基于追蹤數(shù)據(jù)的全球中尺度渦旋偶極子自動(dòng)識(shí)別方法

田豐林，苑忠浩，劉巍，程領(lǐng)騎，陳戈,2*

( 1.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；3.自然資源部城市國(guó)土資源監(jiān)測(cè)與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518034；4.青島市計(jì)量技術(shù)研究院，山東 青島 266100)

1 引言

中尺度渦旋是一種廣泛存在于海洋中的環(huán)形水流，它們的尺度通常超過(guò)數(shù)十至數(shù)百千米，影響時(shí)間持續(xù)數(shù)十至數(shù)百天，并且它們對(duì)全球海洋中的熱、鹽和生物化學(xué)物質(zhì)的傳播和平衡發(fā)揮著重要作用[1]。對(duì)于海洋中存在的數(shù)千個(gè)渦旋，可以分為氣旋渦(Cyclonic Eddy, CE)和反氣旋渦 (Anticyclonic Eddy, AE)[2]。此外，如果把渦旋的彼此關(guān)系考慮進(jìn)來(lái)，海洋中還存在許多偶極子的結(jié)構(gòu)，它們由一個(gè)氣旋渦和一個(gè)反氣旋渦組成。偶極子在海洋中很常見(jiàn)，特別是在海洋東邊界附近[3]或者是西邊界流有關(guān)地區(qū)[4]。有證據(jù)顯示在卡迪茲灣地區(qū)存在許多間歇性的水面以下的偶極子[5]。最近發(fā)現(xiàn)的一項(xiàng)研究表明存在一些偶極子在南極繞極流（Antarctic Circumpolar Current， ACC）地區(qū)以10倍于羅斯貝（Rossby）波的速度傳播[6]。

隨著觀測(cè)手段的發(fā)展，目前積累的1993年1月至2016年9月間的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)使我們能夠進(jìn)行大尺度和長(zhǎng)時(shí)間序列的中尺度渦偶極子的研究，此外，衛(wèi)星還提供了海面溫度異常、海面鹽度異常數(shù)據(jù)輔助探究偶極子。這些海量的數(shù)據(jù)（數(shù)十TB）一方面為研究偶極子提供了更多的數(shù)據(jù)支持，另一方面也對(duì)計(jì)算效率提出了更高的要求，傳統(tǒng)的人工識(shí)別方法需要通過(guò)目視觀測(cè)[6]，工作量巨大，識(shí)別結(jié)果具有較大的主觀性，并且難以有效地利用已有的遙感數(shù)據(jù)集，亟須提出新的自動(dòng)識(shí)別算法。

為了高效地識(shí)別全球偶極子，本文提出了一種基于渦旋追蹤數(shù)據(jù)的全球自動(dòng)偶極子識(shí)別算法。偶極子是描述渦旋間關(guān)系的一種模式，是兩個(gè)渦旋相互結(jié)合形成的新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]，目前針對(duì)單個(gè)渦旋的研究相對(duì)較多，但針對(duì)多個(gè)渦旋間關(guān)系的研究相對(duì)較少，特別是偶極子模式，當(dāng)前的研究并沒(méi)有完全揭示這種結(jié)構(gòu)在海洋中的分布規(guī)律，也沒(méi)有充分解釋偶極子和單個(gè)渦旋之間的內(nèi)在的客觀聯(lián)系；同時(shí)偶極子是一種內(nèi)部相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，彼此之間一定程度上相互獨(dú)立的影響著海洋環(huán)境；渦旋以偶極子的形式參與到能量和物質(zhì)運(yùn)輸[7]，兩者是個(gè)體與整體的關(guān)系，但作為一個(gè)整體它在能量、溫度和鹽度等方面的影響將會(huì)產(chǎn)生新的變化[4]；因此需要對(duì)偶極子的特性進(jìn)行單獨(dú)的統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)對(duì)累計(jì)23年的渦旋追蹤數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，本文共發(fā)現(xiàn)了超過(guò)10萬(wàn)對(duì)偶極子，并且發(fā)現(xiàn)在全球海洋的不同區(qū)域偶極子具有不同的傳播和演變特征。本文對(duì)這些偶極子軌跡的演變模式進(jìn)行了分類和分析，并利用海表面溫度異常（Sea Surface Temperature Anomaly, SSTA）和海表鹽度異常（Sea Surface Salinity Anomally, SSSA）驗(yàn)證了典型偶極子的存在。

本文的剩余部分組織如下：在第二節(jié)簡(jiǎn)要總結(jié)了前期相關(guān)工作和成果后，在第三節(jié)提出全球偶極子的自動(dòng)識(shí)別提取方法，并在第四節(jié)展示了全球識(shí)別結(jié)果。在第五節(jié)，本文分別介紹伴隨時(shí)間長(zhǎng)、傳播速度快和糾纏傳播的偶極子特征，并通過(guò)疊加SSSA和SSTA背景數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證它們的存在。最后，對(duì)本文進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)，并描述了未來(lái)的研究方向。

