[發明專利]一種海洋第一模態羅斯貝波信號分離與提取方法

有效

• 申請號: 202110692082.0
• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113507280B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 曹川川;陳戈;陳笑炎;王璇;黃寶香;葛林堯
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: H03H17/06
• 分類號: H03H17/06
• 代理公司: 青島鼎丞智佳知識產權代理事務所(普通合伙) 37277
• 代理人: 曲志乾

本發明公開了本發明涉及一種海洋第一斜壓模態羅斯貝波信號分離與提取技術與算法。該算法以2016～2019年高度計衛星海面高度異常數據融合產品和高度計渦旋識別算法為基礎，通過理論設計的一系列2D?FIR濾波器為依據。本發明證實了海洋羅斯貝的真實存在性，通過引入初始渦旋場信號，實現定量評估各大洋中真實羅斯貝波信號的比例。發現海洋中主導波信號為兩年和年周期羅斯貝波信號，在太平洋最為顯著(中緯度高達25％)，印度洋具有最顯著的年周期羅斯貝波信號，大西洋中的羅斯貝變波信號相對較弱。該發明首次實現了定量評估海洋羅斯貝波能量，可為更新海洋數值模式提供數據參考，為推動海氣相互作用和氣候變化等研究做出貢獻。

技術領域

本發明涉及物理海洋監測分析技術領域，具體為一種海洋第一模態羅斯貝波信號分離與提取方法。

背景技術

海洋羅斯貝波與中尺度渦旋作為海洋響應大氣驅動的兩種主要表現形式，對全球海洋的動量平衡與物質循環起到至關重要的作用。渦旋具有顯著的海流特征。在水平方向上，呈現出流線封閉的環形結構，流速比大洋內區背景環流的流速大一到兩個量級；垂直方向上，氣旋式和反氣旋式渦旋分別對應著溫躍層的抬升與下壓，所產生的上升流與下降流亦比背景環流垂向速度大一到兩個數量級。其時間尺度從幾天到幾年不等，水平空間尺度為十千米至幾百千米(平均半徑在～100km)，垂直尺度約為幾十米到上千米，每天的傳播速度在幾千米量級。中尺度渦旋的數量眾多，在全球廣泛分布，作為海洋中大尺度與小尺度現象之間能量級聯的重要橋梁，是近幾十年海洋學研究的核心話題。

與渦旋不同，羅斯貝(Rossby)波則是以波動特性為主導。Rossby波是海洋層結之間的一種垂直波動現象，與小尺度波浪類似，它也具有一系列顯著的波峰和波谷并垂直于相位的傳播方向，形態結構是波和渦最直觀的差異。同時，波動現象的本質是水質點的周期性震蕩，即波動自身只傳播能量不輸運物質。其存在源自于地球的旋轉特征與球形結構，且理論上應廣泛存在于特定緯度(近45°)以內的海區。根據線性準地轉理論，羅斯貝波有助于維持中緯度環流和強化西邊界流，是海洋學中大尺度大洋環流理論的核心。其水平尺度在1000千米量級，而引起的海面高度異常(SLA)僅為厘米量級。上世紀七十年代最著名的早期大洋觀測實驗，如POLYGON和MODE實驗，也只是如“盲人摸象”，觀測尺度也僅限于渦旋。因此，傳統的水文測量很難對其開展全貌的觀測，遙感觀測就成為了證實理論和揭示羅斯貝波特性的最佳手段。

簡化的中尺度渦旋是孤立的、流線封閉的近似于橢圓的流體結構，而羅斯貝波是由一系列波峰、波谷構成，且近似垂直于相位傳播方向。兩者在海表面的宏觀特征差異巨大，空間尺度大使得傳統的水文觀測較為困難，遙感就成為獲取結構特征的主要手段。然而，受當代衛星高度計單點采樣模式的低時空分辨率限制，共同傳播的渦旋能夠在海面高度異常(sea level anomaly，SLA)場中展示為類波結構的模態。基于位渦守恒，渦旋與Rossby波有著相似的固有西向傳播速度，因此渦旋也就能在低分辨率測高數據場中偽裝成Rossby波，這一問題嚴重阻礙了海洋Rossby波的明確提取，使得海洋Rossby與中尺度渦的信號分離成為跨世紀難題。

2016～2019年同時在軌運行的高度計衛星高達六顆，具備前所未有的高度計采樣能力，多星融合后的SLA數據集產品具備1天時間分辨率和1/4°的空間分辨率，這也為區分波渦問題提供了機遇。渦旋識別是推動海洋渦旋研究與理論認知進程中最重要的一步，目前應用最為廣泛的方法是Chelton等2011年提出的基于高度計觀測的海面拓撲法，即基于反氣旋渦引起的正的SLA和氣旋渦引起負的SLA的拓撲結構來識別渦旋。因此，結合物理海洋學對羅斯貝波的理論研究和計算機對濾波算法的改進，以及最新的高度計數據產品，我們嘗試定量化提取和評估海洋第一斜壓模態羅斯貝波。

發明內容

本發明公開了一種海洋第一斜壓模態羅斯貝波信號的分離與提取方法，它以高度計觀測與識別的渦旋數據集為基礎，以羅斯貝波理論為依據，結合二維響應脈沖濾波器(2D-FIR)開展各大洋獨立的濾波工作，通過去除中、小尺度信號偽裝的類波分量，實現真實的海洋羅斯貝波信號評估。

所采用的技術方案如下：