一种三维中尺度涡追踪方法与流程

本发明涉及海洋遥感及信息技术领域，尤其是涉及一种海洋中尺度涡的追踪方法。

背景技术：

海洋中尺度涡是海洋环境的重要特征，其对海洋渔业、海洋环境、海洋军事活动有重要影响。表面中尺度涡研究已相对成熟，但中尺度涡的三维特征仍亟待深入研究。

三维中尺度涡的研究包括：基于实测数据的个别三维中尺度涡研究、结合卫星数据与argo浮标数据的三维中尺度涡特征综合分析研究、基于模式数据的三维中尺度涡研究，主要针对三维中尺度涡的结构和温盐等水文特征进行分析，而三维涡旋的追踪方法有较少涉及。目前三维中尺度涡的追踪方法主要有：一是利用浮标、潜标等跟踪个别三维涡旋；二是分层追踪不同深度涡旋轨迹。个别三维中尺度涡的跟踪是大多在海洋试验过程中开展，其观测数据量和时间有限，不能大范围、长时间跟踪观察，无法实现三维中尺度涡自动追踪。分层追踪的方法只能建立离散深度的二维涡旋追踪轨迹，仅表征不同深度处涡旋的运动轨迹，而不能表示一个三维中尺度涡整体的运动特征，无法分析三维中尺度涡结构对于其运动轨迹和生命周期的影响，同时也无法分析三维中尺度涡的运动对其结构特征的影响，导致三维中尺度涡属性特征研究的片面性和局限性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种三维中尺度涡追踪方法。本发明能够实现三维中尺度涡的自动追踪，同时突破了分层追踪不同深度涡旋的限制，将三维中尺度涡作为整体进行追踪，得到其完整三维追踪轨迹。本发明建立三维中尺度涡运动轨迹，有利于探究三维中尺度涡生命周期规律和运动特征，有助于分析三维中尺度涡结构与其运动轨迹之间的相互影响关系，具有实用性和有效性。

本发明的技术方案如下：

一种三维中尺度涡追踪方法，所述方法包括如下步骤：

(1)计算三维中尺度涡质心

将识别到的三维中尺度涡按其深度等效为多个圆台，通过计算圆台质心进而获得三维中尺度涡质心；

(2)基于质心追踪三维中尺度涡

(2a)定义平面搜索区域s；

(2b)t时刻某三维中尺度涡e0的质心为σe0＝(lone0，late0，depthe0)，搜索相同类型三维气旋涡或三维反气旋涡的t+1时刻落于平面搜索区域s内的待追踪三维中尺度涡质心；

(2c)若t+1时刻有多个三维中尺度涡质心落于s区域内，计算落于区域s内的三维中尺度涡ei质心与t时刻三维涡旋e0质心的三维距离di，选择距离最小的三维中尺度涡定义为ej，判定ej与e0属于同一个三维中尺度涡，建立t时刻三维中尺度涡e0与t+1时刻三维中尺度涡ej之间的追踪轨迹，由e0质心指向ej质心，利用三维中尺度涡ej信息更新三维中尺度涡e0轨迹信息；若t+1时刻无相应三维中尺度涡质心落于s区域内，则认为三维中尺度涡e0轨迹追踪结束；

(2d)基于三维中尺度涡ej质心按(2b)～(2c)步骤继续追踪该三维中尺度涡运动轨迹，直至其追踪轨迹结束；

(2e)从数据起始时间开始，按照(2b)～(2d)步骤分别追踪三维气旋涡或三维反气旋涡的运动轨迹，建立长时间序列的三维中尺度涡追踪数据集。

优选方案，三维中尺度涡质心的计算方法为：

某三维中尺度涡e0包含m层深度分别为h1、h2、…、hm，不同深度处的涡旋半径分别为r1、r2、…、rm；将h1深度涡旋与h2深度涡旋等效为圆台a，视其为均一水体，即圆台内海水密度相同；其中m≥2；

