海洋流场作为海洋动力系统的核心要素之一，其对海洋动力过程、气候系统以及海洋生态系统均有深远的影响。然而，受海洋风场、地转效应等多种复杂因素的共同影响，海洋流场展现出高度的复杂性和变异性。相较于海洋温度和海洋盐度，海洋流场的观测数据相对匮乏，这也极大地增加了海洋流场重构的难度。海洋流场重构的相关研究成果较少，且主要依赖于动力学方法。然而，动力学模型在参数化复杂的动力学过程以及获取模型的边界条件信息方面存在局限性，因此在重构海洋流场时容易产生较大误差。
鉴于当前基于统计学方法的海洋内部流场重构研究尚显不足，为了验证其在海洋内部流场的重构效能，本文首先采用光梯度增强机器算法（Light Gradient Boosting Machine，LightGBM），构建了海表多源卫星观测与1000米深度处地转海洋学实时观测阵（Array for Real-Time Geostrophic Oceanography，Argo）的水平流之间的回归模型，实现了对南大洋1000米深度流场的重构。通过与Argo流场数据验证，LightGBM模型在描绘南大洋流场的时空特征方面优于多个再分析数据集。从定量上看，LightGBM 模型重构的流场与Argo流场大小的相关系数为0.78，均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）为4.07 cm/s，相较于海洋环流和气候估算模式（Estimating the Circulation and Climate of the Ocean，ECCO；其相关系数为0.51，RMSE为6.83cm/s）、全球海洋数据同化系统（Global Ocean Data Assimilation System，GODAS；其相关系数为0.26，RMSE为6.48cm/s）、全球海洋物理再分析（Global Ocean Physics Reanalyisis，GLORYS12V1；其相关系数为0.65，RMSE为6.0cm/s）和海洋再分析系统 5（Ocean Reanalysis System 5，ORAS5；其相关系数为0.27，RMSE为7.3cm/s），其精度表现更为优越。通过对重构流场多年趋势分析，揭示了自20世纪90年代以来，南大洋1000米深度流场的呈现了统计学上显著的增加，这为南大洋平均环流深层加速提供了新证据。
针对统计学方法在全水深水平流场重构中观测数据匮乏的难题，本文进一步提出了一种结合动力模态分解技术、海表卫星观测和Argo流场数据来重构海洋全水深水平流场的方法。动力模态分解被用于计算海洋流场的垂向动力模态系数，以此作为海洋流场的“代理”，以降低海洋流场的垂向维度，从而克服观测资料不足的限制。对海表观测的敏感性分析和重要性测试结果表明，海表流场在内部流场重构中占主导地位，同时海表高度、海表温度以及海表风场也对内部流场重构有积极贡献。Argo流场数据的验证结果显示，本研究选择的海表观测组合能够捕捉超过90%的正压模态变化以及超过80%的第一斜压模态变化，且重构流场展示了与Argo流场高度一致的空间特性。利用多普勒流速剖面仪（acoustic doppler current profiler，ADCP）实测流场的评估结果表明，重构流场的纬向速度相关系数达到0.78，经向速度相关系数达到0.74，并且在各个深度的精度均优于GLORYS12V1流场。相较于LightGBM模型，基于动力模态分解的重构模型在1000米深度的精度基本相当，这进一步验证了采用垂向动力模态系数作为“代理”的重构策略的有效性。该方法不仅保持了水平流场重构方面的高性能，还有效解决了观测数据不足带来的挑战，实现了海洋内部流场的重构。
最后，本文在德雷克海峡区域进行了全水深流场的重构，并估算了南极绕极流在德雷克海峡的总体积输运。与再分析数据的流场对比结果表明，重构的平均流场展示了与GLORY12SV1流场高度一致的空间特征；通过与重复的船测ADCP项目（简称为SADCP）观测流场断面对比，重构流场展现了与之非常吻合的流场横断面结果；与德雷克海峡阵列观测项目海底速度对比显示，重构的海底速度相关系数达到了0.7。对体积输运垂向分布分析显示，大约40%的体积输运发生在1000米以下的深度，因此准确确定深层海洋的流场状态对于估算南极绕极流在德雷克海峡的体积输运是至关重要。综合多年观测数据，本研究估算出南极绕极流在德雷克海峡的总体积输运量为164±2Sv，为深入理解南极绕极流的动态变化提供了重要依据。
 

第1章 绪论    1
1.1 选题的背景、意义与依据    1
1.2 国内外研究进展与现状    3
1.2.1 海洋流场监测现状    3
1.2.2 海洋流场重构方法进展    5
1.2.3 南极绕极流总体积输运估算的现状    7
1.3 本文的研究工作    8
1.3.1 利用卫星与Argo数据的南大洋1000米水平流场的重构    9
1.3.2 基于动力模态分解的海洋内部流场重构方法研究    9
1.3.3 南极绕极流在德雷克海峡的平均体积输运估算    9
第2章 利用卫星与Argo数据的南大洋1000米水平流场的重构    11
2.1 数据资料介绍    11
2.1.1 卫星海表资料    11
2.1.2 Argo流场产品    12
2.1.3 再分析海洋流场产品    13
2.2 海洋流场重构方法与过程    13
2.2.1 LightGBM基本理论    13
2.2.2 南大洋1000米流场重构过程    14
2.3 流场重构模型确定与精度评定    16
2.4 重构流场与再分析流场产品对比    19
2.5 南大洋1000米流场检索与分析    26
2.6 本章小结    28
第3章 基于动力模态分解的内部流场重构方法研究    30
3.1 引言    30
3.2 数据资料介绍    30
3.2.1 海表观测资料    31
3.2.2 海洋流场资料    32
3.2.3 气候态海水温度与盐度    33
3.3 全水深水平流场重构方法介绍    34
3.3.1 海洋垂向动力模态分解    34
3.3.2 全水深流场重构模型构建    36
3.4 重构模型精度评定    39
3.4.1 重构的动力模态的系数的表现    39
3.4.2 重构流场与Argo流场对比    43
3.4.3 重构流场与ADCP流场对比    47
3.5 本章小结    51
第4章 南极绕极流在德雷克海峡的总体积输运估算    53
4.1 引言    53
4.2 数据资料与方法    54
4.2.1 数据资料情况    54
4.2.2 方法介绍    56
4.3 结果与分析    56
4.3.1 德雷克海峡平均流空间分布情况    56
4.3.2 重构流场评估    59
4.3.3 ACC平均总体积输运的估计    63
4.4 本章小结    66
第5章 结论与展望    68
5.1 主要结论    68
5.2 下一步研究与展望    69
参考文献    70
致  谢    79
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果    81