[发明专利]一种基于海洋垂直结构的涡旋识别方法

说明书

本发明提供了一种基于海洋垂直结构的涡旋识别方法，包括以下步骤：利用设备获取海水的温度、盐度和深度的剖面数据信息；对获取的数据信息进行预处理；将获得的PDA剖面信息或TA剖面信息与高度计识别的涡旋进行时空匹配，筛选出气旋、反气旋和涡外三类均衡的剖面数据集；基于ResNet框架构建出涡旋垂直结构的三维神经网络模型，并利用获得的一部分剖面数据集进行模拟训练；训练完成的模型进行涡旋识别与结果分析。本发明基于计算机人工智能构建的深度学习识涡方法，突破传统高度计涡旋识别在空间与采样数量方面的限制，提供水文垂直剖面，实现随时随地的涡旋识别，同时，兼容计算效率与计算精度(99％)，并且在后期应用方面对计算机的要求低。

技术领域

本发明属于海洋气象数据分析技术领域，尤其涉及一种基于海洋垂直结构的涡旋识别方法。

背景技术

海洋涡旋数量大、分布广、含能高、裹挟强，是研究海洋中的物质循环、能量级联和圈层耦合的理想载体，在大洋的质量、热量和营养物质等输运方面扮演重要角色。涡旋可分为反气旋和气旋涡，以北半球为例，它们内部的流体分别为顺时针和逆时针旋转(南半球相反)，从而对周围流体形成辐聚和辐散作用。对于气旋涡，由于周围表层暖水向内部聚合，形成局部高的海表面高度异常(SLA)和正的海面温度异常(TA)，也被称为暖涡；相反，气旋涡中心海水向外辐散，形成局部低的海面高度，而下层冷水向上补充，形成负的海面温度异常，也被称为冷涡。因此，涡旋的外在表现，即两种极性涡旋对应相反的SLA分布特征。随着以TOPEX/POSEIDON为代表的高精度卫星高度计的升空，海洋中广泛分布的中尺度特征能以更全面的视角被展现出来。同时，卫星高度计的数量增加，也极大促进了高度计产品在涡旋识别领域的独特地位。目前应用最广泛的方法是Chelton等2011年提出的基于高度计观测的海面拓扑法，即基于反气旋涡引起的正的海面高度异常(SLA)和气旋涡引起负的SLA的拓扑结构来识别涡旋。

涡旋识别是推动海洋涡旋研究与理论认知进程中最重要的一步，随着对涡旋研究的深入，研究者们逐渐认识到涡旋是一个具有典型垂直结构特征的海洋现象，作为其主体部分的涡核通常位于百米以深位置，底部最深可达1000m以下，其强弱和深度直接决定了涡旋能量及其海表特征，是涡旋动力/热力学研究的关键。目前通过高度计探测到的涡旋信号只是涡旋体映射到海表的边界信号，且识别结果明显受限于高度计的采样能力，对于亚中尺度涡旋、次表层涡旋、模态水涡旋等尺度更小、强度更弱和深藏海面以下的涡旋体束手无策...除了海面信号，涡旋引起局部海水的热力和动力学特征更为重要。海水位势密度(potential density anomaly，PDA)指将原位观测的流体质点在绝热状态下移动到标准大气压下对应的密度值，它是衡量海水的特征参量。暖涡可造成涡旋体内海水有负的PDA，而冷涡引起正的PDA。海洋垂向结构上需要依靠传统的海洋水文观测仪器，如温盐深剖面仪(Conductivity,Temperature,Depth,CTD)能获取海洋内部的温度、盐度和深度(压强)信息。CTD可搭载在多种平台开展水文观测，如搭载在潜标阵列，实现定点的水文观测。相对于昂贵的潜标阵列系统，可提供温度和深度剖面的抛弃式的温深仪(expendablebathythermograph,XBT)就更为廉价和方便，2002～2018年沿航线获取了近十万条温度和深度剖面信息(0～700m水深)。目前应用最广的水文观测设备为实时地转海洋学阵列(TheArray for Real-time Geostrophic Oceanography,Argo)，该浮标自由漂浮，可观测水下0-2000m深度上的温度与盐度剖面。随着以上各类平台提供的海洋垂直剖面数量与覆盖度的增大，人们已具备揭示其水下空间结构的能力。