2 相關(guān)工作

目前，國(guó)際上針對(duì)偶極子模式的研究主要集中在局部區(qū)域或者少數(shù)幾個(gè)軌跡。Apango-Figueroa等[7]針對(duì)加利福尼亞南部灣中尺度偶極子的三維分布進(jìn)行了分析，研究了偶極子對(duì)生物指標(biāo)的影響。Carton等[8]報(bào)告了在圣文森頓角西南部發(fā)現(xiàn)和采樣的兩個(gè)中尺度渦旋的演變，這兩個(gè)渦旋短暫的相互作用并發(fā)展，然后分離，遵循不同的軌跡繼續(xù)傳播。Hooker等[4]通過(guò)對(duì)海達(dá)–格瓦伊南端圣詹姆斯角潮流的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)了一些中尺度偶極子是由潮汐渦旋周期性合并而成的。Davies等[9]研究了位于加利福尼亞灣的渦旋偶極子，通過(guò)從多普勒海流剖面儀獲得的速度剖面數(shù)據(jù)和從配備多種傳感器的溫鹽深剖面儀探頭得到了許多垂直剖面特性數(shù)據(jù)，并分析了偶極子幼魚(yú)棲息地的影響。de Ruijter等[10]利用TP/ERS衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)，在馬達(dá)加斯加?xùn)|南部發(fā)現(xiàn)了17對(duì)偶極子模式，這些渦旋攜帶大量馬達(dá)加斯加暖流的水注入阿古拉斯回流區(qū)，并且在莫桑比克海盆區(qū)域變得不穩(wěn)定，然后發(fā)生多次分裂與合并，這些渦旋對(duì)的產(chǎn)生具有較強(qiáng)的周期性，并且與印度洋偶極子和厄爾尼諾現(xiàn)象之間存著年際關(guān)聯(lián)。

在國(guó)內(nèi)，有關(guān)南海以及印度洋等海域的偶極子模式研究比較多。Chu等[11]研究了南海的厄爾尼諾-南方濤動(dòng) (El Ni?o–Southern Oscillation, ENSO)和渦旋偶極子的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)了ENSO對(duì)于偶極子產(chǎn)生的促進(jìn)作用。樊孝鵬等[12]通過(guò)對(duì)南海衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行希爾伯特–黃變換得到了海平面高度變化的能量頻率時(shí)間譜，并發(fā)現(xiàn)了一對(duì)中心分別位于海南島和呂宋島周圍海域的隨季節(jié)變化的偶極子模式。陳符森等[13]借助多年海面高度異常（Sea Level Anomaly, SLA）數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究了南海海域渦動(dòng)能比，發(fā)現(xiàn)了AE和CE交錯(cuò)分布在南海東部，越南東部渦旋呈偶極子分布，且具有季節(jié)性變化。楊秋明[14]通過(guò)對(duì)南印度洋多年的海溫資料進(jìn)行主成分分析得到了海溫主要模態(tài)，結(jié)合中國(guó)降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了南印度洋副熱帶偶極子型海溫異常強(qiáng)度和春季華北地區(qū)降水狀況的潛在關(guān)聯(lián)。徐海明等[15]進(jìn)一步總結(jié)了南印度洋偶極子氣候變化的影響，指出它能夠影響熱帶和熱帶外大氣環(huán)流。

總體上目前的研究主要集中在局部范圍內(nèi)的偶極子特征，針對(duì)全球范圍內(nèi)的偶極子的識(shí)別和分析很少出現(xiàn)。采用的識(shí)別方法主要為人工判別，主觀性較大，并且由于海洋數(shù)據(jù)的體量巨大，計(jì)算任務(wù)非常復(fù)雜，隨著觀測(cè)手段的不斷提升，這種矛盾會(huì)進(jìn)一步的增加，提出能夠自動(dòng)識(shí)別偶極子的算法的重要性日益突出。

3 偶極子自動(dòng)識(shí)別方法

3.1 渦旋識(shí)別與追蹤

目前已經(jīng)存在許多渦旋自動(dòng)識(shí)別算法，這些算法可以分為3類：（1）基于物理參數(shù)的方法，包括Okubo–Weiss參數(shù)法[16]，基于纏繞角度的方法[17–18]和小波分析法[19]；（2）基于流向的方法[20]；（3）基于海洋高度數(shù)據(jù)的方法[21–22]。除此之外，還有一種基于拉格朗日的現(xiàn)代方法[23–24]也被提出來(lái)用于確定在湍流中的渦旋結(jié)構(gòu)。

渦旋軌跡的追蹤方法主要有兩大類。第一類追蹤方法被稱為基于相似性的方法。Penven 等[25]首次使用無(wú)量綱的歐幾里渦流特征距離來(lái)描述兩組連續(xù)高度計(jì)數(shù)據(jù)中的渦旋相似性，該方法及其改進(jìn)版本已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于全球中尺度渦追蹤[26–27]。第二種被廣泛應(yīng)用的渦旋軌跡追蹤算法是由Chelton等[21]提出，這種方法包括找到最佳匹配的渦旋，以及在兩個(gè)連續(xù)的時(shí)間序列中，使用指定的閾值限制進(jìn)而進(jìn)行自動(dòng)追蹤操作。

3.2 相關(guān)數(shù)據(jù)

