中尺度渦自動(dòng)識(shí)別算法比較與應(yīng)用

江偉，樓偉，邢博（海軍海洋水文氣象中心，北京　100161）

中尺度渦自動(dòng)識(shí)別算法比較與應(yīng)用

江偉，樓偉，邢博
（海軍海洋水文氣象中心，北京100161）

中尺度渦是典型的海洋中尺度現(xiàn)象，開展中尺度渦研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值，主要利用Okubo（1970）和Weiss（1991）提出的W方法和Nencioli等（2010）提出的幾何學(xué)算法，針對(duì)數(shù)值模式輸出產(chǎn)品開展了中尺度渦的自動(dòng)識(shí)別與信息提取。結(jié)果表明，W方法和幾何學(xué)方法均能夠較好地識(shí)別出中尺度渦的位置，進(jìn)而提取中尺度渦的半徑、強(qiáng)度能信息，相比W方法，幾何學(xué)方法能夠識(shí)別出更多尺度相對(duì)較小的中尺度渦。同時(shí)，這兩種自動(dòng)識(shí)別方法也存在一定比例的漏判和錯(cuò)判的現(xiàn)象，進(jìn)一步改進(jìn)和完善中尺度渦的識(shí)別和信息提取算法仍然是必要的。

中尺度渦；識(shí)別；W方法；幾何學(xué)方法；數(shù)值產(chǎn)品

中尺度渦的發(fā)現(xiàn)大大改變了人們對(duì)大洋環(huán)流的認(rèn)識(shí)，20世紀(jì)70年代的大洋調(diào)查發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)期以來被認(rèn)為是弱流（約1 cm/s）的廣大中大洋區(qū)域，存在著垂直尺度的量級(jí)約為100或1 000 m，水平尺度和時(shí)間尺度分別為100 km和10 d數(shù)量級(jí)的中尺度渦（管秉賢等，2006）。中尺度渦不僅出現(xiàn)在大洋內(nèi)區(qū)，在邊緣海中也廣泛存在。

中尺度渦以長(zhǎng)期封閉環(huán)流為主要特征，通常典型的空間水平尺度為50~500 km，時(shí)間尺度為幾天到上百天，是海洋物理環(huán)境的一個(gè)重要組成部分。中尺度渦有相當(dāng)大的動(dòng)能，在海洋運(yùn)動(dòng)能量譜中是一個(gè)顯著的峰區(qū)，它不僅直接影響著海洋中的溫鹽結(jié)構(gòu)以及流速分布，而且能輸運(yùn)動(dòng)量、熱量以及其他失蹤物。中尺度渦是由于風(fēng)速梯度等氣象因素的作用和海洋的動(dòng)力不穩(wěn)定性而形成的。隨著中尺度渦的移動(dòng)，海洋的溫度、鹽度連同質(zhì)量場(chǎng)都隨之發(fā)生相應(yīng)的變化和移動(dòng)。因?yàn)闇u旋場(chǎng)導(dǎo)致水下聲傳播的躍變，因此對(duì)潛艇的潛航、定位、探潛具有指導(dǎo)性作用。

近年來，針對(duì)中尺渦的研究主要集中在中尺度渦的觀測(cè)、中尺渦的判別、中尺度渦發(fā)生、發(fā)展、消衰過程等方面，特別是由于衛(wèi)星高度計(jì)TOPEX/Poseidon（T/P）資料的廣泛使用，中尺度渦的研究更為活躍和積極，如李燕初等（2003）研究了南海東北部中尺度渦的季節(jié)和年際變化，管秉賢等（2006）綜述了南海和臺(tái)灣以東海域中尺度渦旋的研究進(jìn)展。程旭華等（2008）利用衛(wèi)星高度計(jì)資料分析了全球中尺度渦的分布和傳播特征，其給出的中尺度渦識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)為（1）在海面高度異常場(chǎng)中有封閉的等值線；（2）渦中心的水深大于1 000 m；（3）渦中心與其最外圍的閉合等值線高差大于7.5 cm。針對(duì)中尺度渦的識(shí)別，目前常用的方法有基于海面高度異常的小波分析方法（Doglioli et al., 2007），估算Okubo-Weiss參量方法（也稱W方法） （Okubo,1970；Weiss，1991），基于流場(chǎng)資料的封閉流線方法（Robinson,1991），和基于二維速度場(chǎng)的幾何學(xué)方法（Nencioli et al，2010）等。

