一种使用卫星高度计数据且基于密度聚类的新型海洋中尺度涡自动探测算法

中尺度涡旋是海洋中典型的中尺度现象，是海洋中能量传递的运输者，中尺度涡识别与提取是物理海洋学研究的重要内容之一，而中尺度涡自动发现算法是最基础的用于寻找与分析中尺度涡的工具。中尺度涡旋探测工作的数据来源主要为卫星高度计数据融合出的SLA数据，该数据可以客观的描述海洋表层高度状态。中尺度涡表示为SLA闭合等值线所包围的局部等值区域，涡旋识别需要从SLA数据中提取出稳定的闭合等值线结构。针对基于SLA数据中的中尺度涡探测的特点，本文提出了一种新的基于聚类方法的中尺度涡自动识别算法，通过对SLA数据集的分割与筛选将中尺度涡区域与背景区域分离，后建立区域内联系并将其映射到SLA地图上来提取中尺度涡结构。本文算法解决了传统探测算法中参数设定的敏感性问题，不需要进行稳定性测试，算法适应性增强。算法中加入了涡旋筛选机制，保证了结果的涡旋结构的稳定性，提高了识别准确率。在此基础上，本文选取了西北太平洋及中国南海地区进行了中尺度涡探测实验，实验结果展示出了本文算法在较传统算法提高算法效率的同时，也保持着较高的算法稳定性，可以在稳定识别各个单涡结构的同时识别稳定的多涡结构。     

西北太平洋中尺度涡半径与涡动能的统计关系

中尺度涡的半径与涡动能之间的关系及其内在机制的研究,对我们理解中尺度涡旋的三维结构特征及其变异规律有很大的帮助。本文利用AVISO卫星高度计融合数据,基于流场几何特征的识别方法对西北太平洋(10°～52°N, 120°～180°E)的中尺度涡进行了识别追踪,并由此分析了该区域内中尺度涡的半径与涡动能(Eddy Kinetic Energy, EKE)的统计关系。结果表明该区域中尺度涡的半径与EKE之间存在类似翻转高斯函数的递增关系,特别是在涡旋半径达到一定程度后,EKE将不随半径的变大而继续增强。而且该关系与纬度密切相关,相同半径条件下,涡旋的EKE近似与其所在纬度的第一斜压Rossby变形半径的平方呈反比。进一步分析表明该统计关系与中尺度涡所处的发展阶段没有明显的联系。该结果为建立一个实用性的参数化、归一化的中尺度涡模型提供了一定的理论基础。     

基于高分辨率再分析海流数据的三种涡旋识别方法在南海的评估

本文基于南海11 a逐日高分辨率再分析海流数据,利用三种涡旋识别方法——缠绕角（Winding Angle,WA）法、速度矢量几何（Vector Geometry,VG）法和OW (Okubo Weiss)参数法对南海中尺度涡进行识别和追踪,对比了三种方法对中尺度涡的探测能力,并分析了在高分辨率再分析产品中的适用性。研究表明,产品空间分辨率的提高能够放大OW方法的W参数噪声,使该方法存在涡旋过量检测和涡旋分割现象,导致识别的涡旋数量偏多、半径偏小,涡旋平均成功探测率最低（76.2%）;与OW方法相比,WA方法在一定程度上降低了涡旋过量探测率和漏判率,涡旋平均成功探测率提高至85.1%,但涡旋识别时间较长;与前两种方法相比,VG方法的涡旋平均成功探测率可达93.2%,综合评估参数（过量探测率×漏判率÷成功探测率）优势显著（4.5%）,且计算高效。因此,在基于高分辨率再分析产品进行中尺度涡识别时,VG方法具有更加合理的涡旋探测结果和更强的适用性。     

