A statistical analysis of mesoscale eddies in the Bay of Bengal from 22–year altimetry data

本文使用一种基于SLA数据的涡旋识别方法,通过22年的AVISO高度计测高数据对孟加拉湾的中尺度涡特征进行了研究。本文主要分析了孟加拉湾涡旋的地理分布、涡旋极性、涡旋生命周期和传播距离、涡旋产生和消失位置、涡旋传播方向和移动轨迹、涡旋运动特征、涡旋属性的演化以及涡旋活动的季节和年际变化等特性。涡旋主要分布在孟加拉湾西部海域,并且大部分涡旋向西移动。涡旋极性分布显示气旋涡更经常出现在湾的西北部和南部,而反气旋涡主要出现在湾的东部。在22年间,共追踪探测到生命周期超过30天的气旋涡565个、反气旋涡389个;对所有生命周期和传播距离而言都是气旋涡数量居多。所有观测到的涡旋的运动属性分析显示气旋涡的涡旋平均振幅大于反气旋涡;对平均半径和平均移动速度而言,气旋涡和反气旋涡相差不大。而且,涡旋属性演化显示生命周期超过90天的涡旋具有明显的双阶段演化特征,包括一个前50天的涡旋成长阶段和一个50天之后的涡旋消亡阶段。针对涡旋活动的季节变化,气旋涡在春季居多而反气旋涡在夏季较多;长生命周期的涡旋季节分布显示在孟加拉湾涡旋活动具有明显的季节分布特征。涡旋数量的年际变化与EKE变化有一个明显的负相关。     

南极斯科舍海涡旋分布及其内部水文结构特征分析

南大洋涡旋在跨锋面物质热量输送方面具有重要作用,斯科舍海位于德雷克海峡东面,属于重要的经济渔区,因此针对斯科舍海的涡旋分布及其影响进行研究具有迫切意义.本文基于2005-2019年卫星遥感数据对斯科舍海涡旋进行了探测与追踪,并统计了涡旋半径、传播距离、生命周期等特征参数,分析涡旋的地理分布特点、涡旋跨锋面情况以及移动特...     

基于复杂网络的海洋涡旋移动特征研究——以南海为例

海洋涡旋作为一种快速连续变化的海洋现象,如何分析和挖掘其移动特征成为当前海洋涡旋定量研究的重点。本文引入空间数据挖掘的社区网络划分方法,将涡旋过程看作复杂的移动网络,对涡旋移动的聚集性特征进行探索和分析。首先,以网格为统计单元对1992-2011年近20年南海海洋涡旋移动数据进行组织,基于图论模型构建了涡旋瞬时移动（TP）,涡旋移动起止点（OD）,涡旋最小描述距离的特征点移动网（MDL）和涡旋过程移动再生数据（RSP）4种状态的海洋涡旋的移动网络图;其次,采用基于快速模块度优化的区域划分方法分别得到4种状态下涡旋移动的聚集性区域;最后,利用弦图对区域内和区域间涡旋移动规律进行了可视化分析,发现海洋涡旋的RSP数据能够弥补原始涡旋移动数据在区域划分方法中呈现的数量不足的问题,能够在足够数据量的情况下,有效地发现从起点到终点的主要移动通道和涡旋移动的聚集性区域,这些区域反映了南海涡旋从其产生、发展到结束整个演化过程的聚集性特征。     