目前針對(duì)中尺度渦的研究大多基于衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)，基于數(shù)值模式輸出數(shù)據(jù)的中尺度渦識(shí)別與信息提取是目前實(shí)際應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵問題，本文主要針對(duì)中尺度渦的自動(dòng)識(shí)別開展工作，利用W方法和幾何學(xué)方法識(shí)別數(shù)值產(chǎn)品中的中尺度渦，并進(jìn)行對(duì)比，所用的數(shù)據(jù)為數(shù)值模式輸出數(shù)據(jù)，針對(duì)中尺度渦的研究現(xiàn)狀不再贅述。

1　基于數(shù)值產(chǎn)品的中尺度渦識(shí)別及信息提取技術(shù)

本文采用國(guó)際上常用的W方法和幾何學(xué)方法開展中尺度渦的識(shí)別工作。W方法是為了從衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)提取中尺度渦位置而發(fā)展起來的一種方法，定義：

其中u，v分別為數(shù)值模式給出的表層?xùn)|西向和南北向流速，x，y分別為東西和南北方向坐標(biāo)。同時(shí)定義參數(shù)值

給定合理的W的閾值即可判定出中尺度渦的大致位置，這里選擇學(xué)者們常用的W≤-0.2σw作為中尺度渦位置的初步判定標(biāo)準(zhǔn)，其中為計(jì)算區(qū)域W值的標(biāo)準(zhǔn)差。

除了以上所述的W方法，Nencioli等（2010）提出的幾何學(xué)算法也是中尺度渦的判別和信息提取的常用方法。Nencioli算法利用海洋表層流速定義了4個(gè)約束條件，從而能夠較快且準(zhǔn)確的確定中尺度渦的中心和范圍，這4個(gè)約束條件是（1）沿緯向（東西）穿越渦中心時(shí)，中心左右兩側(cè)南北向流速的速度方向相反且離中心越遠(yuǎn)量值越大；（2）沿經(jīng)向（南北）穿越渦中心時(shí)，中心左右兩側(cè)東西向流速的速度方向相反且離中心越遠(yuǎn)量值越大；（3）渦中心速度是局地最小值；（4）渦中心附近，沿著同一旋轉(zhuǎn)方向，相鄰的兩個(gè)速度向量必須在同一象限或者在相鄰的兩個(gè)象限內(nèi)。

中尺度渦核心位置的判定：在利用W方法針對(duì)數(shù)值模式輸出產(chǎn)品進(jìn)行中尺度識(shí)別時(shí)，在所研究海域，W≤-0.2σw的區(qū)域通常呈現(xiàn)斑點(diǎn)狀，該斑點(diǎn)既有比較大的，也有比較小的，甚至有僅包括一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的斑點(diǎn)。通常來講，較強(qiáng)中尺度渦對(duì)應(yīng)的斑點(diǎn)所占網(wǎng)格點(diǎn)較多，所占網(wǎng)格點(diǎn)較少的斑點(diǎn)所對(duì)應(yīng)中尺度較弱，或者這類斑點(diǎn)是數(shù)值產(chǎn)品模擬誤差所致。因而在利用數(shù)值模式輸出產(chǎn)品進(jìn)行中尺度渦位置判定的時(shí)候，為加快計(jì)算速度，首先刪除掉所占網(wǎng)格點(diǎn)小于4的斑點(diǎn)，而后根據(jù)斑點(diǎn)位置，結(jié)合邊界識(shí)別算法確定大致區(qū)域之后，在該區(qū)域內(nèi)結(jié)合流速場(chǎng)、海表面高度場(chǎng)共同確定中尺度渦的核心位置，即一般而言，中尺度渦核心所在位置為流速極小值和海表面高度極大或極小值點(diǎn)。在利用幾何學(xué)方法進(jìn)行中尺度渦識(shí)別時(shí)，先通過第（3）個(gè)條件找出局地速度最小值點(diǎn)，該極小值即為中尺度渦的核心位置。