本文使用的渦旋識(shí)別和追蹤數(shù)據(jù)是由Tian等[28]發(fā)布的（http://coadc.ouc.edu.cn/tfl/）。該渦旋識(shí)別數(shù)據(jù)是基于空間分辨率為(1/4)°×(1/4)°、時(shí)間分辨率為1 d的SLA數(shù)據(jù)[29]得到，通過(guò)海面高度（Sea Surface Height,SSH）法完成渦旋識(shí)別，并進(jìn)行了渦旋軌跡追蹤。Chelton等[21]已經(jīng)證明，基于SSH的方法能夠有效避免額外的噪聲引入和冗余的渦旋檢測(cè)，使用基于其他方法識(shí)別的渦旋數(shù)據(jù)進(jìn)行偶極子模式檢測(cè)，結(jié)果可能存在差異，但本文提出的偶極子模式匹配算法是相對(duì)獨(dú)立的模塊。本文使用的從1993年1月到2016年9月期間的追蹤數(shù)據(jù)中有大約超過(guò)300萬(wàn)條渦旋軌跡。由于本文采用的SLA數(shù)據(jù)精度為(1/4)°×(1/4)°，因此通過(guò)本文算法識(shí)別得到的偶極子渦旋必須滿足半徑大于(1/4)°，但是本文的提取算法針對(duì)不同的分辨率具有良好的自適應(yīng)性和伸縮性，隨著數(shù)據(jù)精度的提高，得到的識(shí)別結(jié)果也會(huì)得到相應(yīng)的提升。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于偶極子的準(zhǔn)確定義隨著研究區(qū)域的改變?nèi)晕唇y(tǒng)一，為了能夠在全球范圍內(nèi)統(tǒng)一地提取偶極子模式，在本文中將其定義為在累計(jì)時(shí)間I(≥60) d內(nèi)連續(xù)保持共同移動(dòng)的一對(duì)氣旋和反氣旋渦形成的渦旋對(duì)，并且要求兩者渦心距離D小于閾值（2.5°（緯度/經(jīng)度），計(jì)算時(shí)換算成球面距離），這種定義是對(duì)局地不穩(wěn)定性引發(fā)的偶極子現(xiàn)象的擴(kuò)展，是AE和CE彼此之間形成的新的拓?fù)潢P(guān)系，它們以一種相對(duì)穩(wěn)定的整體在較長(zhǎng)的時(shí)間里共同影響海洋環(huán)境。這種廣義偶極子模式不僅僅分布于特殊地區(qū)，因此它的存在和特性會(huì)受到羅斯貝波和海水層結(jié)效應(yīng)影響[30]。鄭全安等[31]把南海中尺度渦作為群體傳播的現(xiàn)象歸結(jié)為長(zhǎng)壽渦列、駐波模態(tài)和羅斯貝標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)3種認(rèn)識(shí)。Xie等[32]進(jìn)一步針對(duì)南海海盆模擬了由AE、CE交替組成的羅斯貝標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)，并通過(guò)SLA數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這一模式的周期性。由于羅斯貝波即是以正負(fù)海面高度異常傳播的，在海盆內(nèi)，波動(dòng)與邊界相互作用還會(huì)形成固有模態(tài)，使得整個(gè)海盆內(nèi)多個(gè)棋盤狀分布的正負(fù)渦旋同步向西移動(dòng)，在羅斯貝波機(jī)制下大多數(shù)渦旋在相隔不遠(yuǎn)處有反極性渦旋是較為常見(jiàn)的[33]，單個(gè)中尺度渦一定程度上可以看做非線性羅斯貝波一部分。同時(shí)Chelton等[34]也提出在北太平洋緯度小于25°N區(qū)域內(nèi)，檢測(cè)到的SSH變化符合羅斯貝線性波理論，而在25°N以北區(qū)域則主要?dú)w因于非線性渦旋信號(hào)。本文更關(guān)注的是渦旋對(duì)的匹配機(jī)制，因此并未對(duì)不同性質(zhì)的渦旋信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。另外，本文使用的SSTA數(shù)據(jù)來(lái)源為美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局的甚高分辨率掃描輻射計(jì)數(shù)據(jù)(https://www.ncei.noaa.gov/data/)，其數(shù)據(jù)的空間分辨率精度為 (1/4)°×(1/4)°，時(shí)間分辨率為1 d。海表面鹽度數(shù)據(jù)來(lái)源于歐空局土壤水分和海洋鹽度衛(wèi)星的海表面鹽度L3級(jí)產(chǎn)品(http://bec.icm.csic.es/ocean-global-sss/)，由于本文最終使用的是SSSA數(shù)據(jù)，因此我們以每年海表面鹽度數(shù)據(jù)的平均數(shù)據(jù)作為該年數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)，進(jìn)而獲得了SSSA數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的空間分辨率精度為 (1/4)°×(1/4)°，時(shí)間分辨率為1 d。

3.3 偶極子提取

傳統(tǒng)的偶極子渦旋識(shí)別方法通常是基于目視解譯的，存在較大的局限性，特別是在數(shù)據(jù)量較大的情況下，這種方法既困難又耗時(shí)。針對(duì)這一大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)，本文提出了一種基于渦旋追蹤數(shù)據(jù)的自動(dòng)偶極子提取方法，這種方法由3步組成，如圖1a所示。

第一步是數(shù)據(jù)預(yù)處理。原始渦旋追蹤數(shù)據(jù)每一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)為與渦旋位置有關(guān)的數(shù)組，這種結(jié)構(gòu)不適合通過(guò)日期進(jìn)行快速定位渦旋數(shù)據(jù)。為此我們構(gòu)建了一個(gè)以日期為索引值，以渦旋為實(shí)值的字典結(jié)構(gòu)。這個(gè)新數(shù)據(jù)集中的每一項(xiàng)記錄了當(dāng)天的全球渦旋數(shù)據(jù)。為了方便區(qū)分渦旋極性，我們將氣旋和反氣旋渦旋軌道分別映射到兩組這種新的結(jié)構(gòu)中。經(jīng)過(guò)這一處理步驟，將會(huì)得到兩組記錄不同日期的氣旋和反氣旋渦旋的數(shù)據(jù)集，便于之后的處理工作。