基于卫星高度计和浮标漂流轨迹的海洋涡旋特征信息对比分析

本文基于Chelton提供的涡旋数据集和浮标漂流轨迹提取的涡旋结果,对1993—2015年的全球涡旋进行特征信息对比分析。结果表明,在全球范围内高度计涡旋数据集中的欧拉涡旋和浮标漂流轨迹提取的拉格朗日涡旋的配对成功率在空间分布上并不均衡,在中纬度(20°—60°S,20°—60°N)配对成功率最高可达25%,而在20°S—20°N区域内配对成功率不到10%。由于低纬度地转效应并不显著,卫星高度计无法有效观测到涡旋,但通过浮标漂流轨迹识别出的拉格朗日涡旋却大量存在,这说明在低纬度区域内,采用漂流浮标手段对涡旋进行观测,能够有效地弥补卫星高度计识别涡旋的区域限制。进一步分析表明,总体而言,提取的欧拉涡旋半径要大于拉格朗日涡旋闭合回路半径。两种识别方法获得的涡旋(闭合回路)在20°—50°S, 20°—50°N的副热带和中纬度海区半径大致相当; 20°S—20°N度以内(特别是近赤道区域)、高纬度区域以及西边界流区域,欧拉涡旋半径是同期拉格朗日涡旋闭合回路半径的3倍或更多。此外,对配对涡旋的Rossby数分析结果显示,拉格朗日涡旋较小的闭合回路对应较大的平均相对涡度,这表明浮标在被中尺度涡俘获后,更容易在相对涡度较大的地方(如中尺度涡中心、中尺度涡边缘等)形成闭合回路。     

南印度洋中尺度涡统计特征及三维合成结构研究

南印度洋是海洋中尺度涡的多发区域。本文利用卫星高度计资料及Argo浮标资料,对南印度洋（10°~35°S, 50°~120°E）区域中尺度涡的分布、表观特征等进行了统计分析,采用合成方法,构建了该区域中尺度涡的三维温盐结构。结果表明,涡旋频率呈明显的纬向带状分布,在18°~30°S存在一个明显的涡旋频率带状高值区;涡旋半径具有由南至北逐渐增大的趋势;长周期涡旋在其生命周期内,半径、涡动能、涡能量密度、涡度等性质均经历了先增大而后减小的过程;涡旋以西向运动为主,在经向上移动距离较小,长周期气旋（反气旋）涡具有明显的偏向极地（赤道）移动的倾向;涡旋平均移动速度为5.9 cm/s,速度大小大致沿纬向呈带状分布。在混合层以下,气旋涡（反气旋涡）内部分别呈现明显的温度负（正）异常,且分别存在两个位温负（正）异常的冷（暖）核结构;气旋涡（反气旋涡）整体上呈现"正-负"（"负-正"）上下层相反的盐度异常结构。中尺度涡对温盐的平均影响深度可达1 000×104 Pa以上。     

基于深度学习的中尺度涡检测技术及其在声场中的应用

针对海洋中尺度涡的检测与参数提取问题,本文使用中尺度涡SAR图像数据集,提出基于深度学习的EddyYolo目标检测模型进行中尺度涡的涡旋中心和涡旋水平尺度的多目标检测,并且提取涡心位置和涡旋水平半径等参数.实验结果表明:本文提出的EddyYolo模型实现了涡旋中心和涡旋水平尺度的多目标检测,检测准确率达到94%.在此基础上,结合二维高斯涡模型和三维中尺度涡模型,本文提出了基于卫星遥感与声学对中尺度涡的联合建模方法.     

