[发明专利]基于高分辨率海洋模式数据的涡旋三维体态识别和追踪方法

说明书

本发明公开了一种基于高分辨率海洋模式数据的涡旋三维体态识别和追踪方法，利用表层海流异常数据寻找涡旋中心，以垂向分辨间隔向下持续寻找涡旋结构，直到获得同一涡旋完整的三维结构。根据最大涡旋平均半径所在深度，识别涡旋“钵形”、“透镜形”、“锥形”三类“体态”，并根据该深度上的海流场计算得到涡旋可能移动的最大距离，在该范围内对每一类“体态”的涡旋分别进行追踪。该方法通过高时空分辨率海洋模式数据进行涡旋三维结构的识别，避免了由于涡旋“体态”突变导致的涡旋漏判和误判。根据不同“体态”采用不同的涡旋中心和移动速度的判断方法，提高了真实涡旋追踪的准确性。

技术领域

本发明涉及一种基于高分辨率海洋模式数据的涡旋识别和追踪方法，尤其涉及一种基于高分辨率海洋模式数据的涡旋三维体态识别和追踪方法，属于信息技术领域。

背景技术

中尺度海洋涡旋在全球大洋中普遍存在着。中尺度涡在水平方向上由于自身旋转特性而具有较强的非线性,垂直方向上能够影响到几十米到几百米甚至更深的水层,从而对全球海洋的热量、淡水等的输送具有重要影响。海洋涡旋的三维结构对于涡旋本身的演变过程以及垂向的能量、物质运输都有很大的关系，根据涡旋的三维结构特征，可将涡旋分为“钵形”(bowl-shaped)、“透镜形”(lens-shaped)、“锥形”(cone-shaped)三种体态。中尺度涡会对模态水的生成和迁移过程产生影响，且不同体态的中尺度涡对于海洋层结的影响也各不相同，海洋层结的改变会影响夏季模态水耗散速率，使模态水的保留体积偏多或偏少。因此，海洋涡旋三维结构的研究具有非常重要的科学意义和应用价值。

由于观察资料的局限性,中尺度涡旋的研究一般仅局限于表面涡旋,但涡旋的三维结构对于涡旋本身的产生、维系、消亡以及垂向的能量、物质和营养盐的运输都有很大的关系,因而涡旋三维结构的研究亟待发展。研究中尺度涡的三维结构最直接最有效的手段是海上现场调查。1988年起，长期的大西洋百慕大时间序列研究(Bermuda Atlantic Time-series Study，BATS)表明，中尺度涡三维结构至少可分为三类：气旋、反气旋和模态水涡旋(又称次表层涡旋或温跃层内涡旋)。气旋涡旋抬升季节和永久性跃层、反气旋涡旋下压跃层，模态水涡旋呈现透镜状，即抬升季节性跃层、下压永久性跃层。Dong等(2012)，发现南加州湾中能够穿透400m的中尺度涡按其三维结构可分为“钵形”(bowl-shaped)、“透镜形”(lens-shaped)、“锥形”(cone-shaped)三种体态，各占当地涡旋总量的65％,20％以及15％。

现场测量中尺度涡三维结构的方法虽然直接有效，但是费时费力，成本高昂，且大部分观测局限在近海或大洋的边缘，使得现有的涡旋观测资料缺乏普遍性。由于观测样本有限，对不同体态中尺度涡的演变规律缺乏足够的认识。而海洋数值模式产品的发展,为更进一步研究中尺度涡的三维结构提供了良好的契机。我们将水平分辨率不低于1/12°的数据称为高分辨率数据，以往常规观测数据中较低空间分辨率的海洋流速场下，仅能得到涡旋中心所在位置和模糊的涡旋半径，而目前越来越多的高分辨率海洋数值模拟的出现，验证了零星的Argo浮标观测到的多种海洋涡旋“体态”的存在。高分辨率数据避免了由于数据分辨率低导致的涡旋漏判和误判，且对于常规数据难以识别的次级涡旋及中尺度涡旋的内部结构也能做到精准识别，极大地提高了涡旋识别的准确性，也为更精细化地对不同体态的涡旋分别追踪提供了可能。

对海洋中尺度涡旋识别提取的方法有多种，常见的涡旋识别方法有Okubo-Weiss数方法、绕角(Wind-angle，WA)法、SLA闭合等值线方法、拉格朗日轨迹法等，下面将逐一介绍。

(1)Okubo-Weiss数方法：该方法借鉴数值模式研究中的Okubo-Weiss(OW)数检测流体的旋转和形变的原理，使用卫星高度计资料来自动检测追踪中尺度涡旋。该方法的不足之处在于：第一，该方法中速度分量由SSH计算而得，极易受SSH数据的噪音影响，往往会将一些运动较为剧烈的涡旋边缘处识别为涡旋中心。第二，该方法需要确定一个阈值来进行涡旋的提取，但没有一个固定的阈值可以满足全球范围内海洋涡旋的检测，且不同阈值得到的结果波动很大。