中尺度渦半徑及強(qiáng)度的提取：在確定了中尺度渦的核心位置之后，結(jié)合流速場(chǎng)和海表面高度場(chǎng)，沿不同方向計(jì)算流速和海表面高度的變化趨勢(shì)，選取合理半徑范圍內(nèi)不同方向流速最大值作為中尺度渦的邊緣預(yù)估值，將各個(gè)方向邊緣位置離中尺度渦核心位置的距離平均值作為中尺度渦的半徑。確定核心和半徑之后，計(jì)算該圓形區(qū)域流速的平均梯度作為中尺度渦的強(qiáng)度。

2　中尺度渦識(shí)別及信息提取結(jié)果分析

本文所使用的數(shù)值產(chǎn)品為同化得到的西北太平洋背景場(chǎng)資料，所用模式為POM模式，水平分辨率為（1/8）°×（1/8）°，垂向分21層，主要同化數(shù)據(jù)為ARGO數(shù)據(jù)，同化方法為集合卡門濾波。通過與Levitus資料等對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)本文所用數(shù)值產(chǎn)品能夠較好代表西北太平洋氣候態(tài)溫鹽場(chǎng)，其大尺度流場(chǎng)結(jié)構(gòu)也與通常認(rèn)識(shí)相符。由于本文重點(diǎn)放在中尺度渦識(shí)別方法上，因而針對(duì)數(shù)值產(chǎn)品的檢驗(yàn)分析，不再贅述。

圖1給出了利用數(shù)值模式輸出的2008年8月15日表層流場(chǎng)計(jì)算的W值分布情況，大部分區(qū)域W值接近于零值。圖2給出了W≤-0.2σw的區(qū)域，從圖中可以看出，W≤-0.2σw的區(qū)域呈大小不同的斑點(diǎn)狀，該斑點(diǎn)實(shí)際上即指示中尺度渦可能存在的區(qū)域。圖3給出了利用W算法識(shí)別出的中尺度渦位置及對(duì)應(yīng)的半徑和強(qiáng)度，其中圓圈大小代表真實(shí)半徑大小，顏色代表渦的強(qiáng)度，強(qiáng)度單位為m/s/hkm，W方法共識(shí)別出182個(gè)中尺度渦。從圖3中可以看出，中尺度渦廣泛出現(xiàn)在大洋和近海區(qū)域。圖4給出了圖3顯示的中尺度渦半徑和強(qiáng)度直方圖，可以看出提取出的中尺度渦半徑介于40~130 km間，其中半徑為50~80 km的中尺度渦最多，中尺度渦強(qiáng)度介于0.03~0.6 m/s/hkm間，其中多數(shù)處在0.1~ 0.3 m/s/hkm。

圖1　利用數(shù)值產(chǎn)品（2008年8月15日）計(jì)算所得W值的分布情況

圖5給出的是利用2008年8月15日數(shù)值產(chǎn)品幾何學(xué)方法自動(dòng)識(shí)別的中尺度渦及渦位置、半徑、強(qiáng)度的結(jié)果。從圖中可以看出，幾何學(xué)方法同樣能能夠較好地識(shí)別中尺度渦，不同的是幾何學(xué)方法識(shí)別出224個(gè)中尺度渦，而W方法僅識(shí)別出182個(gè)中尺度渦，另外幾何學(xué)方法識(shí)別出更多相對(duì)小尺度的中尺度渦。這一點(diǎn)從圖6中可以看出，該圖給出了圖5顯示的中尺度渦半徑和強(qiáng)度直方圖，可以看出提取出的中尺度渦半徑介于20~120 km間，其中半徑為40~80 km的中尺度渦最多，中尺度渦強(qiáng)度多數(shù)處在0.2~0.4 m/s/hkm。幾何學(xué)方法識(shí)別出更多相對(duì)小尺度的中尺度渦，究其原因，W方法利用W值的大小確定中尺度渦的所在位置，而W≤-0.2σw的區(qū)域經(jīng)常連成大的斑點(diǎn)，對(duì)于相鄰的中尺度渦，通常判斷成一個(gè)，所以W方法識(shí)別出的中尺度渦的個(gè)數(shù)少。