第二步是渦旋對(duì)探測(cè)。對(duì)于從第一步獲得的每一天的全球渦旋數(shù)據(jù)，我們基于渦旋之間的距離建立K–D樹(shù)，實(shí)現(xiàn)空間分割。在K–D樹(shù)上新增、刪除和最近鄰搜索節(jié)點(diǎn)，平均復(fù)雜度為O(logN)，如果不采用K–D樹(shù)，每次匹配操作的平均復(fù)雜度為O(N)，因此使用K–D樹(shù)之后，可以實(shí)現(xiàn)渦旋數(shù)據(jù)的快速定位和匹配。K–D樹(shù)算法已經(jīng)在海洋領(lǐng)域得到了許多應(yīng)用。為了能夠快速檢索數(shù)據(jù)塊，陳秋等[35]在構(gòu)建高精度數(shù)字水深模型中利用了格網(wǎng)樹(shù)和K–D樹(shù)結(jié)合的方式，提升了檢索效率；Tian等[28]和Sun等[36]在渦旋追蹤過(guò)程中也通過(guò)引入K–D樹(shù)算法加快渦旋匹配追蹤；Lynch等[37]將這種算法應(yīng)用到了流體模擬過(guò)程中從而改進(jìn)了求解效率。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，本文使用的計(jì)算平臺(tái)為Win10教育版x64系統(tǒng)，CPU為8核Intel(R) Core(TM) i7-3770K @ 3.50GHz，內(nèi)存為 16 GB，在不使用K–D樹(shù)的情況下，完成23年數(shù)據(jù)的計(jì)算大約需要16.09 h，而經(jīng)過(guò)K–D樹(shù)優(yōu)化之后，只需722.64 s即可完成全部數(shù)據(jù)的計(jì)算，效率提升了80多倍。

基于上述過(guò)程建立的K–D樹(shù)，我們?cè)谝欢ň嚯xD內(nèi)搜索每個(gè)氣旋渦周圍的反氣旋渦，建立一個(gè)新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：渦旋對(duì) (AE，CE，T)，AE 和 CE 分別表示反氣旋渦和氣旋渦，T用于記錄渦旋對(duì)的累計(jì)伴隨時(shí)間，初始化為1。由于這種軌跡匹配過(guò)程可能中間出現(xiàn)若干天的丟失現(xiàn)象，導(dǎo)致記錄的渦旋對(duì)出現(xiàn)臨時(shí)性的中斷，但當(dāng)它們?cè)俅纬霈F(xiàn)時(shí)，T的記錄將會(huì)保留上次的結(jié)果，而不是作為新的渦旋對(duì)記錄。因此，T可以用來(lái)表示兩個(gè)渦旋軌跡在一定距離內(nèi)累計(jì)相伴的時(shí)間。在最終的結(jié)果提取時(shí)，本文只保留那些相伴時(shí)間超過(guò)60 d的渦旋對(duì)。以圖1b至圖1e為例，渦旋A和B在不同時(shí)間點(diǎn)如果被判斷為最接近并且距離小于D，那么TAB就會(huì)增加1，匹配過(guò)程中如果A和B間的距離不再滿足條件時(shí)，TAB并不會(huì)清零（如圖1b所示），當(dāng)條件再次符合時(shí)，將會(huì)繼續(xù)累加計(jì)數(shù)。如果最終TAB大于最低伴隨天數(shù)的閾值，那么A和B將會(huì)被判定為一對(duì)穩(wěn)定的渦旋對(duì)。

第三步是偶極子軌跡提取。本文算法將會(huì)跟蹤渦旋追蹤數(shù)據(jù)中的每個(gè)渦旋對(duì)結(jié)構(gòu)(AE，CE，T)，并計(jì)算出各渦旋對(duì)的最大傳播速度和平均傳播速度，同時(shí)還可以得到傳播距離和伴隨壽命等特性，并將其保存為渦旋對(duì)的特征值。對(duì)于每個(gè)特征值，本文算法可以通過(guò)設(shè)置閾值來(lái)過(guò)濾渦旋對(duì)，最終保留下來(lái)的渦旋對(duì)結(jié)果將被作為偶極子識(shí)別結(jié)果存儲(chǔ)出來(lái)。Hughes和Miller[6]認(rèn)為偶極子模式是理論上預(yù)測(cè)的例外，它可以以遠(yuǎn)大于羅斯貝波速的速度將水輸送到東部或西部，導(dǎo)致熱量和營(yíng)養(yǎng)等的異常傳輸。但關(guān)于相關(guān)篩選的閾值如何設(shè)定目前還沒(méi)有確切的定論，隨著相關(guān)理論的發(fā)展，可以進(jìn)一步改進(jìn)本文算法，以支持更加精細(xì)化的特定偶極子模式識(shí)別。

圖1 偶極子模式提取算法Fig.1 Recognition algorithm of global mesoscale dipole

4 偶極子識(shí)別結(jié)果

本文根據(jù)已有1 616 191條氣旋渦軌跡和1 589 949條反氣旋渦軌跡，總共發(fā)現(xiàn)有向東傳播的30 590對(duì)偶極子和向西傳播的86 662對(duì)偶極子，并獲得了全球偶極子軌跡。圖2a中紅色和藍(lán)色軌跡線分別代表向東和向西移動(dòng)的偶極子的所有軌跡，這些組成偶極子的兩個(gè)渦旋在2.5°范圍內(nèi)保持一定距離共同移動(dòng)超過(guò)60 d時(shí)間。向東移動(dòng)的偶極子大部分分布在ACC地區(qū)，部分分布在北太平洋(North Pacific Ocean, NPO)和北大西洋(North Atlantic Ocean, NAO)地區(qū)（圖2b），可以發(fā)現(xiàn)向東移動(dòng)的偶極子集中分布在高緯度地區(qū)，這應(yīng)該與活躍在這些地區(qū)的較強(qiáng)的東向洋流活動(dòng)有關(guān)。另一方面，向西移動(dòng)的偶極子主要分布在赤道兩側(cè)，一小部分向西移動(dòng)的偶極子分布在NPO和NAO地區(qū)（圖2c）。根據(jù)Chelton等[21]的研究，東向傳播的渦旋通常分布于南極繞極流、黑潮以及大淺灘等地區(qū)，西向傳播的渦旋則主要分布在中低緯度地區(qū)，本文得到的偶極子識(shí)別結(jié)果和這一結(jié)果基本一致，這說(shuō)明渦旋活躍地區(qū)，更容易發(fā)生偶極子的捕獲。

