中尺度涡自动识别算法比较与应用

江伟，楼伟，邢博（海军海洋水文气象中心，北京　100161）

中尺度涡自动识别算法比较与应用

江伟，楼伟，邢博
（海军海洋水文气象中心，北京100161）

中尺度涡是典型的海洋中尺度现象，开展中尺度涡研究具有重要的科学意义和实用价值，主要利用Okubo（1970）和Weiss（1991）提出的W方法和Nencioli等（2010）提出的几何学算法，针对数值模式输出产品开展了中尺度涡的自动识别与信息提取。结果表明，W方法和几何学方法均能够较好地识别出中尺度涡的位置，进而提取中尺度涡的半径、强度能信息，相比W方法，几何学方法能够识别出更多尺度相对较小的中尺度涡。同时，这两种自动识别方法也存在一定比例的漏判和错判的现象，进一步改进和完善中尺度涡的识别和信息提取算法仍然是必要的。

中尺度涡；识别；W方法；几何学方法；数值产品

中尺度涡的发现大大改变了人们对大洋环流的认识，20世纪70年代的大洋调查发现在长期以来被认为是弱流（约1 cm/s）的广大中大洋区域，存在着垂直尺度的量级约为100或1 000 m，水平尺度和时间尺度分别为100 km和10 d数量级的中尺度涡（管秉贤等，2006）。中尺度涡不仅出现在大洋内区，在边缘海中也广泛存在。

中尺度涡以长期封闭环流为主要特征，通常典型的空间水平尺度为50~500 km，时间尺度为几天到上百天，是海洋物理环境的一个重要组成部分。中尺度涡有相当大的动能，在海洋运动能量谱中是一个显著的峰区，它不仅直接影响着海洋中的温盐结构以及流速分布，而且能输运动量、热量以及其他失踪物。中尺度涡是由于风速梯度等气象因素的作用和海洋的动力不稳定性而形成的。随着中尺度涡的移动，海洋的温度、盐度连同质量场都随之发生相应的变化和移动。因为涡旋场导致水下声传播的跃变，因此对潜艇的潜航、定位、探潜具有指导性作用。

近年来，针对中尺涡的研究主要集中在中尺度涡的观测、中尺涡的判别、中尺度涡发生、发展、消衰过程等方面，特别是由于卫星高度计TOPEX/Poseidon（T/P）资料的广泛使用，中尺度涡的研究更为活跃和积极，如李燕初等（2003）研究了南海东北部中尺度涡的季节和年际变化，管秉贤等（2006）综述了南海和台湾以东海域中尺度涡旋的研究进展。程旭华等（2008）利用卫星高度计资料分析了全球中尺度涡的分布和传播特征，其给出的中尺度涡识别标准为（1）在海面高度异常场中有封闭的等值线；（2）涡中心的水深大于1 000 m；（3）涡中心与其最外围的闭合等值线高差大于7.5 cm。针对中尺度涡的识别，目前常用的方法有基于海面高度异常的小波分析方法（Doglioli et al., 2007），估算Okubo-Weiss参量方法（也称W方法） （Okubo,1970；Weiss，1991），基于流场资料的封闭流线方法（Robinson,1991），和基于二维速度场的几何学方法（Nencioli et al，2010）等。

目前针对中尺度涡的研究大多基于卫星高度计数据，基于数值模式输出数据的中尺度涡识别与信息提取是目前实际应用中面临的关键问题，本文主要针对中尺度涡的自动识别开展工作，利用W方法和几何学方法识别数值产品中的中尺度涡，并进行对比，所用的数据为数值模式输出数据，针对中尺度涡的研究现状不再赘述。

