中尺度涡作为海洋中广泛存在的一种中尺度海洋现象,对全球海洋热量和物质输运具有重要影响,从而对全球气候变化起着重要的调节作用。研究中尺度涡三维结构有助于理解海洋中尺度现象动态变异。然而,由于缺乏高分辨率观测数据,至今对中尺度涡精细化三维温盐和生物地球化学结构的认识还不全面。水下滑翔机观测网可携带多种传感器,同步获取不同位置的海洋信息,实现长时序、大范围、高精度、多参数、三维连续海洋特征观测。本文面向海洋中尺度涡三维结构观测,以天津大学自主研制的“海燕-Ⅱ”水下滑翔机为观测平台,开展水下滑翔机组网策略研究,采集南海北部反气旋中尺度涡详细信息进行海域试验验证。本文主要研究成果和创新点如下:1.基于涡旋异常场参数化模型,对不同配置的水下滑翔机观测网收集中尺度涡信息并进行三维结构重构的能力进行了数值仿真分析及海域试验验证。为比较观测网布局结构和所包含滑翔机数目对重构性能的影响,提出了平均归一化误差综合指标来评价重构性能。在此基础上,讨论了综合指标与观测网配置之间的关系,权衡重构性能和搭建成本,最终确定了观测网最佳布局结构和滑翔机最少最优数目。2.采用垂直经验正交函数分析法对HYCOM（Hybrid Coordinate Ocean Model Navy Coupled Ocean Data Assimilation）模型数据和卫星高度计观测数据进行分析,计算了相应的经验正交函数,确定了中尺度涡三维结构观测中不规则采样点的位置。分析中尺度涡重构场归一化均方根误差和相关系数,验证了垂直经验正交函数分析法的有效性。考虑不规则采样点集分布特征,选择k-means聚类法对采样点进行聚类分析,划分了滑翔机观测网中各台滑翔机的观测任务。3.基于“海燕-Ⅱ”水下滑翔机观测平台,对面向南海北部中尺度涡三维结构观测的水下滑翔机观测网有效性展开了海域试验验证。应用卫星高度计观测数据,对涡心位置、半径、振幅、平移速度及运动轨迹等特征进行了辨识和估计,结合水下滑翔机组网观测数据,探讨了涡内水体来源。分析滑翔机断面观测数据,揭示了中尺度涡内位势温度、盐度及位势密度异常垂直分布特征,并讨论了涡内溶解氧、叶绿素及有色溶解有机物浓度垂直分布,从多个角度出发,全面揭示了反气旋中尺度涡垂直结构特征。采用合成分析法,结合12台“海燕-Ⅱ”水下滑翔机高分辨率观测数据和卫星高度计观测数据,重构了南海北部反气旋涡精细化三维结构,验证了滑翔机观测网对中尺度涡三维结构的有效解析能力。4.为实现中尺度涡特征参数估计,建立了涡旋非线性运动系统状态方程。采用离散扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filtering,EKF）算法对中尺度涡非线性运动系统进行分析,以“海燕-Ⅱ”水下滑翔机组网观测数据为观测值,估计和预测了中尺度涡涡心位置、平移速度、半径及强度等信息,为面向中尺度涡观测的水下滑翔机自主跟踪控制研究奠定了坚实的基础。