西北太平洋不同寿命中尺度涡统计特征

本研究通过OW（Okubo Weiss）参数和闭合等值线相结合的方法自动识别西北太平洋（0°—45°N,120°—180°E）中尺度涡并跟踪后续中尺度涡,分析了不同寿命中尺度涡的季节变化、年际变化、数量特征以及动力学参数等。研究发现,不同寿命中尺度涡的数量高峰时间在不同程度上晚于气象上最冷月份约1~3个月。与其他寿命中尺度涡不同,中等寿命中尺度涡的气旋涡（33.9 cm/s）比中等寿命中尺度涡的反气旋涡（16.9 cm/s）旋转得更快,季节变化最为显著。冬季更适于西北太平洋中尺度涡的发生与发展,并且在寿命上,更易发展为中等寿命涡旋。不同寿命中尺度涡的月数量变化都存在3个明显的周期性变化（第一主周期、第二主周期、第三主周期）,根据不同主周期的时间尺度长短,它们的影响因子分别可能是太阳辐射、ENSO现象、季节变化。从地理分布看,不同寿命中尺度涡高频区分布并不完全一致。从涡旋平均振幅地理分布看,中等寿命中尺度涡在高频区拥有最大的涡旋平均振幅（15~25 cm）,短寿命中尺度涡次之（15~20 cm）,长寿命中尺度涡的平均振幅最小（10~16 cm）。从涡旋半径地理分布看,长寿命中尺度涡仅在副热带逆流区有较大的平均半径（20~30 km）,中等、短寿命中尺度涡在研究区域北部均有着较大的平均半径（30~45 km）。从动力学参数看,西北太平洋中尺度涡的动力学参数在寿命中期并非是最高值,约在寿命的前三分之一达到第一个高值,然后小幅下降,保持稳定,直到寿命的后三分之一小幅上升,达到第二个高值,然后迅速下降直至数值为零。     

基于1993-2014年高度计数据的西北太平洋中尺度涡识别和特征分析

本文利用22年的AVISO卫星高度计融合数据,基于WA涡旋自动识别方法对西北太平洋的中尺度涡进行了识别追踪,并统计分析了研究区域中尺度涡的空间分布特征、运动属性以及季节和年际变化。研究结果表明:22年间共追踪到生命周期超过30 d的气旋涡3 841个,反气旋涡2 836个,气旋涡数量多于反气旋涡。涡旋大部分向西移动,西向传播的涡旋分布在整个研究区域,而东向传播的涡旋则集中在黑潮及其延伸区。涡旋主要存在15°~30°N的纬度带间;分别而言,气旋涡主要分布在研究区域的北部和南部,而反气旋涡主要分布在副热带逆流区。30°~35°N之间的黑潮延伸区具有明显更高的涡动能和涡振幅,与同纬度区域相比这里的涡旋半径也较高。在季节和年际变化上,春季出现的中尺度涡最多,夏季最少;对涡旋的月生成数目与ENSO指数MEI比较发现,西北太平洋涡旋活动变化并不直接与ENSO现象相关。     

基于四维变分同化方法的南海中尺度涡后报实验

海洋中尺度涡在本质上是属于满足准地转平衡的大尺度运动,因此理论上,其在短时间内的运动将主要受到准地转平衡关系的约束,而外部强迫场的影响在短期内不会明显改变其运动特征。基于上述思想,我们提出了一种基于四维变分同化初始场的中尺度涡旋预报方案。为了检验该方案的可行性,本文使用区域海洋模式(regional ocean modeling system, ROMS)和其内建的增量强约束四维变分同化(incremental strong constraint four dimensional variational, I4D-Var)模块,建立了一个南海海洋同化模拟系统。首先,通过I4D-Var方法将AVISO卫星高度计资料同化到海洋数值模拟中,获得了理想的中尺度涡同化模拟结果。同化、模式模拟和观测三者的中尺度涡统计结果表明,该同化系统模拟的南海中尺度涡的路径、半径、海表高度异常和振幅等特征信息与AVISO(Archiving ValidationandInterpolationofSatelliteOceanographicData)观测结果高度吻合,同时在深度上的分析表明,涡旋对应的温度、盐度和密度均得到有效的调整。然后,将该同化系统的模拟结果做为初始场,对某一特定时段的南海中尺度涡进行了后报模拟和结果的定量化分析。通过比较后报模拟与观测资料中对应涡旋的海表面高度异常(sea surface height anomalies, SSHA)相关系数、涡心差距和半径绝对误差,证明该方案的中尺度涡后报时效至少可达10 d以上。后报实验结果验证了该中尺度涡预报方案的可行性,从而为中尺度涡的预报提供一定的理论基础和可行性方案。     