1　基于数值产品的中尺度涡识别及信息提取技术

本文采用国际上常用的W方法和几何学方法开展中尺度涡的识别工作。W方法是为了从卫星高度计数据提取中尺度涡位置而发展起来的一种方法，定义：

其中u，v分别为数值模式给出的表层东西向和南北向流速，x，y分别为东西和南北方向坐标。同时定义参数值

给定合理的W的阈值即可判定出中尺度涡的大致位置，这里选择学者们常用的W≤-0.2σw作为中尺度涡位置的初步判定标准，其中为计算区域W值的标准差。

除了以上所述的W方法，Nencioli等（2010）提出的几何学算法也是中尺度涡的判别和信息提取的常用方法。Nencioli算法利用海洋表层流速定义了4个约束条件，从而能够较快且准确的确定中尺度涡的中心和范围，这4个约束条件是（1）沿纬向（东西）穿越涡中心时，中心左右两侧南北向流速的速度方向相反且离中心越远量值越大；（2）沿经向（南北）穿越涡中心时，中心左右两侧东西向流速的速度方向相反且离中心越远量值越大；（3）涡中心速度是局地最小值；（4）涡中心附近，沿着同一旋转方向，相邻的两个速度向量必须在同一象限或者在相邻的两个象限内。

中尺度涡核心位置的判定：在利用W方法针对数值模式输出产品进行中尺度识别时，在所研究海域，W≤-0.2σw的区域通常呈现斑点状，该斑点既有比较大的，也有比较小的，甚至有仅包括一个网格点的斑点。通常来讲，较强中尺度涡对应的斑点所占网格点较多，所占网格点较少的斑点所对应中尺度较弱，或者这类斑点是数值产品模拟误差所致。因而在利用数值模式输出产品进行中尺度涡位置判定的时候，为加快计算速度，首先删除掉所占网格点小于4的斑点，而后根据斑点位置，结合边界识别算法确定大致区域之后，在该区域内结合流速场、海表面高度场共同确定中尺度涡的核心位置，即一般而言，中尺度涡核心所在位置为流速极小值和海表面高度极大或极小值点。在利用几何学方法进行中尺度涡识别时，先通过第（3）个条件找出局地速度最小值点，该极小值即为中尺度涡的核心位置。

中尺度涡半径及强度的提取：在确定了中尺度涡的核心位置之后，结合流速场和海表面高度场，沿不同方向计算流速和海表面高度的变化趋势，选取合理半径范围内不同方向流速最大值作为中尺度涡的边缘预估值，将各个方向边缘位置离中尺度涡核心位置的距离平均值作为中尺度涡的半径。确定核心和半径之后，计算该圆形区域流速的平均梯度作为中尺度涡的强度。

2　中尺度涡识别及信息提取结果分析

本文所使用的数值产品为同化得到的西北太平洋背景场资料，所用模式为POM模式，水平分辨率为（1/8）°×（1/8）°，垂向分21层，主要同化数据为ARGO数据，同化方法为集合卡门滤波。通过与Levitus资料等对比分析发现本文所用数值产品能够较好代表西北太平洋气候态温盐场，其大尺度流场结构也与通常认识相符。由于本文重点放在中尺度涡识别方法上，因而针对数值产品的检验分析，不再赘述。

图1给出了利用数值模式输出的2008年8月15日表层流场计算的W值分布情况，大部分区域W值接近于零值。图2给出了W≤-0.2σw的区域，从图中可以看出，W≤-0.2σw的区域呈大小不同的斑点状，该斑点实际上即指示中尺度涡可能存在的区域。图3给出了利用W算法识别出的中尺度涡位置及对应的半径和强度，其中圆圈大小代表真实半径大小，颜色代表涡的强度，强度单位为m/s/hkm，W方法共识别出182个中尺度涡。从图3中可以看出，中尺度涡广泛出现在大洋和近海区域。图4给出了图3显示的中尺度涡半径和强度直方图，可以看出提取出的中尺度涡半径介于40~130 km间，其中半径为50~80 km的中尺度涡最多，中尺度涡强度介于0.03~0.6 m/s/hkm间，其中多数处在0.1~ 0.3 m/s/hkm。

