南海中尺度涡旋移动的空间聚类研究

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中尺度涡是海洋中的一种常见的动力学现象,从其产生到消亡的过程中处于不断运动和变化中。由于中尺度涡在其不断运动的过程中伴随着能量和物质的运输,因而会对海洋的温度、盐度、水团、能量、生物化学性质以及环流结构产生重要影响。已有研究表明,涡旋移动存在明显的活跃区域且涡动能存在明显的区域不均匀性,而空间聚类作为一种挖掘空间对象聚集特征的有效方法,因此,为了快速、合理的发现涡旋区域聚集性移动规律,本文选择适合于分析移动现象的区域化和社区划分两种空间聚类方法,以南海1992-2012年卫星高度计数据自动识别和跟踪所得到的涡旋移动数据为基础,分别对南海涡旋移动区域聚集性特征和规律进行研究。  从区域化角度出发,首先将基于GIS时空表达模型的涡旋过程数据转化为基于图论模型的涡旋瞬时移动数据,然后基于网格移动的区域化方法,将南海划分成3个涡旋移动频繁区域:越南东南部(R1),越南东部.巴拉望岛(R2)和南海北部(R3),涡旋一般在这三个区域内部移动,跨区域的移动概率低,该划分结果与前人研究结果相吻合,证明了方法的适用性;进而统计和分析了3个区域内/区域间冷涡和暖涡的移动以及季节性变化特征,发现了三个区域内的冷涡和暖涡的季节性变化显著的规律。对区域化方法结果的分析和对比说明了区域化方法在一定程度上能够利用涡旋移动数据来获得涡旋聚集性移动频繁区域。  从社区划分的角度出发,从南海涡旋移动数据中抽取了4种类型的涡旋移动数据:涡旋瞬时移动数据(TP),涡旋起止点移动数据(OD),涡旋特征骨架移动数据(MDL)和涡旋强过程插值数据(ISP),分别转化为基于图论的表达模型,然后基于快速模块度优化算法获得每种类型的涡旋移动社区划分结果,分别对各社区内和社区间涡旋移动进行了时空统计分析,发现ISP数据综合了TP,MDL,OD三种数据的所有特征,能够获得具有涡旋从产生,演变和消亡的整体移动特征的聚集性社区:越南东南部海域(ISP-C0)、吕宋岛西部偏北(ISP-C1)、南海南部(ISP-C2)、南海北部(ISP-C3)、名都洛海峡西部(ISP-C5)和越南东部(ISP-C6)。每个聚集性区域内,涡旋产生,移动和消亡的机制和规律均不相同。与区域化方法相比,不但能够得到涡旋完整过程移动特征,也并不需要强制的空间连续限制。  本文从区域化和社区划分两个角度所得到的南海中尺度涡旋移动的聚集性区域与已有的研究结果保持整体一致,且同时获取了不同情况下涡旋移动的区域特征,定量地刻画了南海涡旋移动的聚集区域。此外,本文所采用方法比传统观测、统计等定性方法要方便、易移植和可扩展,为海洋涡旋的研究提供了新的研究角度和思路。
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