基于識(shí)別結(jié)果，本文進(jìn)一步分析了偶極子的傳播速度特征。圖3顯示了平均傳播速度超過(guò)5 km/d的偶極子軌跡。如圖3a所示，東向快速移動(dòng)偶極子主要分布在ACC地區(qū)，而大多數(shù)向西快速移動(dòng)的偶極子分布在赤道兩側(cè)（圖3b）。通過(guò)與全球渦旋軌跡圖像（圖3c，圖3d）的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)偶極子數(shù)量主要在黑潮地區(qū)以及阿拉斯加灣等地區(qū)相對(duì)于渦旋軌跡數(shù)量明顯減少，這可能與近大陸的地形分布以及洋流活動(dòng)有關(guān)。這些地區(qū)具有較強(qiáng)的流場(chǎng)，渦旋和流場(chǎng)、渦旋和渦旋之間的相互作用次數(shù)增加，能量消散的速度變快，導(dǎo)致渦旋生命期減短[38]，偶極子模式的存活期也會(huì)相應(yīng)減短。

圖2 通過(guò)本文方法提取偶極子軌跡Fig.2 Tracks of dipole extracted by our method

圖3 平均傳播速度超過(guò)5 km/d的偶極子或渦旋軌跡Fig.3 Tracks of dipole or eddy with average speed over 5 km/d

從識(shí)別結(jié)果中，本文發(fā)現(xiàn)了許多偶極子彼此耦合相伴了很長(zhǎng)時(shí)間。圖4顯示了彼此伴隨超過(guò)180 d的偶極子軌跡，其中一共有1 053對(duì)向東移動(dòng)的偶極子和6 294對(duì)向西移動(dòng)的偶極子一起傳播超過(guò)了6個(gè)多月時(shí)間。它們通常起源于大洋東岸，在澳大利亞?wèn)|部和南部、美國(guó)東部和非洲東北部，向西移動(dòng)的長(zhǎng)壽命偶極子分布非常廣泛。然而，除了ACC地區(qū)之外，幾乎沒(méi)有長(zhǎng)壽命的偶極子向東移動(dòng)。

圖4 伴隨時(shí)間超過(guò)180 d的偶極子或壽命超過(guò)180 d的渦旋的傳播軌跡Fig.4 Tracks of dipole or eddy that existed for over 180 days

5 偶極子驗(yàn)證及傳播模式分析

在本節(jié)中，將針對(duì)全球海洋不同區(qū)域的偶極子做進(jìn)一步的研究，分別提取并分析具有長(zhǎng)時(shí)間伴隨、傳播速度快和糾纏傳播特點(diǎn)的偶極子軌跡，具有這些傳播特點(diǎn)的渦旋已經(jīng)得到了前人的研究[21]，本文主要結(jié)合SSTA和SSSA分布情況，分析由偶極子的運(yùn)動(dòng)引發(fā)的溫度異常和鹽度異常，并驗(yàn)證偶極子的存在。在前人研究[39]的啟發(fā)下，為了直觀地觀察偶極子結(jié)構(gòu)，本文定義了以偶極子兩個(gè)渦心的中間位置為圖像中心的坐標(biāo)系，通過(guò)使用SSTA和SSSA數(shù)據(jù)繪制偶極子圖，得到了平均偶極子結(jié)構(gòu)。

5.1 長(zhǎng)時(shí)間伴隨

根據(jù)本文算法得到的全球偶極子的平均伴隨時(shí)間為92.09 d，且大部分的伴隨時(shí)間分布于60～150 d之間。

圖5a顯示了1993–2016年間伴隨時(shí)間超過(guò)60 d的117 252對(duì)偶極子首次捕獲的位置分布，可以發(fā)現(xiàn)偶極子首次捕獲的位置傾向于分布在西海岸地區(qū)，這與圖2全球偶極子的分布規(guī)律是相吻合的。把伴隨時(shí)間超過(guò)200 d的2 290對(duì)偶極子單獨(dú)計(jì)算時(shí)（圖5b），發(fā)現(xiàn)它們大部分集中分布在中緯度地區(qū)，在赤道附近幾乎沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間伴隨的偶極子誕生，這一點(diǎn)也與渦旋在低緯度地區(qū)的壽命較短的規(guī)律吻合。

圖5 以偶極子的中心(取氣旋渦和反氣旋渦的兩個(gè)渦心的中間位置)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，伴隨時(shí)間超過(guò)60 d的偶極子的首次捕獲的位置(a)和伴隨時(shí)間超過(guò)200 d的偶極子的首次捕獲位置(b)Fig.5 The center of the dipole pairs (the middle position of the two vortex center of the anticyclonic eddy and cyclonic eddy) was counted, the first capture position of dipole pairs that existed over 60 days (a) and the first capture position of dipole pairs that existed over 200 days (b)

為了更清楚地研究伴隨時(shí)間長(zhǎng)的偶極子特點(diǎn)，并驗(yàn)證偶極子的真實(shí)性，本文選取了一條傳播時(shí)間長(zhǎng)的偶極子軌跡，并結(jié)合相應(yīng)的溫鹽數(shù)據(jù)，進(jìn)行了分析。圖6a顯示了南美洲西海岸的一對(duì)向西移動(dòng)的偶極子，這對(duì)偶極子的傳播過(guò)程中的SLA圖像為圖1b至圖1e。最初，AE在72°W附近產(chǎn)生，并在此短暫停留一段時(shí)間后向西傳播。2014年12月28日，當(dāng)?shù)竭_(dá)76°W時(shí)，它和一個(gè)新誕生的CE相互吸引，隨后共同向西偏北方向傳播，兩者幾乎呈平行移動(dòng)，直到2016年3月21日，在93°W附近隨著CE的死亡，兩者作為偶極子的模式破裂。隨后AE又繼續(xù)傳播了一段時(shí)間后也消失。兩者總共伴隨了450 d，平均傳播速度為4.07 km/d。圖6b至圖6e為不同時(shí)間這對(duì)偶極子的局部識(shí)別結(jié)果，背景為SSTA數(shù)據(jù)，可以看到這對(duì)偶極子在傳播過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境的影響，從而驗(yàn)證了這對(duì)偶極子的真實(shí)存在。