图1　利用数值产品（2008年8月15日）计算所得W值的分布情况

图5给出的是利用2008年8月15日数值产品几何学方法自动识别的中尺度涡及涡位置、半径、强度的结果。从图中可以看出，几何学方法同样能能够较好地识别中尺度涡，不同的是几何学方法识别出224个中尺度涡，而W方法仅识别出182个中尺度涡，另外几何学方法识别出更多相对小尺度的中尺度涡。这一点从图6中可以看出，该图给出了图5显示的中尺度涡半径和强度直方图，可以看出提取出的中尺度涡半径介于20~120 km间，其中半径为40~80 km的中尺度涡最多，中尺度涡强度多数处在0.2~0.4 m/s/hkm。几何学方法识别出更多相对小尺度的中尺度涡，究其原因，W方法利用W值的大小确定中尺度涡的所在位置，而W≤-0.2σw的区域经常连成大的斑点，对于相邻的中尺度涡，通常判断成一个，所以W方法识别出的中尺度涡的个数少。

图2　蓝色斑点显示W≤-0.2σw的区域（2008年8月15日）

图3　W方法识别中尺度涡分布图（2008年8月15日）

3　讨论与结论

中尺度涡是典型的海洋中尺度现象，基于数值模式输出数据的中尺度涡自动识别与信息提取算法研究具有重要的现实意义和实用价值，本文主要利用Okubo（1970）和Weiss（1991）提出的W方法和Nencioli et al（2010）提出的几何学算法，针对数值模式输出产品开展了中尺度涡的自动识别与信息提取。

图4　W方法识别中尺度涡半径和强度直方图（2008年8月15日）

图5　几何学方法识别中尺度涡分布图（2008年8月15日）

图6　几何学方法识别中尺度涡半径和强度直方图（2008年8月15日）

W方法能够较好地识别出中尺度涡的位置，结合流场数据和模式输出的海面高度数据，可以进一步优化W方法，剔除不合理或错误的识别，进而提取中尺度涡的半径、强度能信息。在模式输出区域内，所提取出的中尺度涡半径介于40~130 km间，其中半径为50~80 km的中尺度涡最多，中尺度涡强度介于0.03~0.6 m/s/hkm间，其中多数处在0.1~0.3 m/s/hkm。几何学方法同样能能够较好地识别中尺度涡，不同的是几何学方法能够识别出更多相对小尺度的中尺度涡，因而几何学方法识别出的中尺度涡相比W方法要多。

同时，还要注意的是，虽然W方法和几何学能够较好地识别出中尺度涡的位置，但也存在一定比例的漏判和错判的现象，特别是中尺度涡较弱的情况，至于漏判和错判情况发生比率，还需要通过大量数值产品，采用人工识别与自动识别（W方法和几何学方法等）逐一对比，此对比工作量巨大，也是下一步要开展的工作。另外，本文利用圆来表征中尺度涡的结构特征，而实际上严格为圆形的中尺度涡非常少，采用椭圆结构应该更好的表征中尺度涡的水平结构，这是下一步可以改进的地方。再者，本文仅利用表层流场进行中尺度涡的识别与信息提取，采用多层流场结构相互印证，应该能够改善中尺度涡的识别效果，这也是需要改进和进一步探讨的。

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.

程旭华，齐义泉，2008.基于卫星高度计观测的全球中尺度涡的分布和传播特征.海洋科学进展，26（4）：447-453.

管秉贤，袁耀初，2006.中国近海及其附近海域若干涡旋研究综述，1.南海和台湾以东海域.海洋学报，28（3）：1-16.

李燕初，蔡文理，李立，等，2003.南海东北部海域中尺度涡的季节和年际变化.热带海洋学报，22（3）：61-70.

（本文编辑：袁泽轶）

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

江伟（1975-），男，高级工程师，研究生，主要从事军事水文气象及规划论证。电子邮箱：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