一种海洋涡旋识别方法、系统及介质

本发明涉及海洋涡旋识别领域，具体涉及一种海洋涡旋识别方法、系统及介质。

背景技术：

1、海洋涡旋是指在海洋中形成的一种局部旋转的环流结构，在全球海洋中广泛存在，是海洋结构中不可忽视的重要部分。中尺度涡的时间尺度从数天到数百天，空间尺度从几十公里到几百公里，其转速快可达数米每秒、流速强、垂向深度可达数千米。对海洋中尺度涡的研究对于深入理解海洋环境的动态特征、海洋生态系统的结构和功能以及海洋气候变化的机制具有重要意义。

2、为了识别中尺度涡旋，现有技术提供了基于海流的中尺度涡旋识别算法(vg法)，该方法对涡旋中心做了以下限制：沿涡旋中心点东西向的速度分量大小随着距离中心点的距离变大而减小，两侧数值符号相反；沿涡旋中心点南北向的速度分量大小随着距离中心点的距离变大而减小，两侧数值符号相反；定义选定区域内最小值作为中心点近似位置；在近似涡旋中心点附近，速度矢量的旋转方向必须一致，即两个相邻的速度矢量方向必须位于同一个象限或相邻的两个象限。在确定涡旋以后，将最外围准闭合流线作为涡旋边界，边界点到涡旋中心的平均距离作为涡旋的半径。该方法近年来常被广泛应用于高分辨率数值模式结果的涡旋识别。

3、然而，vg法中采用上述4个限制条件来判断该环流场是否闭合，这给涡旋的识别带来一些挑战，需要对海流速度场进行较为复杂的处理和计算，增加了涡旋识别算法的计算复杂度和工程实现难度。

技术实现思路

1、本发明提供一种海洋涡旋识别方法、系统及介质。上述方法将流场数据中的海表流速度正交变换，将涡旋识别从传统流场闭合曲线问题转化为识别流场辐聚辐散点的问题，有助于实现对海洋涡旋的高效识别。

2、本发明提供的海洋涡旋识别方法，包括：

3、获取待识别海洋的流场数据，将流场数据中的海表流场正交变换，获得正交变换后矢量场；

4、根据海洋涡旋水平尺度大小，算法自适应确定滑动窗口的大小，通过滑动窗口对正交变换后矢量场进行滑动遍历，将滑动窗口内海表流速度绝对值最小点作为初步确定的海洋涡旋中心点；

5、在滑动窗口内以初步确定的海洋涡旋中心点为中心，根据黄金分割法确定边界距离获得新窗口，当新窗口的边界与原滑动窗口之间的距离大于预设距离值，且新窗口内每个海表流场速度方向的数量均满足预设数量值时，则该新窗口包含海洋涡旋，并通过最小二乘法计算海洋涡旋的涡旋中心。

6、优选的，还包括：

7、当新窗口的边界与原滑动窗口之间的距离小于或等于预设值，和/或，

8、新窗口内存在一个或一个以上海表流场速度方向的数量不满足预设值时，滑动窗口滑动至下一窗口，作为新的滑动窗口。

9、优选的，所述获得正交变换后矢量场，包括：

10、将流场数据中的海表流速度u方向、v方向顺时针旋转90°。

11、优选的，所述根据海洋涡旋水平尺度大小，算法自适应确定滑动窗口的大小，包括：

12、根据待识别海洋流场数据的空间分辨率对应的数据格点距离l、涡旋水平尺度大小d，计算d/l，获得用于遍历正交变换后海洋涡旋流场中每一个数据格点的移动窗口大小。

13、优选的，所述在滑动窗口内以初步确定的海洋涡旋中心点为中心，根据黄金分割法确定边界距离获得新窗口包括：

14、获取滑动窗口大小x，以x×ψ向上取整的值为新窗口大小，其中，ψ为黄金分割比例；

15、以初步确定的海洋涡旋中心点为中心，获得新窗口。

16、优选的，所述新窗口的边界与原滑动窗口之间的距离大于预设距离值，包括：

17、预设距离值接近新窗口大小的一半，具体取值视待识别海洋的流场数据情况而定。

18、优选的，所述新窗口内每个海表流场速度方向的数量均满足预设数量值，包括：

19、根据新窗口内海表流场速度u和v，计算每个数据格点海表流速度的并对比值进行正负判断，获取每个数据格点的海表流速度的方向，海表流速度的方向包括：东、南、西、北、东南、西南、东北、西北；

