723-740.