本文利用SSTA數(shù)據(jù)，通過(guò)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系，并進(jìn)行歸一化處理，得到了平均偶極子結(jié)構(gòu)(圖6f)，圖中坐標(biāo)表示歸一化后的大小，無(wú)實(shí)際量綱。圖6f展示的為偶極子傳播過(guò)程中平均溫度異常，圖像中的3個(gè)加大的點(diǎn)從上到下依次為歸一化后的AE中心，偶極子中心和CE中心。可以明顯的發(fā)現(xiàn)由于這對(duì)偶極子的傳播，反氣旋渦中心周圍區(qū)域形成了一個(gè)高溫異常，氣旋渦中心周圍區(qū)域形成了一個(gè)低溫異常，圖上的兩個(gè)溫度異常中心并沒(méi)有與兩個(gè)渦心完美的重合，這可能是由于偶極子傳播過(guò)程中會(huì)對(duì)周圍水域存在攪拌效應(yīng)，導(dǎo)致兩個(gè)異常區(qū)域中心相對(duì)于渦心位置發(fā)生了一定程度的偏移。為了進(jìn)一步的驗(yàn)證這一結(jié)果，本文將2010年至2016年9月的傳播時(shí)間超過(guò)200 d的共計(jì)598對(duì)偶極子的歸一化結(jié)果進(jìn)行了疊加，得到的結(jié)果如圖6g所示，可以看到經(jīng)過(guò)多年數(shù)據(jù)的疊加，平均偶極子結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，進(jìn)而驗(yàn)證了這些渦旋以偶極子的形式參與了全球海洋的溫鹽平衡，并且經(jīng)過(guò)疊加的歸一化數(shù)據(jù)的數(shù)值都小于單個(gè)偶極子歸一化后的結(jié)果。

圖6 偶極子渦旋傳播軌跡(a)；偶極子在不同日期的渦旋識(shí)別結(jié)果(b?e)；偶極子周圍的平均溫度異常(f)；多年數(shù)據(jù)疊加后的偶極子平均溫度異常(g)Fig.6 Positions of the dipole eddy core during their life time (a), eddy detecting result of the dipole at different days with background of SSTA (b?e), the average SSTA anomalies around the dipole (f); the average superimposed SSTA around dipoles (g)

圖7展示了這對(duì)偶極子在傳播過(guò)程中，作為其組成的CE和AE的最大地轉(zhuǎn)流速度變化特征。可以發(fā)現(xiàn)在該偶極子傳播過(guò)程中，速度比值基本穩(wěn)定在1附近，但整體AE的傳播速度稍微強(qiáng)勢(shì)一點(diǎn)，平均傳播速度比值為 1.06（AE/CE）。

5.2 快速傳播的偶極子

本文定義偶極子傳播速度為其傳播距離與整個(gè)生命長(zhǎng)度的比值，基于此定義，針對(duì)所有偶極子的傳播速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到結(jié)果如圖8a所示。全部偶極子的平均傳播速度為 3.85 km/d，大部分的傳播速度為3～5 km/d，并且速度分布呈現(xiàn)出明顯的拖尾現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)中最快的傳播速度甚至達(dá)到了15 km/d以上。

為了更好地分析生命周期和傳播速度的關(guān)系，我們將傳播速度與生命周期長(zhǎng)度的變化做了一個(gè)相關(guān)性分析，結(jié)果如圖8b所示。圖中的紅線為本文做的對(duì)數(shù)擬合的結(jié)果，由于參與運(yùn)算的偶極子的時(shí)間閾值為60 d，因此0～60 d部分的數(shù)據(jù)為0，但是考慮到伴隨時(shí)間短的偶極子準(zhǔn)確性不高，因此去除這一部分之后的數(shù)據(jù)結(jié)果依然可以是可信的。通過(guò)圖像可以發(fā)現(xiàn)隨著伴隨時(shí)間的增長(zhǎng)，傳播速度整體呈現(xiàn)對(duì)數(shù)下降的趨勢(shì)。

本文將傳播速度超過(guò)5 km/d的17 990對(duì)偶極子的首次捕獲位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到了圖9a，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于傳播速度快的偶極子，大部分起源于低緯度地區(qū)，并且大部分位于緯度10°～30°之間，在赤道附近以及中高緯度地區(qū)很少有傳播速度較快的偶極子，這種分布和高速移動(dòng)的渦旋分布是相似的，這可能是受到羅斯貝波和重力波的影響。本文進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了傳播速度超過(guò)10 km/d的偶極子模式，總共發(fā)現(xiàn)了466對(duì)偶極子，其中只有17對(duì)的伴隨時(shí)間超過(guò)了100 d。

