中尺度渦自動識別算法比較與應用

江偉，樓偉，邢博（海軍海洋水文氣象中心，北京　100161）

中尺度渦自動識別算法比較與應用

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象，開展中尺度渦研究具有重要的科學意義和實用價值，主要利用Okubo（1970）和Weiss（1991）提出的W方法和Nencioli等（2010）提出的幾何學算法，針對數值模式輸出產品開展了中尺度渦的自動識別與信息提取。結果表明，W方法和幾何學方法均能夠較好地識別出中尺度渦的位置，進而提取中尺度渦的半徑、強度能信息，相比W方法，幾何學方法能夠識別出更多尺度相對較小的中尺度渦。同時，這兩種自動識別方法也存在一定比例的漏判和錯判的現象，進一步改進和完善中尺度渦的識別和信息提取算法仍然是必要的。

中尺度渦；識別；W方法；幾何學方法；數值產品

中尺度渦的發現大大改變了人們對大洋環流的認識，20世紀70年代的大洋調查發現在長期以來被認為是弱流（約1 cm/s）的廣大中大洋區域，存在著垂直尺度的量級約為100或1 000 m，水平尺度和時間尺度分別為100 km和10 d數量級的中尺度渦（管秉賢等，2006）。中尺度渦不僅出現在大洋內區，在邊緣海中也廣泛存在。

中尺度渦以長期封閉環流為主要特征，通常典型的空間水平尺度為50~500 km，時間尺度為幾天到上百天，是海洋物理環境的一個重要組成部分。中尺度渦有相當大的動能，在海洋運動能量譜中是一個顯著的峰區，它不僅直接影響著海洋中的溫鹽結構以及流速分布，而且能輸運動量、熱量以及其他失蹤物。中尺度渦是由于風速梯度等氣象因素的作用和海洋的動力不穩定性而形成的。隨著中尺度渦的移動，海洋的溫度、鹽度連同質量場都隨之發生相應的變化和移動。因為渦旋場導致水下聲傳播的躍變，因此對潛艇的潛航、定位、探潛具有指導性作用。

近年來，針對中尺渦的研究主要集中在中尺度渦的觀測、中尺渦的判別、中尺度渦發生、發展、消衰過程等方面，特別是由于衛星高度計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和年際變化，管秉賢等（2006）綜述了南海和臺灣以東海域中尺度渦旋的研究進展。程旭華等（2008）利用衛星高度計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別標準為（1）在海面高度異常場中有封閉的等值線；（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。針對中尺度渦的識別，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），基于流場資料的封閉流線方法（Robinson,1991），和基于二維速度場的幾何學方法（Nencioli et al，2010）等。

目前針對中尺度渦的研究大多基于衛星高度計數據，基于數值模式輸出數據的中尺度渦識別與信息提取是目前實際應用中面臨的關鍵問題，本文主要針對中尺度渦的自動識別開展工作，利用W方法和幾何學方法識別數值產品中的中尺度渦，并進行對比，所用的數據為數值模式輸出數據，針對中尺度渦的研究現狀不再贅述。

1　基于數值產品的中尺度渦識別及信息提取技術

本文采用國際上常用的W方法和幾何學方法開展中尺度渦的識別工作。W方法是為了從衛星高度計數據提取中尺度渦位置而發展起來的一種方法，定義：

其中u，v分別為數值模式給出的表層東西向和南北向流速，x，y分別為東西和南北方向坐標。同時定義參數值

給定合理的W的閾值即可判定出中尺度渦的大致位置，這里選擇學者們常用的W≤-0.2σw作為中尺度渦位置的初步判定標準，其中為計算區域W值的標準差。

除了以上所述的W方法，Nencioli等（2010）提出的幾何學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個約束條件，從而能夠較快且準確的確定中尺度渦的中心和范圍，這4個約束條件是（1）沿緯向（東西）穿越渦中心時，中心左右兩側南北向流速的速度方向相反且離中心越遠量值越大；（2）沿經向（南北）穿越渦中心時，中心左右兩側東西向流速的速度方向相反且離中心越遠量值越大；（3）渦中心速度是局地最小值；（4）渦中心附近，沿著同一旋轉方向，相鄰的兩個速度向量必須在同一象限或者在相鄰的兩個象限內。

中尺度渦核心位置的判定：在利用W方法針對數值模式輸出產品進行中尺度識別時，在所研究海域，W≤-0.2σw的區域通常呈現斑點狀，該斑點既有比較大的，也有比較小的，甚至有僅包括一個網格點的斑點。通常來講，較強中尺度渦對應的斑點所占網格點較多，所占網格點較少的斑點所對應中尺度較弱，或者這類斑點是數值產品模擬誤差所致。因而在利用數值模式輸出產品進行中尺度渦位置判定的時候，為加快計算速度，首先刪除掉所占網格點小于4的斑點，而后根據斑點位置，結合邊界識別算法確定大致區域之后，在該區域內結合流速場、海表面高度場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。在利用幾何學方法進行中尺度渦識別時，先通過第（3）個條件找出局地速度最小值點，該極小值即為中尺度渦的核心位置。

中尺度渦半徑及強度的提取：在確定了中尺度渦的核心位置之后，結合流速場和海表面高度場，沿不同方向計算流速和海表面高度的變化趨勢，選取合理半徑范圍內不同方向流速最大值作為中尺度渦的邊緣預估值，將各個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，計算該圓形區域流速的平均梯度作為中尺度渦的強度。

