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。     

海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

针对海洋中尺度涡对水声传播的影响,利用中尺度涡区的历史水文实测数据提取涡旋强度,空间尺度等中尺度涡特征参数,建立了海洋中尺度涡理论计算模型。运用MMPE水下声场模型仿真试验研究了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性的影响。结果表明:暖涡使得会聚区的位置后退,会聚区宽度增加;冷涡使得会聚区的位置前移,会聚区宽度减小。涡旋的强度越大,前移或后退的效应越显著。     

海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

针对海洋中尺度涡对水声传播的影响,利用中尺度涡区的历史水文实测数据提取涡旋强度,空间尺度等中尺度涡特征参数,建立了海洋中尺度涡理论计算模型。运用MMPE水下声场模型仿真试验研究了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性的影响。结果表明：暖涡使得会聚区的位置“后退”,会聚区宽度增加;冷涡使得会聚区的位置“前移”,会聚区宽度减小。涡旋的强度越大,“前移”或“回退”的效应越显著。     

中国近海中尺度涡分区分类与影响初探

海洋中尺度涡作为物质循环、能量串级和信息传递的关键尺度和重要环节,具有丰富的热动力学内涵。文章基于中国近海及毗邻海域的涡动能分区,重点综述中尺度涡的运动属性、动力学本质和局地特征,从尺度局限与尺度关联的角度阐示中尺度涡旋的扰动生成、传播、能量级联和耗散,及其在海洋多尺度动力过程、热盐配置、生源要素调控和中尺度海气相互作用中的影响,并就相关科学问题和进展提出研究建议。研究结果表明：研究中尺度涡的演变规律对理解海洋物质能量传递的多维度层次、尺度规模和过程形式具有重要意义,需整体加深海洋中尺度涡自适应观测和可预报性研究,增强海洋中尺度涡的尺度演绎分析和特异性分析,建立从天气尺度到气候环境变化、生物生态影响以及致害致灾风险的能量信息通道,构建中观海洋生态系统动力学理论与模型,探索海洋中尺度涡精细化灾害风险预评估区划和安全保障新途径。     

印度洋中尺度涡遥感调查和验证

海洋湍流的基本结构之一是各种尺度的涡旋,既有构成背景场流的随机小尺度涡旋,又有在统计意义上存在拟序结构的中尺度涡。针对印度洋广泛存在的中尺度涡,研究使用长时间序列、空间分布均匀的卫星测高数据,开展了印度洋中尺度涡遥感调查和结果验证。结果显示,印度洋中尺度涡主要分布在南印度洋南极绕极流区域、澳大利亚西部海域、莫桑比克海峡以及北印度洋的阿拉伯海以及孟加拉湾。北印度洋由于空间区域所限,其中尺度涡生命周期和移动距离均较小;而南印度洋存在大量长生命周期的中尺度涡,部分涡旋可以横跨整个南印度洋运动。基于ARGO现场观测数据以及多源海洋三维再处理数据,对中尺度涡遥感调查结果进行了验证,中尺度涡表层遥感信号与水下温度信号显示了较好的一致性。     

南海中尺度涡边缘亚中尺度过程模式研究

基于高分辨率ROMS模式数据,对南海中尺度涡边缘的亚中尺度过程进行了研究。结果表明:在中尺度涡边缘处存在明显的温度细丝结构,涡度值要明显大于1,O~W参数趋于正值,即在涡旋边缘存在强速度剪切,加强了涡丝的形成。对亚中尺度过程动能空间分布分析发现,中尺度涡边缘区域动能所占的比例大约为88.4%,比中心区域动能所占的比例11.6%要大许多。从动能谱的分析来看,在中尺度涡边缘处动能谱的斜率趋近于k-2,与表层准地转理论(SQG)相吻合,而在中心处呈现k~(-3),与准地转理论(QG)相一致。     

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...     

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。     

基于密度峰值聚类的中尺度涡轨迹自动追踪方法

中尺度涡信息的提取包括涡旋的识别和轨迹追踪,其自动识别与追踪对于基于海量数据的中尺度涡分析十分重要。传统涡旋轨迹自动追踪方法一般需要预先设定搜索半径的阈值,存在一定的主观性。针对传统中尺度涡轨迹追踪方法存在的问题,论文从聚类的角度出发,提出基于密度峰值聚类算法实现对涡旋轨迹的自动追踪,并以南海中尺度涡追踪为例,将基于聚类的追踪算法与传统的相似度追踪算法进行比较分析。结果表明:（1）基于密度峰值聚类算法,可实现对海洋中尺度涡的自动追踪,该算法涡旋追踪准确率优于传统相似度算法;（2）该涡旋追踪算法对资料的完整性依赖度较低,特别是对于存在部分缺损数据的情况仍能较准确追踪;（3）该追踪算法克服了传统涡旋追踪算法需要预先设定搜索半径阈值的问题,自适应性更强。     

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...     

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。     

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。     

中尺度涡业务化检验方法探讨

结合业务化海洋预报的实际需求,探讨了一种新的中尺度涡检验方法——匹配检验方法,并以此为基础提出了中尺度涡的检验评分方案。业务化预报检验,是开展中尺度涡业务化预报必要组成部分,本文提出的技巧评分方案,能够更客观地表述模式模拟或预报的中尺度涡的准确预报、空报和漏报,更好地掌握预报的质量和表现,为中尺度涡业务化预报提供更符合业务化实际的检验方案和方法指导。     

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。     

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。     

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。     

南海东北部中尺度涡对海表叶绿素a浓度的影响规律研究

基于南海东北部1998~2019年的多源卫星遥感数据和风场再分析数据, 较系统地分析了南海东北部涡旋内部叶绿素a浓度的分布特征, 通过量化统计和涡心坐标系参数合成等方法探究了中尺度涡对叶绿素a浓度变化的影响规律及潜在机制。结果表明: (1)南海东北部约有60%的中尺度涡旋内部存在叶绿素a浓度增加和减少的现象。(2)南海东北部中尺度涡内部叶绿素a扰动受到涡旋抽吸和涡致Ekman抽吸机制的共同调控, 其中约有38% (39%)的暖(冷)涡内涡旋抽吸的贡献更大, 21% (24%)的暖(冷)涡内涡致Ekman抽吸的贡献更大。(3)南海东北部中尺度涡生命周期内的海表叶绿素a浓度变化存在显著的阶段性差异, 在冷暖涡的生成期, 涡旋抽吸的作用更为显著, 而在冷暖涡的顶峰和消亡期, 涡致Ekman抽吸的作用更为明显。上述研究结果有助于理解南海东北部初级生产力对中尺度涡的响应过程与机理, 对认识海洋物理-生物耦合过程具有一定的参考价值和研究意义。     

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。