ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 3. С. 27-47

Обзор алгоритмов обнаружения и трекинга мезомасштабных вихрей

П.С. Петкилев 1 
1 Балтийский федеральный университет имени И. Канта, Калининград, Россия
Одобрена к печати: 21.03.2017
DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-3-27-47
Представлен обзор наиболее известных и широко используемых в океанологической практике алгоритмов обнаружения и трекинга вихрей. Рассматриваемые алгоритмы классифицированы на типы (физические, геометрические, смешанные) и приводятся в условно хронологическом порядке. Изложены основные принципы этих алгоритмов, исходные данные для их применения, проанализированы их основные достоинства и недостатки. Помимо этого, для некоторых алгоритмов приводятся показатели их эффективности. Показано, что успехи в направлении создания и совершенствования алгоритмов обнаружения и трекинга привели к существенному развитию представлений о распределении и динамике мезомасштабных вихрей в Мировом океане. Также показано, что разнообразие используемых в алгоритмах методов дает возможность рационального выбора конкретного алгоритма исходя из исследовательских целей и имеющихся ресурсов. Проанализированы факторы, сдерживающие развитие этих алгоритмов и их внедрение в исследовательскую практику. Сделаны выводы о перспективах и направлении развития этих алгоритмов в будущем. В работе также содержатся краткие сведения о полученных на основе применения алгоритмов обнаружения и трекинга открытых массивах данных, содержащих информацию о распределении мезомасштабных вихрей в Мировом океане.
Ключевые слова: мезомасштабные вихри, алгоритмы, обнаружение и трекинг, дистанционное зондирование
Полный текст

Список литературы:

  1. Алексанин А.И., Алексанина М.Г. Автоматическое выделение вихрей по спутниковым ИК-изображениям // Тр. Всерос. конф. «Современные проблемы дистанционного исследования Земли из космоса». 11–13 ноября 2003. М.: ИКИ РАН, 2004. С. 382–386.
  2. Алексанин А.И., Загуменнов А.А. Автоматическое выделение вихрей океана и расчет их формы // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2008. Т. 2. № 5. С. 17–21.
  3. Алексанин А.И., Загуменнов А.А. Проблемы автоматического обнаружения вихрей океана по спутниковым ИК-изображениям // Исследования Земли из космоса. 2011. № 3, С. 65–74.
  4. Жмур В.В. Мезомасштабные вихри океана. М.: ГЕОС, 2011. 190 с.
  5. Кубряков А.А., Белоненко Т.В., Станичный С.В. Влияние синоптических вихрей на температуру морской поверхности в северной части Тихого океана // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 2. С. 34–43.
  6. Chaigneau A., Pizarro O. Eddy characteristics in the eastern South Pacific // J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110, C06005.
  7. Chaigneau S., Gizolme A., Grados C. Mesoscale eddies off Peru in altimeter records: identification algorithms and eddy spatio-temporal patterns // Progr. Oceanogr. 2008. Vol. 79. P. 106–119.
  8. Chelton D.B., Schlax M.G., Samelson R.M., de Szoeke R.A. Global observations of large oceanic eddies // Geophysical Research Letters. 2007. Vol. 34. Issue 15. DOI: 10.1029/2007GL030812.
  9. Chelton D.B., Schlax M.G. Samelson, R.M. Global observations of nonlinear mesoscale eddies // Prog. Oceanogr. 2011. Vol. 91. P. 167–216.
  10. Cheng Y.-H., Ho C.-R., Zheng Q., Kuo N.-J. Statistical Characteristics of Mesoscale Eddies in the North Pacific Derived from Satellite Altimetry // Remote Sens. 2014. Vol. 6. P. 5164–5183.
  11. Colas F., McWilliams J.C., Capet X., Kurian J. Heat balance and eddies in the Peru–Chile current system // Clim. Dyn. 2011. URL: http://dx.doi.org/10.1007/s00382-011- 1170-6.
  12. Conti D., Orfila A., Mason E., Sayol J., Simarro G., Balle S. An eddy tracking algorithm based on dynamical systems theory // Ocean Dynamics. 2016. Vol. 66. 1415.
  13. Doglioli A.M., Blanke B., Speich S., Lapeyre G., Tracking coherent structures in a regional ocean model with wavelet analysis: Application to Cape Basin eddies // J. Geophys. Res. 2007. Vol. 112. C05043
  14. Dong C., Lin X., Liu Y., Nencioli F., Chao Y., Guan Y., Chen D., Dickey T., McWilliams J.C. Three-dimensional oceanic eddy analysis in the Southern California Bight from a numerical product // J. Geophys. Res. 2012. Vol. 117. C00H14.
  15. Faghmous J.H., Frenger I., Yao Y., Warmka R., Lindell A., Kumar V. A daily global mesoscale ocean eddy dataset from satellite altimetry // Sci. Data 2. 2015. 150028.
  16. Fang F., Morrow R. Evolution, movement and decay of warmcore Leeuwin Current eddies // Deep Sea Res.-Pt. II. 2003. Vol. 50 P. 2245– 2261.
  17. Isern-Fontanet J., García-Ladona E., Font J. Identification of marine vortices from altimetric maps // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2003. Vol. 20. P. 772–778.
  18. Isern-Fontanet J., García-Ladona E., Font J. Vortices of the Mediterranean Sea: an altimetric perspective // Journal of Physical Oceanography. 2006. Vol. 36. P. 87–103.
  19. Kubryakov A.A., Stanichny S.V. Mesoscale eddies in the Black Sea from satellite altimetry data // Oceanology. 2015a. Vol. 1. No. 55. P. 56–67.
  20. Kubryakov A.A., Stanichny S.V. Seasonal and interannual variability of the Black Sea eddies and its dependence on characteristics of the large-scale circulation // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2015b. Vol. 97, P. 80–91.
  21. Le Traon P.Y. From satellite altimetry to Argo and operational oceanography: three revolutions in oceanography // Ocean Science. 2013. Vol. 9. P. 901–915
  22. McWilliams J.C. The vortices of two-dimensional turbulence // J. Fluid Mech. 1990. Vol. 219. P. 361–385.
  23. Morrow R., Birol F. Griffin D., Sudre J. Divergent pathways of cyclonic and anti-cyclonic ocean eddies // Geophys. Res. Lett. 2004. Vol. 31. L24311.
  24. Nencioli F., Dong C., Dickey T.D., Washburn L., McWilliams J.C. A vector geometry based eddy detection algorithm and its application to a high-resolution numerical model product and high-frequency radar surface velocities in the Southern California Bight // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2010. Vol. 27. No. 3. P. 564–579.
  25. Okubo A. Horizontal dispersion of floatable particles in the vicinity of velocity singularities such as convergences // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1970. Vol. 17. P. 445–454.
  26. Penven P., Echevin V., Pasapera J., Colas F., Tam J. Average circulation, seasonal cycle, and mesoscale dynamics of the Peru Current System: A modeling approach // J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110. C10021.
  27. Petersen M.R., Williams S.J., Maltrud M.E., Hecht M.W., Hamann B. A three-dimensional eddy census of a high-resolution global ocean simulation // J. Geophys. Res.-Oceans. 2013. Vol. 118. P. 1759–1774.
  28. Sadarjoen A., Post F.H. Detection, quantification, and tracking of vortices using streamline geometry // Visualization and Computer Graphics. 2000. Vol. 24. P. 333–341.
  29. Viikmäe B., Torsvik T. Quantification and characterization of mesoscale eddies with different automatic identification algorithms // Journal of Coastal Research. 2013. Special Issue No. 65. Vol. 2. P. 2077–2082.
  30. Vortmeyer-Kley R., Gräwe U., Feudel U. Detecting and tracking eddies in oceanic flow fields: a Lagrangian descriptor based on the modulus of vorticity // Nonlin. Processes Geophys. 2016. Vol. 23. P. 159–173.
  31. Weiss J. The dynamics of enstrophy transfer in two-dimensional hydrodynamics // Physica D. 1991. Vol. 48. P. 273–294.
  32. Williams S., Petersen M., Bremer P.-T., Hecht M., Pascucci V., Ahrens J., Hlawitschka M., Hamann B. Adaptive extraction and quantification of geophysical vortices // IEEE T. Vis. Comput. Gr. 2011. Vol. 17. P. 2088–2095.
  33. Xu Y., Li J., Dong S. Ocean circulation from satellite altimetry: progresses and challenges. Long A., Wells D. (eds.) // Ocean Circulation and El Nino. New York. Nova Science Publishers, Inc. 2009. P. 291
  34. Zhu Z., Moorhead R.J. Extracting and Visualizing Ocean Eddies in Time-Varying Flow Fields // 7th International Symposium on Flow Visualization, Seattle, WA, Sept. 11–14, 1995.