基于传输函数标准形态模式的海洋涡旋温盐和压力异常三维结构交互可视化

随着海洋观测技术和海洋数值模拟技术的发展,海洋学家已经能够获取海量的时空连续的海洋数据。但目前人们对于三维海洋大数据缺乏高效的交互可视探索手段,因此,利用科学可视化技术展现海洋数据,以及更深一步地挖掘时空数据规律是建立对海洋大数据从感知到认知的关键技术桥梁。本文利用体绘制技术从传输函数特征点数量、特征颜色映射以及表现特征的线型三个方面,设计针对海洋温盐异常数据以及压力异常数据的传输函数标准形态模式,能够直观有效地表现海洋涡旋温盐和压力异常三维结构。本文优化了球面光线投射算法,在保证绘制质量的情况下,实现了大规模海洋三维涡旋实时交互展示;同时实现了三维数据的内部漫游功能,能够更加清晰且完整地表现局部海洋涡旋的三维结构。通过可视分析发现,处于黑潮延伸体附近的气旋涡(CE, Cyclone Eddy)温度异常呈“上正下负”的三维结构;由于涡旋引起的海水升降运动,部分反气旋涡(AE, Anticyclone Eddy)盐度异常呈现出“上正下负”的三维结构;相较于温盐异常结构,海洋涡旋压力异常结构轮廓更为清晰且不会出现上下不一致的情况。     

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。     

南大洋太平洋扇区中尺度涡旋的统计特性及其变化

中尺度涡旋在南大洋海洋动力学中具有重要地位,其对气候变化的响应表现也引起了海洋学家与气候学家的广泛关注。本文利用涡动动能与涡旋自动探测技术两种方法对南大洋太平洋扇区的涡旋特性及其变化进行了分析。与前人结果相一致的是,高值的涡动动能主要集中在南极极锋海区,并且自西向东逐渐减弱。在过去的20年里,涡动动能在太平洋扇区的显著增强也集中在中西部海域,这里也是南极绕极流斜压性较强的海域。涡旋统计特性揭示了涡动动能的空间分布及其年际变化主要归因于涡旋振幅与旋转速度,而并非涡旋个数或者涡旋半径。这些结果进一步确认了对应于南半球环状模正位相的绕极西风异常改变了南大洋的涡旋特性,从而表现出涡旋活跃性增强。     

基于案例推理的海洋涡旋特征信息空间相似性研究

目前对海洋涡旋的分析主要采用水团、近海海流分析和数值模拟方法,这些方法结合不同的区域资料已经有过很多成功的研究。但面对日益增长的多源、大面积海洋遥感数据,在快速自动化提取海洋涡旋的空间信息方面还存在很多难题。因此该文针对海洋涡旋空间信息的快速定量分析问题,提出了基于案例推理(Case-Based Reasoning,CBR)的海洋涡旋空间相似性研究方法。该方法首先采用多源数据(遥感数据、遥感反演数据、观测数据等)进行历史涡旋案例定量分析,并构建基于CBR的海洋涡旋案例表达模型和历史案例库;继而采用“基于重心矢径的序列分析方法”进行历史涡旋空间相似性分析,并结合典型的海洋涡旋区域给出具体实例。研究结果表明该方法是可行的。     

日本海中尺度涡旋时空变化特征研究

本文利用1993–2019年基于海表面高度异常的涡旋数据集和高度计数据统计分析了日本海区域中尺度涡旋的大小、极性、生命周期、振幅、传播等表面特征的时空变化规律。27年间,共探测到1 429个涡旋,气旋和反气旋数量基本相当,其中气旋675个,反气旋754个。两种极性涡旋均具有较强的季节变化:秋季较多,冬季次之,春季最少。郁陵盆地、大和盆地等为涡旋多发区域呈现西南–东北向带状分布。其中,南部海域反气旋占优,靠近津轻海峡的北部海域气旋占优。西部和南部受东韩暖流和对马暖流的驱动,涡旋移动方向与流场基本一致,北部涡旋与黎曼寒流以及副极地锋流有关。研究表明,动力学不稳定是涡旋在秋冬季大量产生的重要原因。此外,半封闭盆地、局地流场以及复杂的海气相互作用等都可能会对涡旋的产生和消亡造成一定影响。     