以圆台a为例说明，其上底面中心为p1(lon1，lat1)、半径为r1、深度为h1，下底面中心为p2(lon2，lat2)、半径为r2、深度为h2，圆台a的质心r1＝(lonr1，latr1,depthr1)和质量m1，分别按下式计算：

m1＝ρ1×v1

其中，ρ1为圆台a内水体的密度；

v1为圆台体积，按下式计算：

定义h2～h3、h3～h4…、hm-1～hm分别为圆台b、c、…，按上述方法分别计算各圆台的质心ri和质量mi。

三维中尺度涡e0质心σe0＝(lone0，late0，depthe0)按下式计算：

其中，n＝m-1为等效圆台个数。

步骤(2a)中，搜索区域s是半径为50km的圆形区域。

步骤(2b)中，t时刻某三维中尺度涡e0的质心为σe0＝(lone0，late0，depthe0)时，搜索区域s为以(lone0，late0)为圆心、50km为半径的圆形区域，搜索t+1时刻落于s内的三维中尺度涡质心。

步骤(2c)中，若t+1时刻有k(k≥1)个三维中尺度涡质心落于区域s内，计算各个三维中尺度ei质心σei＝(lonei，latei，depthei)与三维中尺度涡e0质心之间的距离di，选择距离最小的三维中尺度ej判定其与e0属于同一个三维中尺度涡，建立三维中尺度涡e0与ej之间的追踪轨迹，由e0质心指向ej质心，利用ej信息更新三维中尺度涡e0轨迹信息；若t+1时刻无三维中尺度涡质心落于区域s内，认为三维中尺度涡e0追踪轨迹结束。

步骤(2d)中，基于t+1时刻的三维中尺度涡ej质心按(2b)～(2c)步骤继续追踪后续时刻该三维中尺度涡运动轨迹，直至其追踪轨迹结束。

本发明有益的技术效果在于：

三维中尺度涡的追踪技术是基于三维中尺度涡质心的最小三维距离追踪方法，将三维中尺度涡视为整体结构研究，能够实现长时间、大范围的三维中尺度涡的自动追踪，建立三维中尺度涡追踪轨迹。突破了个别涡旋追踪和分层追踪涡旋研究的限制，提供了一种三维中尺度涡追踪的新方法，更细致、更完整表征三维中尺度涡整体运动轨迹，该方法具有实用性与有效性，为深入研究三维中尺度涡特征奠定基础。

附图说明

图1为三维中尺度涡追踪方法的流程图；

图2为三维中尺度涡质心计算示意图；

图3为2008年8月24日一个三维反气旋涡实例；

图4为2008年8月24日至2008年8月25日三维反气旋涡追踪轨迹及2008年8月25日三维反气旋涡结构；

图5为2008年8月24日至2008年10月31日的三维反气旋涡全寿命追踪轨迹及2008年10月31日三维反气旋涡结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

参考图1，一种三维中尺度涡追踪方法的流程，该三维中尺度涡追踪方法可以包括如下步骤：

步骤101：计算三维中尺度涡质心。

如图2所示，某三维中尺度涡示意图e0包含4层深度分别为h1、h2、h3、h4，不同深度处的涡旋半径分别为r1、r2、r3、r4；将h1深度涡旋与h2深度涡旋等效为圆台a，视其为均一水体，即圆台内海水密度相同。

以圆台a为例说明，其上底面中心为p1(lon1，lat1)、半径为r1、深度为h1，下底面中心为p2(lon2，lat2)、半径为r2、深度为h2。圆台a的质心(如图2中r1所示)r1＝(lonr1，latr1，depthr1)和质量m1，分别按下式计算：

m1＝ρ1×v1

其中，ρ1为圆台a内水体的密度，v1为圆台体积按下式计算：

定义h2～h3、h3～h4分别为圆台b、c，按上述方法分别计算各圆台的质心ri和质量mi。

三维中尺度涡e0质心σe0＝(lone0，late0，depthe0)按下式计算：

其中，n＝3为等效圆台个数。

步骤102：基于质心追踪三维中尺度涡

(1)定义的s是半径为50km的圆形区域。

(2)t时刻某三维中尺度涡e0的质心为σe0＝(lone0，late0，depthe0)时，搜索区域s为以(lone0，late0)为圆心、50km为半径的圆形区域，搜索t+1时刻落于s内的三维中尺度涡质心。