本文專門選取了其中一個(gè)較為典型的快速傳播偶極子進(jìn)行分析，它的傳播軌跡如圖9b所示。2010年12月10日，CE在39.8°W附近和一個(gè)AE組成偶極子結(jié)構(gòu)，開(kāi)始共同向東傳播；之后發(fā)生了一次轉(zhuǎn)向，在最東達(dá)到了 36.5°W 之后，兩者相伴向西傳播，并在傳播過(guò)程中發(fā)生了一次相對(duì)位置的互換，最終在2011年3月24日兩者彼此分離，隨后消失。這對(duì)偶極子總共伴隨105 d，平均傳播速度為11.84 km/d。本文為了驗(yàn)證這對(duì)偶極子在傳播過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境的影響，利用SSSA數(shù)據(jù)對(duì)它們生命期內(nèi)的鹽度背景場(chǎng)進(jìn)行歸一化處理，得到了對(duì)應(yīng)的SSSA結(jié)構(gòu)（圖9c），這一結(jié)構(gòu)和5.1節(jié)中歸一化溫度結(jié)果比較相似，在氣旋渦和反氣旋渦的渦心周圍分別形成了高鹽和低鹽異常區(qū)域，同時(shí)由于偶極子水體的攪拌作用，這兩個(gè)中心也相對(duì)于渦心存在不同程度的偏移。為了減少偶然因素的影響，本文將2010年至2016年9月的傳播速度超過(guò)10 km/d的偶極子（共計(jì)413對(duì)）歸一化結(jié)果進(jìn)行疊加，得到了圖9d，與圖6g結(jié)構(gòu)相比，偶極子海洋鹽度影響的平均結(jié)果似乎變得相對(duì)不穩(wěn)定，但在中心位置偶極子模式依然較為明顯的引起了海洋鹽度的變化。

圖7 一對(duì)偶極子傳播過(guò)程中最大地轉(zhuǎn)流速度變化（a）和對(duì)比（b）Fig.7 The changes (a) and comparisones (b) of the maximum geostrophic velocity of a dipole

圖8 偶極子傳播速度的分布(a)和偶極子傳播速度與生命周期的對(duì)應(yīng)關(guān)系(b)Fig.8 Distribution of the propagation velocity of dipole pairs (a), and the corresponding relationship between the propagation speed of dipole pairs and the life cycle (b)

圖9 傳播速度快(≥5 km/d)的偶極子首次捕獲位置的全球分布(a)；偶極子的傳播軌跡(b)；偶極子周圍的平均鹽度異常(c)；多年數(shù)據(jù)疊加后的偶極子周圍的平均鹽度異常(d)Fig.9 The first capture position of dipoles with fast propagation speed (≥5 km/d) (a); the selected dipole’s tajectory (b); the averageSSSA around the selected dipole (c); the average superimposed SSSA around dipoles (d)

5.3 糾纏傳播的偶極子

本文將作為偶極子組成的兩個(gè)渦旋彼此軌跡發(fā)生了交叉的現(xiàn)象稱為糾纏傳播；并將糾纏角度定義為：以AE為中心，在整個(gè)伴隨時(shí)期內(nèi)，CE相對(duì)于AE的坐標(biāo)方位角變化范圍為[a,b]，則b–a代表這對(duì)渦旋的纏繞角度，它表示的是在生命期內(nèi)CE相對(duì)旋轉(zhuǎn)的最大范圍。Manucharyan和Jimmermans[40]指出，假定偶極子傳播過(guò)程中兩個(gè)渦心距離保持不變，兩個(gè)渦旋在伴隨前進(jìn)過(guò)程中，如果彼此的傳播速度不同，那么兩者將作為一個(gè)整體進(jìn)行一個(gè)超大半徑的圓弧運(yùn)動(dòng)，也可能是相對(duì)的旋轉(zhuǎn)。為了能夠更加清楚地表示出這種纏繞關(guān)系，本文定義了新的坐標(biāo)系：以AE作為參考，以CE相對(duì)于參考渦旋AE的位置變化作為偶極子軌跡纏繞關(guān)系描述。經(jīng)過(guò)這種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，本文將新的偶極子軌跡重新全部疊加得到了圖10的軌跡數(shù)量分布圖。轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系后，新的軌跡大部分分布在以AE為原點(diǎn)的2.5°（緯度/經(jīng)度）范圍之內(nèi)，這和本文選擇2.5°（緯度/經(jīng)度）作為偶極子判別閾值是一致的；同時(shí)在距離原點(diǎn)小于1°（緯度/經(jīng)度）的區(qū)域內(nèi)也幾乎沒(méi)有偶極子軌跡的存在，這是受到了本文采用的SSH數(shù)據(jù)精度限制。距離原點(diǎn)1.5°～2°（緯度/經(jīng)度）之間的區(qū)域有著最豐富的偶極子軌跡分布，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在緯向方向上偶極子軌跡分布的密度更大，而在經(jīng)向方向上偶極子軌跡較為稀疏，并且密度分布呈現(xiàn)出緯向條帶狀，這可能與偶極子?xùn)|西向傳播占優(yōu)有關(guān)[21]。

圖10 以反氣旋為原點(diǎn)，全球偶極子軌跡疊加示意圖Fig.10 Superposition of global dipole trajectories with anticyclone as the origin of coordinates

經(jīng)過(guò)分析后本文發(fā)現(xiàn)，大部分的偶極子所做的糾纏運(yùn)動(dòng)的角度都相對(duì)較小，平均的纏繞角度為41.3°，這與偶極子各個(gè)組成部分具有相近的傳播速度的現(xiàn)象吻合。但是，仍然存在許多偶極子具有較大的纏繞角度，本文選取了伴隨過(guò)程中纏繞角度超過(guò)90°的糾纏傳播偶極子作為典型糾纏傳播偶極子進(jìn)行研究，并總共得到了8 528對(duì)伴隨時(shí)間超過(guò)60 d的軌跡，結(jié)果如圖11a所示。本文選擇了其中一個(gè)典型的糾纏傳播偶極子進(jìn)行研究分析，其傳播軌跡如圖11b所示，它們一同向西南傳播，在傳播過(guò)程中兩者并沒(méi)有保持相對(duì)平行的傳播。相反，CE和AE在傳播過(guò)程中相互糾纏，并且發(fā)生多次位置交換。2015年11月8日CE首先誕生，在它先向南移動(dòng)幾天后，2015年12月7日AE出現(xiàn)在它的南部，隨后二者相互吸引，并共同移動(dòng)，在伴隨過(guò)程里CE與AE的相對(duì)位置共發(fā)生了7次位置交換，纏繞角度達(dá)到了167°，最終AE的位置位于CE的北部，并在2016年5月13日兩者同時(shí)消失。基于SSTA和SSSA數(shù)據(jù)，可以獲得這對(duì)偶極子周圍影響的歸一化結(jié)構(gòu)（圖11c至圖11d），由于偶極子的彼此纏繞，導(dǎo)致形成的歸一化結(jié)果相對(duì)松散，但仍然可以展現(xiàn)出對(duì)溫度和鹽度的影響。圖11e至圖11f展示的是2010年到2016年9月期間的纏繞角度超過(guò)120°的偶極子(共計(jì)858對(duì))歸一化的疊加結(jié)果，經(jīng)過(guò)多次疊加取均值，有效的降低了單個(gè)軌跡的偶然性，偶極子結(jié)構(gòu)更加明顯。