卫星跟踪浮标和卫星遥感海面高度中的南海涡旋结构

选择4个南海卫星跟踪Argos漂流浮标及同期的TOPEX／Poseidon卫星遥感海面高度资料，研究了南海海域涡旋的活动及空间结构。这4个Argos漂流浮标的轨迹除了基本符合各季节海盆尺度环流趋势外，分别在菲律 宾以西、越南外海、南海中部等海域呈现出中尺度旋转轨迹。这些尺度涡旋现象在同期的TOPEX卫星遥感海面高度异常（SSHA）分布中得到了准确印证，并在诊断得到的地转流场中对应了一系列瞬变的中尺度涡旋运动。     

基于客观方法的海洋三维涡旋核心线提取

涡旋核心线是海洋中尺度涡旋结构的重要组成要素,涡旋核心线提取和可视化对于切入中尺度涡三维结构研究、开展海洋物质能量垂直运输分析具有重要意义。本文基于客观参考框架和准则,提出了使用客观化的流场参数得到区域,并提取其山谷线作为涡旋核心线的方法,实现了对海洋三维结构中尺度涡旋核心线的提取和可视化。首先,引入了最优局部参考系,使速度、速度梯度等测度转换为在运动的参考系下保持不变的客观量,提升了在海洋科学实践中的可靠性和实用性。其次,针对含有垂向速度的海洋三维流场数据,计算其空间雅可比矩阵,展示了涡旋核心区域的三维结构,实现了海洋涡旋研究从二维到三维的提升。最后,分别在多个半径大小播撒流线种子点,分析不同旋转方向的涡旋,对已提取的涡旋核心线实验结果进行验证,证明了客观海洋三维涡旋核心线提取方法的有效性及可行性。     

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。     

黑潮延续体区域多源观测资料的海洋涡旋的统计对比分析

本文首次利用海面温度、海面高度异常和表面漂流浮标数据等多元观测资料定量比较了获取的涡旋特征要素。结果表明：虽然不同数据源得出的涡旋统计特征具有一定的差异,但具有相似的分布特征。在此基础上,还发现该研究区域存在异常涡旋（逆时针旋转的暖涡和顺时针旋转的冷涡）。     

南海中尺度涡温盐结构的季节特征及形成机制

本文利用最新的涡旋数据集和ARMOR3D数据，研究了南海中尺度涡温盐结构的季节特征及形成机制。合成分析的结果表明，在冬季，涡旋引起温度异常的水平分布在50米以浅表现为类似偶极型分布，而在50m以深则趋向于中心对称分布；在夏季，温度异常的水平分布均表现为中心对称的特征。涡旋引起盐度异常的水平分布也具有类似的季节特征，但是偶极型中的不对称性相对较弱。在垂向上，涡旋所致的温度异常表现为单层结构，而盐度异常则为三层结构。进一步的分析表明，涡旋所致温盐异常的垂向分布特征与背景温盐的垂向分层有关；而在50m以浅，温盐异常的水平分布的不对称特征主要由背景温盐场的水平平流所致。     

Surface available gravitational potential energy in the world oceans

Satellite altimetry observations, including the upcoming Surface Water and Ocean Topography mission, provide snapshots of the global sea surface high anomaly field. The common practice in analyzing these surface elevation data is to convert them into surface velocity based on the geostrophic approximation. With increasing horizontal resolution in satellite observations, sea surface elevation data will contain many dynamical signals other than the geostrophic velocity. A new physical quantity, th...     

Three-dimensional structure of an observed cyclonic mesoscale eddy in the Northwest Pacific and its assimilation experiment

