[发明专利]一种海洋第一模态罗斯贝波信号分离与提取方法

说明书

本发明公开了本发明涉及一种海洋第一斜压模态罗斯贝波信号分离与提取技术与算法。该算法以2016～2019年高度计卫星海面高度异常数据融合产品和高度计涡旋识别算法为基础，通过理论设计的一系列2D‑FIR滤波器为依据。本发明证实了海洋罗斯贝的真实存在性，通过引入初始涡旋场信号，实现定量评估各大洋中真实罗斯贝波信号的比例。发现海洋中主导波信号为两年和年周期罗斯贝波信号，在太平洋最为显著(中纬度高达25％)，印度洋具有最显著的年周期罗斯贝波信号，大西洋中的罗斯贝变波信号相对较弱。该发明首次实现了定量评估海洋罗斯贝波能量，可为更新海洋数值模式提供数据参考，为推动海气相互作用和气候变化等研究做出贡献。

技术领域

本发明涉及物理海洋监测分析技术领域，具体为一种海洋第一模态罗斯贝波信号分离与提取方法。

背景技术

海洋罗斯贝波与中尺度涡旋作为海洋响应大气驱动的两种主要表现形式，对全球海洋的动量平衡与物质循环起到至关重要的作用。涡旋具有显著的海流特征。在水平方向上，呈现出流线封闭的环形结构，流速比大洋内区背景环流的流速大一到两个量级；垂直方向上，气旋式和反气旋式涡旋分别对应着温跃层的抬升与下压，所产生的上升流与下降流亦比背景环流垂向速度大一到两个数量级。其时间尺度从几天到几年不等，水平空间尺度为十千米至几百千米(平均半径在～100km)，垂直尺度约为几十米到上千米，每天的传播速度在几千米量级。中尺度涡旋的数量众多，在全球广泛分布，作为海洋中大尺度与小尺度现象之间能量级联的重要桥梁，是近几十年海洋学研究的核心话题。

与涡旋不同，罗斯贝(Rossby)波则是以波动特性为主导。Rossby波是海洋层结之间的一种垂直波动现象，与小尺度波浪类似，它也具有一系列显著的波峰和波谷并垂直于相位的传播方向，形态结构是波和涡最直观的差异。同时，波动现象的本质是水质点的周期性震荡，即波动自身只传播能量不输运物质。其存在源自于地球的旋转特征与球形结构，且理论上应广泛存在于特定纬度(近45°)以内的海区。根据线性准地转理论，罗斯贝波有助于维持中纬度环流和强化西边界流，是海洋学中大尺度大洋环流理论的核心。其水平尺度在1000千米量级，而引起的海面高度异常(SLA)仅为厘米量级。上世纪七十年代最著名的早期大洋观测实验，如POLYGON和MODE实验，也只是如“盲人摸象”，观测尺度也仅限于涡旋。因此，传统的水文测量很难对其开展全貌的观测，遥感观测就成为了证实理论和揭示罗斯贝波特性的最佳手段。

简化的中尺度涡旋是孤立的、流线封闭的近似于椭圆的流体结构，而罗斯贝波是由一系列波峰、波谷构成，且近似垂直于相位传播方向。两者在海表面的宏观特征差异巨大，空间尺度大使得传统的水文观测较为困难，遥感就成为获取结构特征的主要手段。然而，受当代卫星高度计单点采样模式的低时空分辨率限制，共同传播的涡旋能够在海面高度异常(sea level anomaly，SLA)场中展示为类波结构的模态。基于位涡守恒，涡旋与Rossby波有着相似的固有西向传播速度，因此涡旋也就能在低分辨率测高数据场中伪装成Rossby波，这一问题严重阻碍了海洋Rossby波的明确提取，使得海洋Rossby与中尺度涡的信号分离成为跨世纪难题。

2016～2019年同时在轨运行的高度计卫星高达六颗，具备前所未有的高度计采样能力，多星融合后的SLA数据集产品具备1天时间分辨率和1/4°的空间分辨率，这也为区分波涡问题提供了机遇。涡旋识别是推动海洋涡旋研究与理论认知进程中最重要的一步，目前应用最为广泛的方法是Chelton等2011年提出的基于高度计观测的海面拓扑法，即基于反气旋涡引起的正的SLA和气旋涡引起负的SLA的拓扑结构来识别涡旋。因此，结合物理海洋学对罗斯贝波的理论研究和计算机对滤波算法的改进，以及最新的高度计数据产品，我们尝试定量化提取和评估海洋第一斜压模态罗斯贝波。

发明内容

本发明公开了一种海洋第一斜压模态罗斯贝波信号的分离与提取方法，它以高度计观测与识别的涡旋数据集为基础，以罗斯贝波理论为依据，结合二维响应脉冲滤波器(2D-FIR)开展各大洋独立的滤波工作，通过去除中、小尺度信号伪装的类波分量，实现真实的海洋罗斯贝波信号评估。

所采用的技术方案如下：