圖11 全球糾纏傳播偶極子(纏繞角度大于90°)軌跡(a)；選取的糾纏傳播的偶極子軌跡(b)；經(jīng)過(guò)歸一化后的偶極子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(c?f)選取的偶極子周圍的平均溫度異常(c)；選取的偶極子周圍的平均鹽度異常(d)；多年數(shù)據(jù)疊加后的偶極子周圍的平均溫度異常(e)；多年數(shù)據(jù)疊加后的偶極子周圍的平均鹽度異常(f)。紅色粗點(diǎn)代表歸一化后AE渦心，藍(lán)色粗點(diǎn)代表歸一化后CE渦心Fig.11 Trajectories of tangle dipole (a).The selected dipole’s trajectory (b), blue represents CE,purple represents AE.Nnormalized dipole structure (c)(d)(e)(f), the red dot represents the normalized AE core, and the blue dot represents the normalized CE core.The average SSTA around the selected dipole (c).The average SSSA around the selected dipole (d).The average superimposed SSTA around dipoles(e).The average superimposed SSSA around dipoles (f)

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要圍繞全球范圍內(nèi)偶極子的識(shí)別提出了一種高效的自動(dòng)化提取算法。如果兩個(gè)渦旋間存在偶極子模式，那么它們應(yīng)當(dāng)在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持較近的距離共同傳播。本文使用距離指標(biāo)衡量渦旋之間的緊密程度，使用累積伴隨時(shí)間指標(biāo)衡量匹配的穩(wěn)定性，借助于K-D樹(shù)的空間索引效率，可以在12 min左右完成23年間渦旋數(shù)據(jù)的匹配過(guò)程。對(duì)于匹配得到的渦旋對(duì)，可以計(jì)算其相關(guān)傳播特性，并可以通過(guò)設(shè)置閾值的方式進(jìn)行篩選。利用該算法對(duì)1993—2016年間的渦旋軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和計(jì)算，本文總共得到了超過(guò)10萬(wàn)對(duì)偶極子軌跡。隨后本文根據(jù)偶極子識(shí)別結(jié)果，分別分析了具有伴隨時(shí)間長(zhǎng)、傳播度速度快和糾纏傳播特點(diǎn)偶極子的傳播特性，并通過(guò)SSTA和SSSA數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)典型偶極子模式的歸一化統(tǒng)計(jì)，本文發(fā)現(xiàn)偶極子在傳播過(guò)程中以相對(duì)穩(wěn)定的整體對(duì)周圍水域的海洋環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響，驗(yàn)證了渦旋以偶極子的形式參與了全球海洋生物化學(xué)環(huán)境的平衡與發(fā)展。

本文提取的偶極子是對(duì)局部區(qū)域偶極子模式概念上的拓展，其分布將不會(huì)局限于某些特殊地區(qū)，這也導(dǎo)致其特性將會(huì)受到背景流場(chǎng)和層結(jié)場(chǎng)的影響。因此這種算法主要是提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的偶極子提取方法的框架，其中的各項(xiàng)參數(shù)仍需要做進(jìn)一步調(diào)整和完善，比如通過(guò)要求傳播速度遠(yuǎn)超羅斯貝波速的速度[6]，可以有效的避免羅斯貝波引發(fā)的正反渦旋相間排布的冗余判斷，而相關(guān)參數(shù)的確定需要進(jìn)一步的研究并反作用于本算法。由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)于偶極子的研究必須考慮其具體所處的地形與海洋環(huán)境，才能夠更加細(xì)化的解釋偶極子模式的外在表征和內(nèi)在機(jī)理，針對(duì)不同區(qū)域的基于不同成因的偶極子模式識(shí)別，是下一步研究的重要課題。

偶極子是氣旋渦和反氣旋渦彼此吸引捕獲形成的海洋特殊現(xiàn)象，它是描述渦旋間關(guān)系的一種方式，我們推測(cè)不同偶極子在海洋傳播過(guò)程中也有可能存在聚集效益并捕獲，從而構(gòu)成一個(gè)更大集群，并且本文在偶極子識(shí)別和分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在單個(gè)渦旋與多個(gè)渦旋出現(xiàn)伴隨傳播的現(xiàn)象，說(shuō)明多個(gè)渦旋之間也可能存在著吸引效應(yīng)。研究這些彼此吸引的多個(gè)渦旋能夠更加深入地揭示海洋中的物質(zhì)能量運(yùn)輸機(jī)制，這些現(xiàn)象與課題需要未來(lái)進(jìn)一步的探討。基于本文算法，我們同樣得到了一些南海區(qū)域的偶極子模式，將該結(jié)果與以往研究[12–13]的對(duì)比以及針對(duì)南海海域做更加深入的研究，也是我們未來(lái)工作的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)。