(3)若t+1时刻有k(k>＝1)个三维中尺度涡质心落于区域s内，计算各个三维中尺度涡ei质心σei＝(lonei，latei，depthei)与三维中尺度涡e0质心之间的距离di，选择距离最小的涡旋ej判定其与e0属于同一个三维中尺度涡，建立三维中尺度涡e0与ej之间的追踪轨迹，由e0质心指向ej质心，利用ej信息更新三维中尺度涡e0轨迹信息。三维中尺度涡ei与e0两者质心间距离di计算如下：

若t+1时刻无三维涡旋质心落于区域s内，认为三维中尺度涡e0追踪轨迹结束。

(4)基于t+1时刻的三维中尺度涡ej质心按(2)～(3)步骤继续追踪后续时刻该三维中尺度涡运动轨迹，直至其追踪轨迹结束。

(5)从数据起始时间开始，按照(2)～(4)步骤分别追踪三维气旋涡和反气旋涡的运动轨迹，建立长时间序列的三维中尺度涡追踪数据集。

实施例1

一种三维中尺度涡追踪方法，所述方法包括如下步骤：

步骤101：计算一个三维反气旋涡质心。

2008年8月24日一个三维反气旋涡e0(如图3所示)，其深度从0m、-2m、-4m、…到-1500m共35层，0m～-1500m不同深度的涡旋边界如图3中环状结构，半径分别为r1、r2、…、r35。

将0m深度涡旋和-2m深度涡旋等效为圆台a，视其为均一水体，即圆台内海水密度相同。以其为例说明，上底面中心为p1(160.10813°，26.22545°)、半径为r1＝32.590km、深度为0m，下底面中心为p2(160.10852°，26.22523°)、半径为r2＝32.653km、深度为-2m。圆台a的质心r1＝(lonr1，latr1，depthr1)和质量m1，分别按下式计算：

m1＝ρ1×v1＝6883429.32×10⁶kg

其中，ρ1为该圆台内水体的密度，取ρ1＝1030kg/m³；v1为圆台a体积，按下式计算：

按上述方法分别计算其它等效圆台的质心和质量。

该三维中尺度涡e0质心σe0＝(lone0，late0，depthe0),按下式计算为：

其中，n＝34为等效圆台个数。

步骤102：基于质心追踪该三维反气旋涡

(1)定义平面搜索区域s，本技术定义的s是半径为50km的圆形区域。

(2)该三维反气旋涡的质心为σe0＝(160.12497°，26.21531°，-770.27894m)，搜索区域s是以(160.12497°，26.21531°)为圆心、50km为半径的圆形区域，搜索2008年8月25日落于s内的待追踪三维反气旋涡质心。

(3)发现有2个三维反气旋涡e1和e2的质心落于s区域内，分别为re1＝(lone1，late1，depthe1)＝(160.02554°，26.36520°，-696.69414m)和re2＝(lone2，late2，depthe2)＝(160.07033°，26.23317°，-747.55429m)。分别计算三维反气旋涡e1、e2与e0之间距离为d1、d2，按下式计算：

比较可得d1＞d2，则认为2008年8月25日的三维反气旋涡e2与2008年8月24日的三维反气旋涡e0属于同一个三维中尺度涡，e2与e0之间轨迹联系为由e0质心指向e2质心，利用涡旋e2信息更新三维反气旋涡e0的轨迹信息。图4为e0与e2之间的追踪轨迹及2008年8月25日该三维反气旋涡结构。

(4)基于2008年8月25日的三维中尺度涡e2质心，按上述(2)～(3)步骤继续追踪2008年8月26日的该三维反气旋涡运动轨迹，直至其追踪轨迹结束。

该2008年8月24日的三维反气旋涡e0按上述(2)～(4)步骤追踪，其轨迹终止日期为2008年10月31日，图5显示了其从2008年8月24日到2008年10月31日的三维运动轨迹及2008年10月31日的该三维反气旋涡结构。

(5)从数据起始时间开始，按照(2)～(4)步骤分别追踪三维气旋涡和反气旋涡的运动轨迹，建立长时间序列的三维中尺度涡追踪数据集。