20、绘制海表流速度方向-数量直方图，获得每个海表流速度方向的数据格点数量，若每个海表流速度方向的数量均满足预设数量值，则该新窗口包含海洋涡旋，其中，预设数量值视待识别海洋的流场数据情况而定。

21、优选的，所述通过最小二乘法计算海洋涡旋的涡旋中心，包括：

22、通过最小二乘法，计算与新窗口内距离多条流速线交点最近的点，作为海洋涡旋的涡旋中心。

23、本发明同时提供一种海洋涡旋识别系统，用于实现如上文任一所述的海洋涡旋识别方法，所述海洋涡旋识别系统包括：

24、正交变化模块，用于获取待识别海洋的流场数据，将流场数据中的海表流场正交变换，获得正交变换后矢量场；

25、滑动窗口模块，用于根据海洋涡旋水平尺度大小，算法自适应确定滑动窗口的大小，通过滑动窗口对正交变换后矢量场进行滑动遍历，将滑动窗口内海表流速度绝对值最小点作为初步确定的海洋涡旋中心点；

26、涡旋识别模块，用于在滑动窗口内以初步确定的海洋涡旋中心点为中心，根据黄金分割法确定边界距离获得新窗口，当新窗口的边界与原滑动窗口之间的距离大于预设距离值，且新窗口内每个海表流场速度方向的数量均满足预设数量值时，则该新窗口包含海洋涡旋，并通过最小二乘法计算海洋涡旋的涡旋中心。

27、本发明同时提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有数据处理程序，所述数据处理程序被处理器执行时实现如上文中任一项所述的海洋涡旋识别方法的步骤。

28、与现有技术相比，本发明通过将流场数据中的海表流速度正交变换，通过滑动窗口对海洋流场进行滑动遍历，根据滑动窗口内海表流速度绝对值最小点以及黄金分割法确定新窗口，预设新窗口的位置，确保了在新窗口中心点周围有足够的空间进行进一步的分析，而不会受到周围环境的过多干扰。预设新窗口内每个海表流速度方向的数量，识别海洋涡旋并通过最小二乘法计算海洋涡旋的涡旋中心。本发明省略了传统vg法采用4个限制条件来判断该环流场是否闭合来识别涡旋的步骤，将涡旋识别从传统流场闭合曲线问题转化为识别流场辐聚辐散点的问题，识别方式更加简易。

技术特征：

1.一种海洋涡旋识别方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的海洋涡旋识别方法，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求1所述的海洋涡旋识别方法，其特征在于，所述获得正交变换后矢量场，包括：

4.根据权利要求1所述的海洋涡旋识别方法，其特征在于，所述根据海洋涡旋水平尺度大小，算法自适应确定滑动窗口的大小，包括：

5.根据权利要求1所述的海洋涡旋识别方法，其特征在于，所述在滑动窗口内以初步确定的海洋涡旋中心点为中心，根据黄金分割法确定边界距离获得新窗口包括：

6.根据权利要求1所述的海洋涡旋识别方法，其特征在于，所述新窗口的边界与原滑动窗口之间的距离大于预设距离值，包括：

7.根据权利要求1所述的海洋涡旋识别方法，其特征在于，所述新窗口内每个海表流场速度方向的数量均满足预设数量值，包括：

8.根据权利要求1所述的海洋涡旋识别方法，其特征在于，所述通过最小二乘法计算海洋涡旋的涡旋中心，包括：

9.一种海洋涡旋识别系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-8任一所述的海洋涡旋识别方法，所述海洋涡旋识别系统包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有数据处理程序，所述数据处理程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的海洋涡旋识别方法的步骤。

技术总结
本发明提供一种海洋涡旋识别方法、系统及介质，属于海洋涡旋识别领域，包括：获取待识别海洋的流场数据，将流场数据中的海表流场正交变换，获得正交变换后矢量场；通过滑动窗口对正交变换后矢量场进行滑动遍历，将滑动窗口内海表流速度绝对值最小点作为初步确定的海洋涡旋中心点；在滑动窗口内以初步确定的海洋涡旋中心点为中心，根据黄金分割法确定边界距离获得新窗口，当新窗口的边界与原滑动窗口之间的距离大于预设距离值，且新窗口内每个海表流场速度方向的数量均满足预设数量值时，则该新窗口包含海洋涡旋，并通过最小二乘法计算海洋涡旋的涡旋中心。本发明的方法有助于实现对海洋涡旋的高效识别。

技术研发人员：蔡宇,宋军,杨静怡,富砚昭,郭俊如
受保护的技术使用者：大连海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/5