Mesoscale eddies play an important role in modulating the ocean circulation. Many previous studies on the threedimensional structure of mesoscale eddies were mainly based on composite analysis, and there are few targeted observations for individual eddies. A cyclonic eddy surveyed during an oceanographic cruise in the Northwest Pacific Ocean is investigated in this study. The three-dimensional structure of this cyclonic eddy is revealed by observations and simulated by the four-dimensional variational data assimilation(4 DVAR) system combined with the Regional Ocean Modeling System. The observation and assimilation results together present the characteristics of the cyclonic eddy. The cold eddy has an obvious dual-core structure of temperature anomaly.One core is at 50–150 m and another is at 300–550 m, which both have the average temperature anomaly of approximately-3.5°C. The salinity anomaly core is between 250 m and 500 m, which is approximately-0.3. The horizontal velocity structure is axis-asymmetric and it is enhanced on the eastern side of the cold eddy. In the assimilation experiment, sea level anomaly, sea surface temperature, and in situ measurements are assimilated into the system, and the results of assimilation are close to the observations. Based on the high-resolution assimilation output results, the study also diagnoses the vertical velocity in the mesoscale eddy, which reaches the maximum of approximately 10 m/d. The larger vertical velocity is found to be distributed in the range of 0.5 to 1 time of the normalized radius of the eddy. The validation of the simulation result shows that the 4 DVAR method is effective to reconstruct the three-dimensional structure of mesoscale eddy and the research is an application to study the mesoscale eddy in the Northwest Pacific by combining observation and assimilation methods.     

南海中尺度涡旋对热带气旋的响应：个例研究

利用TOPEX／POsEIDON和Jason—1卫星高度计，SeaWiFS水色传感器和TMI微波成像仪等卫星遥感资料研究了南海中尺度涡旋对热带气旋“玲玲”（Lingling，0123）、“灿都”（Chanthu，0405）和“榴莲”（Durian，0621）的响应，得到以下研究结果：（1）位于热带气旋“玲玲”和“榴莲”移动路径右侧的冷涡在热带气旋经过后增强，表现在海面高度距平和海表温度的较大幅度下降，以及叶绿素a的爆发性升高；（2）位于“玲玲”移动路径左侧以及“灿都”路径上的暖涡在热带气旋经过后减弱，表现在海面高度距平和海表温度的下降，而叶绿素a变化不太明显；（3）当热带气旋“玲玲”和“灿都”经过暖涡时，热带气旋的强度迅速增大，这表明暖涡可能有助于热带气旋的加强．     

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...     

黑潮延伸体区域50~100 km涡旋分布特征

本文使用基于热成风速度的涡旋识别拓展方法,通过海表面温度数据对黑潮延伸体区域50~100 km涡旋进行研究,发现50~100 km涡旋主要分布在黑潮延伸体流轴两侧,气旋涡和反气旋涡的寿命、半径分布具有一致性。气旋涡多出现在35°N以北,反气旋涡在35°N以南比较集中,与尺度较小的中尺度涡旋分布特征较为相似。冬夏两季涡旋地理分布存在一定差异,主要与不同季节该区域海表温度梯度及风应力旋度的变化有关。35°N以南50~100 km涡旋数量的季节性变化与风速大小的季节性变化存在明显的正相关性。35°N以南50~100 km涡旋三倍半径内风速异常和风应力旋度归一化表明,气旋涡对应风速负异常而反气旋涡对应风速正异常,反气旋涡的产生依赖于风应力负旋度,气旋涡的生成与风应力正旋度有关。     

黑潮延伸体区域50-100公里涡旋分布特征

本文使用基于热成风速度的涡旋识别拓展方法,通过海表面温度数据对黑潮延伸体区域50-100公里涡旋进行研究,发现50-100公里涡旋主要分布在黑潮延伸体流轴两侧,气旋涡和反气旋涡的寿命、半径分布具有一致性。气旋涡多出现在35°N以北,反气旋涡在35°N以南比较集中,与尺度较小的中尺度涡旋分布特征较为相似。冬夏两季涡旋地理分布存在一定差异,主要与不同季节该区域海表温度梯度及风应力旋度的变化有关。35°N以南50-100公里涡旋数量的季节性变化与风速大小的季节性变化存在明显的正相关性。35°N以南50-100公里涡旋三倍半径内风速异常和风应力旋度归一化表明,气旋涡对应风速负异常而反气旋涡对应风速正异常,反气旋涡的产生依赖于风应力负旋度,气旋涡的生成与风应力正旋度有关。