南海中尺度涡的形转、内转及平移运动研究

中尺度涡旋的运动整体可分为两部分：平移及转动。平移指涡旋在整个生命周期内的水平移动，而转动除了包括内转 （海表地转流引起的涡旋自身水体转动） 外，还包括形转 （涡旋实际边界最佳拟合椭圆的转动）。本文基于 1993—2018 年共计 26 年间的卫星高度计涡旋识别与追踪数据，首次对南海中尺度涡旋的完整运动形式，即形转、内转、平移展开了系统的研究。其中，对内转及平移的分析，可通过涡旋的识别追踪数据集直接进行；为研究涡旋形转，提出了一种基于涡旋识别追踪数据自动提取涡旋形转信息的算法，以此得到涡旋形转方向、每天形转的角度以及形转圈数等信息，获得涡旋形转数据集。通过对涡旋识别追踪数据以及形转数据集的统计分析发现：南海涡旋的平移方向多为西向，且其速率呈偏态分布，主要以南海南部偏高。同样，涡旋的内转速率也呈偏态分布，高速率内转的涡旋主要分布在吕宋海峡附近。涡旋的形转主要以南海南部速率偏高，且与涡旋的寿命及长轴有一定的关系，倾向于随着涡旋寿命的增长、涡旋长轴的增大而变慢。同时南海涡旋的这三种不同运动形式之间也存在一定的相关性。     

基于卫星测高数据的海洋中尺度涡流动态特征检测

为了最终实现对海洋中尺度涡流(简称中尺度涡)的自动采样,首先应该发展中尺度涡动态特征识别技术。本文基于SLA(Sea Level Anomaly)数据,实现了对中尺度涡动态特征的检测算法。主要内容是制定了一个判别相邻两组SLA数据中的涡流,是否为同一涡流子在不同时刻的状态的标准,即判别下一时刻SLA数据中是否存在涡流是由上一时刻确定的被检测涡流演化而来的。通过确定这种进化关系,可以得到被检测涡流的一系列动态状态信息,例如:面积变化速率、中心移动情况以及其他情况。本算法的计算量不大,从而可以应用到实时涡流跟踪的环境中。值得注意的是,本文中的算法不仅仅局限于应用SLA数据,SSH(Sea Surface Height)等大部分反映海洋高度的数据也可以使用。     

基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型

海洋中尺度涡对浮游生物的分布、能量和盐分的输送具有非常重要的影响,海洋中尺度涡的自动检测是监测、分析中尺度涡时空变化的重要基础.针对传统基于物理特征检测海洋中尺度涡的方法存在受限于人工设计参数导致精度不高的问题,本文依据海洋卫星反演的海表面高度图,提出了一种基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型.该模型在海洋...     

地波雷达目标检测跟踪联合处理粒子滤波方法

针对固定粒子数PF-TBD算法计算量大、复杂环境下地波雷达海上船只目标检测与跟踪性能不佳的问题,本文将粒子滤波方法应用于地波雷达船只目标检测与跟踪中,提出了基于自适应粒子滤波的地波雷达目标检测与跟踪联合处理方法。该方法结合地波雷达回波谱中目标展宽特性,充分利用了地波雷达回波谱中面目标的粒子权重信息来设置粒子自适应采样策略,提高了目标检测和跟踪联合处理的效果。通过地波雷达实测数据的目标跟踪结果及与同步AIS信息的比对分析,结果表明:提出的检测跟踪联合处理方法在对低信噪比、快速机动等复杂环境下的多目标跟踪时,可提高目标整体跟踪性能。     