2　中尺度渦識別及信息提取結果分析

本文所使用的數值產品為同化得到的西北太平洋背景場資料，所用模式為POM模式，水平分辨率為（1/8）°×（1/8）°，垂向分21層，主要同化數據為ARGO數據，同化方法為集合卡門濾波。通過與Levitus資料等對比分析發現本文所用數值產品能夠較好代表西北太平洋氣候態溫鹽場，其大尺度流場結構也與通常認識相符。由于本文重點放在中尺度渦識別方法上，因而針對數值產品的檢驗分析，不再贅述。

圖1給出了利用數值模式輸出的2008年8月15日表層流場計算的W值分布情況，大部分區域W值接近于零值。圖2給出了W≤-0.2σw的區域，從圖中可以看出，W≤-0.2σw的區域呈大小不同的斑點狀，該斑點實際上即指示中尺度渦可能存在的區域。圖3給出了利用W算法識別出的中尺度渦位置及對應的半徑和強度，其中圓圈大小代表真實半徑大小，顏色代表渦的強度，強度單位為m/s/hkm，W方法共識別出182個中尺度渦。從圖3中可以看出，中尺度渦廣泛出現在大洋和近海區域。圖4給出了圖3顯示的中尺度渦半徑和強度直方圖，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，中尺度渦強度介于0.03~0.6 m/s/hkm間，其中多數處在0.1~ 0.3 m/s/hkm。

圖1　利用數值產品（2008年8月15日）計算所得W值的分布情況

圖5給出的是利用2008年8月15日數值產品幾何學方法自動識別的中尺度渦及渦位置、半徑、強度的結果。從圖中可以看出，幾何學方法同樣能能夠較好地識別中尺度渦，不同的是幾何學方法識別出224個中尺度渦，而W方法僅識別出182個中尺度渦，另外幾何學方法識別出更多相對小尺度的中尺度渦。這一點從圖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，中尺度渦強度多數處在0.2~0.4 m/s/hkm。幾何學方法識別出更多相對小尺度的中尺度渦，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的區域經常連成大的斑點，對于相鄰的中尺度渦，通常判斷成一個，所以W方法識別出的中尺度渦的個數少。

圖2　藍色斑點顯示W≤-0.2σw的區域（2008年8月15日）

圖3　W方法識別中尺度渦分布圖（2008年8月15日）

3　討論與結論

中尺度渦是典型的海洋中尺度現象，基于數值模式輸出數據的中尺度渦自動識別與信息提取算法研究具有重要的現實意義和實用價值，本文主要利用Okubo（1970）和Weiss（1991）提出的W方法和Nencioli et al（2010）提出的幾何學算法，針對數值模式輸出產品開展了中尺度渦的自動識別與信息提取。

圖4　W方法識別中尺度渦半徑和強度直方圖（2008年8月15日）

圖5　幾何學方法識別中尺度渦分布圖（2008年8月15日）

圖6　幾何學方法識別中尺度渦半徑和強度直方圖（2008年8月15日）

W方法能夠較好地識別出中尺度渦的位置，結合流場數據和模式輸出的海面高度數據，可以進一步優化W方法，剔除不合理或錯誤的識別，進而提取中尺度渦的半徑、強度能信息。在模式輸出區域內，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，中尺度渦強度介于0.03~0.6 m/s/hkm間，其中多數處在0.1~0.3 m/s/hkm。幾何學方法同樣能能夠較好地識別中尺度渦，不同的是幾何學方法能夠識別出更多相對小尺度的中尺度渦，因而幾何學方法識別出的中尺度渦相比W方法要多。

同時，還要注意的是，雖然W方法和幾何學能夠較好地識別出中尺度渦的位置，但也存在一定比例的漏判和錯判的現象，特別是中尺度渦較弱的情況，至于漏判和錯判情況發生比率，還需要通過大量數值產品，采用人工識別與自動識別（W方法和幾何學方法等）逐一對比，此對比工作量巨大，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構特征，而實際上嚴格為圓形的中尺度渦非常少，采用橢圓結構應該更好的表征中尺度渦的水平結構，這是下一步可以改進的地方。再者，本文僅利用表層流場進行中尺度渦的識別與信息提取，采用多層流場結構相互印證，應該能夠改善中尺度渦的識別效果，這也是需要改進和進一步探討的。

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.

Nencioli F,C Dong,T Dickey,et al,2010,A vector geometry based eddy detection algorithm and its application to high-resolution numerical model products and High-Frequency radar surface velocities in the Southern California Bight.J Atmos.Ocean.Tech,27,3,564-579.

Okubo A,1970.Horizontal dispersion of floatable particles in the vicinity of velocity singularity such as convergence.Deep Sea Res,17:445-454.

Robinson S K,1991.Coherent motions in the turbulent boundary layer[J]. Annu Rev Fluid Mech,23:601-639.

Weiss J B,1991.The dynamics of enstorphy transfer in two-dimensional hydrodynamics.Physica D,48:273-294.

Yin X,F Qiao,Y Yang,et al,2012,Argo data assimilation in ocean general circulation model of Northwest Pacific Ocean.Ocean Dynamics,DOI:10.1007/s10236-012-0549-1.

程旭華，齊義泉，2008.基于衛星高度計觀測的全球中尺度渦的分布和傳播特征.海洋科學進展，26（4）：447-453.

管秉賢，袁耀初，2006.中國近海及其附近海域若干渦旋研究綜述，1.南海和臺灣以東海域.海洋學報，28（3）：1-16.

李燕初，蔡文理，李立，等，2003.南海東北部海域中尺度渦的季節和年際變化.熱帶海洋學報，22（3）：61-70.

（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，高級工程師，研究生，主要從事軍事水文氣象及規劃論證。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