圖2　藍(lán)色斑點(diǎn)顯示W(wǎng)≤-0.2σw的區(qū)域（2008年8月15日）

圖3　W方法識(shí)別中尺度渦分布圖（2008年8月15日）

3　討論與結(jié)論

中尺度渦是典型的海洋中尺度現(xiàn)象，基于數(shù)值模式輸出數(shù)據(jù)的中尺度渦自動(dòng)識(shí)別與信息提取算法研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值，本文主要利用Okubo（1970）和Weiss（1991）提出的W方法和Nencioli et al（2010）提出的幾何學(xué)算法，針對(duì)數(shù)值模式輸出產(chǎn)品開展了中尺度渦的自動(dòng)識(shí)別與信息提取。

圖4　W方法識(shí)別中尺度渦半徑和強(qiáng)度直方圖（2008年8月15日）

圖5　幾何學(xué)方法識(shí)別中尺度渦分布圖（2008年8月15日）

圖6　幾何學(xué)方法識(shí)別中尺度渦半徑和強(qiáng)度直方圖（2008年8月15日）

W方法能夠較好地識(shí)別出中尺度渦的位置，結(jié)合流場(chǎng)數(shù)據(jù)和模式輸出的海面高度數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步優(yōu)化W方法，剔除不合理或錯(cuò)誤的識(shí)別，進(jìn)而提取中尺度渦的半徑、強(qiáng)度能信息。在模式輸出區(qū)域內(nèi)，所提取出的中尺度渦半徑介于40~130 km間，其中半徑為50~80 km的中尺度渦最多，中尺度渦強(qiáng)度介于0.03~0.6 m/s/hkm間，其中多數(shù)處在0.1~0.3 m/s/hkm。幾何學(xué)方法同樣能能夠較好地識(shí)別中尺度渦，不同的是幾何學(xué)方法能夠識(shí)別出更多相對(duì)小尺度的中尺度渦，因而幾何學(xué)方法識(shí)別出的中尺度渦相比W方法要多。

同時(shí)，還要注意的是，雖然W方法和幾何學(xué)能夠較好地識(shí)別出中尺度渦的位置，但也存在一定比例的漏判和錯(cuò)判的現(xiàn)象，特別是中尺度渦較弱的情況，至于漏判和錯(cuò)判情況發(fā)生比率，還需要通過大量數(shù)值產(chǎn)品，采用人工識(shí)別與自動(dòng)識(shí)別（W方法和幾何學(xué)方法等）逐一對(duì)比，此對(duì)比工作量巨大，也是下一步要開展的工作。另外，本文利用圓來表征中尺度渦的結(jié)構(gòu)特征，而實(shí)際上嚴(yán)格為圓形的中尺度渦非常少，采用橢圓結(jié)構(gòu)應(yīng)該更好的表征中尺度渦的水平結(jié)構(gòu)，這是下一步可以改進(jìn)的地方。再者，本文僅利用表層流場(chǎng)進(jìn)行中尺度渦的識(shí)別與信息提取，采用多層流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相互印證，應(yīng)該能夠改善中尺度渦的識(shí)別效果，這也是需要改進(jìn)和進(jìn)一步探討的。

Doglioli A M,Blanke B,Speich S,et al,2007.Tracking coherent structures in a regional ocean model with wavelet analysis: Application to Cape Basin eddies.J Geophys Res,112,C05043,doi: 10.1029/2006JC003952.

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（本文編輯：袁澤軼）

Comparison and application of meso-scale eddy detection algorithm

JIANG Wei,LOU Wei,XING Bo
（Naval Meteorology and Physical Oceanography Center,Beijing 100161,China）

The meso-scale eddy is a kind of meso-scale oceanic physical phenomena which is important for ocean science and practical applications.W method，put forward by Okubo(1970)and Weiss(1991)，and geometry method，provided by Nencioli et al(2010)，are used to analyze the output data of numerical model to detect the meso-scale eddies and extract the corresponding characteristics.Results show that both W method and geometry method are applicable to detect the position of meso-scale eddies，then the radius and strength of meso-scale eddies can be extracted.Meanwhile，more smallscale eddies can be detected by the geometry method.There are also some eddies which can be detected by naked eyes but missed by W and geometry method.Further improvement of the meso-scale eddy detection algorithm is also necessary.

meso-scale eddies;detection;W method;geometry method;output data of numerical model

江偉（1975-），男，高級(jí)工程師，研究生，主要從事軍事水文氣象及規(guī)劃論證。電子郵箱：htpyang@sina.com。

P731

A

1001-6932（2016）03-0294-05

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.008

2015-07-03；

2016-01-21