[发明专利]全球中尺度涡时空层次拓扑路径构建技术

说明书

技术领域

本发明属于海洋时空数据挖掘领域，具体涉及一种全球中尺度涡时空层次拓扑路径构建技术。

背景技术

目前对海洋中尺度涡的研究主要集中在中尺度涡识别及追踪上。常见的涡旋识别方法有Sea Surface Height(SSH)法、Okubo-Weiss (OW)法、Vector Geometry (VG)法和Hybird Detection (HD)法等。SSH法以最外圈的闭合等值线为涡旋边界,再以涡旋边界内的SSH局地极值为涡旋中心，无阈值的SSH法虽增强了程序的自动性，但运算量大。OW法以W值作为物理参数，W值是由SSH计算得到的。将-0.2σ_w（σ_w为整个W场的标准差)作为阈值，判断检测区域是否为涡旋。OW法从中尺度涡的物理性质出发定义判别标准,更能揭示中尺度涡的物理本质,但却存在明显的缺陷。第一，在赤道附近科氏力是趋于0，因此，由SLA和科氏力以及重力加速度计算得到的OW参数不正确。第二，W场会产生很多噪点,往往被误判为涡旋。第三，不同阈值得到的结果波动很大。VG法检测得到的涡心为涡流速率最小的网格点,涡边则是对应着最大平均旋转速度的闭合流线。该方法在准确率方面比OW法有优势，但其检测过程较复杂。HD法是0W法和SSH法的混合。先以SSH局地极值和“涡核”(W<-0.2σ_w)确定涡心,再以包含“涡核”的最内圈闭合SSH等值线为涡边,最后确定“多核结构”及其边界。

常见的中尺度涡追踪方法则有像素法、距离法和相似度法。像素法简单快速,适用于涡旋分离明显的海域,但在涡旋结构复杂的区域容易出错。距离法中,假设e₁为t₁时的某个涡旋, e₂为t₂时相同类型的涡旋,ΔD则是e₁中心到e₂中心的距离,那么ΔD最短者构成同一轨迹，为了避免两条不同的轨迹连接在一起, ΔD需设定一个上限近似取值为局地平均流流速和资料的时间分辨率之积。相似度法则是距离法的扩展。相似度法不仅考虑到ΔD，还考虑到e₁和e₂之间半径、涡动能以及涡度之间的关系。相似参数S_e1,e2是由以上四种涡旋特征值通过相应计算得到的。S_e1,e2最小的e₁和e₂是同一条轨迹上前后时刻的涡旋。

目前已有的中尺度涡识别、追踪算法并不能精确地识别涡旋的分裂、合并等拓扑现象，同时较少有涉及涡旋时空轨迹分析的研究，因此很难对中尺度涡旋的时空演变规律及涡旋内部细节进行描述及分析。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种全球中尺度涡时空层次拓扑路径构建技术，建立中尺度涡旋之间潜在合并或分裂等关系，并对涡旋轨迹进行时空聚类，获取涡旋演变机制及规律。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，具体步骤为：

（1）基于改进的SSH法，识别单核涡旋的同时，保留涡旋之间的共同边界，建立涡旋空间层次拓扑结构；

（2）采用最近邻法，对涡旋空间拓扑结构的子节点（单核涡旋）进行追踪，得到涡旋追踪数据集，建立中尺度涡时空拓扑路径；

（3）计算涡旋轨迹间的动态时间扭曲（DTW, Dynamic time warping）距离，对涡旋轨迹进行相似性度量；

（4）利用基于密度的聚类算法 (DBSCAN, Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)对涡旋轨迹进行时空聚类，形成全球中尺度涡时空层次拓扑结构。

上述步骤（1）中，基于卫星高度计海平面高度异常（SLA）数据，采用改进的SSH法，将SLA局部极值作为涡旋种子点，对SLA等高线迭代，判断等高线包围范围的大小及振幅，保留涡旋边界及涡旋间的共同边界（SLA等高线），建立涡旋之间潜在联系（如图1所示），得到涡旋识别空间层次拓扑数据集。

上述步骤（2）中，基于涡旋识别空间层次拓扑数据集，采用最近邻法进行涡旋追踪，得到涡旋追踪数据集，结合涡旋识别得到的空间层次拓扑结构，建立中尺度涡时空拓扑路径。