苏门答腊岛西北海域中尺度涡源区特征与形成机制

孟加拉湾内和湾口附近有丰富的中尺度现象,本文利用2.0版可分辨低纬地区中尺度涡的Chelton数据集,通过溯源的方法得到中尺度涡的源地分布。苏门答腊岛西北海域(以5°N,94°E为核心的区域)是中尺度涡重要源区之一。通过拉格朗日方法的涡旋追踪表明,1993—2017年该海域(3°N—6°N、92°E—95°E),分别有57个气旋式和40个反气旋式中尺度涡。频谱分析显示海表面高度异常存在180 d和360 d两个显著周期。地形和风场的共同作用是该海域产生中尺度涡的动力机制：沿5°N西传的罗斯贝波在海岭地形的作用下触发了中尺度涡的生成;赤道风场是源区重要的能量来源,局地风场能诱发中尺度涡的极性。本研究也揭示了以往文献虽刻画了苏门答腊岛西北部海域为高涡动能区,却没有识别出较多中尺度涡的原因。     

南海中尺度涡的演化过程与行为追踪:一种基于全局最邻近滤波的方法

The eddy tracking approach is developed using the global nearest neighbor filter(GNNF) to investigate the evolution processes and behaviors of mesoscale eddies in the South China Sea(SCS). Combining the Kalman filter and optimal data association technologies, the GNNF algorithm is able to reduce pairing errors to 0.2% in tracking synthetic eddy tracks, outperforming other existing methods. A total of 4 913 eddy tracks that last more than a week are obtained by the GNNF during 1993–2012. The analysis of a growth and a decay based on 3 445 simple eddy tracks show that eddy radius, amplitude, and vorticity smoothly increase during the first half of lifetime and decline during the second half following a parabola opening downwards. The genesis of eddies mainly clusters northwest and southwest of Luzon Island whereas the dissipations concentrate the Xisha Islands where the underwater bay traps and terminates eddies. West of the Luzon Strait, northwest of Luzon Island, and southeast of Vietnam are regions where eddy splits and mergers are frequently observed. Short disappearances mainly distribute in the first two regions. Moreover, eddy splits generally result in a decrease of the radius and the amplitude whereas eddy mergers induce growing up. Eddy intensity and vorticity, on the contrary, are strengthened in the eddy splits and diminished in mergers.     

南海上层中尺度涡统一三维结构

本文基于归一化合成分析的方法,利用卫星高度计资料和CTD观测资料,在满足静力平衡和地转平衡条件的假设下研究了南海中尺度涡的三维结构,给出了南海中尺度涡归一化之后的三维结构,并与全球大洋中尺度涡统一的三维结构进行对比。结果显示,在1.5倍涡旋半径以外,南海中尺度涡水平结构的收敛速度大约为全球大洋中尺度涡水平结构收敛速度的2.5倍,前者比后者的影响范围要小约1.5倍涡旋半径。由于数据原因,我们仅合成了南海0至800m水深中尺度涡的垂直结构,从垂直结构的合成结果来看,由于受到背景层结和科氏参数的影响,南海与全球大洋各海区中尺度涡的垂直结构具有明显的不同,随着深度的增加,南海中尺度涡垂直结构的衰减速度明显更快。     

黑潮延伸体邻近区域中尺度涡特征统计分析

本文利用20年的卫星高度计资料,对黑潮延伸体邻近海区(25°—45°N,135°E—175°W)中尺度涡的统计特征以及季节变化进行了统计研究。基于涡旋自动识别方法,共识别出本区域3006个气旋涡轨迹和2887个反气旋涡轨迹,其平均周期分别为9.99周和11.00周,平均半径分别为69.5km和71.8km。长生命周期涡旋的平均半径、涡度、涡动能(EKE)和涡旋能量密度(EI)在生命周期内大致都经历了增大-基本保持不变-减小这三个阶段。绝大多数涡旋沿纬线向西移动,经向移动距离较小,气旋涡和反气旋涡在西向传播过程中都具有明显的向南(赤道)偏离趋势。涡旋的生成数量与总数量均在春夏季达到最多,且这一时期涡旋的平均涡度、EKE、EI处于较高水平。