Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 3. С. 27-47
Обзор алгоритмов обнаружения и трекинга мезомасштабных вихрей
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 текстСписок литературы:
- 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.
- 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.
- Алексанин А.И., Загуменнов А.А. Проблемы автоматического обнаружения вихрей океана по спутниковым ИК-изображениям // Исследования Земли из космоса. 2011. № 3, С. 65–74.
- Жмур В.В. Мезомасштабные вихри океана. М.: ГЕОС, 2011. 190 с.
- 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.
- Chaigneau A., Pizarro O. Eddy characteristics in the eastern South Pacific // J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110, C06005.
- 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.
- 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.
- Chelton D.B., Schlax M.G. Samelson, R.M. Global observations of nonlinear mesoscale eddies // Prog. Oceanogr. 2011. Vol. 91. P. 167–216.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- Fang F., Morrow R. Evolution, movement and decay of warmcore Leeuwin Current eddies // Deep Sea Res.-Pt. II. 2003. Vol. 50 P. 2245– 2261.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Le Traon P.Y. From satellite altimetry to Argo and operational oceanography: three revolutions in oceanography // Ocean Science. 2013. Vol. 9. P. 901–915
- McWilliams J.C. The vortices of two-dimensional turbulence // J. Fluid Mech. 1990. Vol. 219. P. 361–385.
- Morrow R., Birol F. Griffin D., Sudre J. Divergent pathways of cyclonic and anti-cyclonic ocean eddies // Geophys. Res. Lett. 2004. Vol. 31. L24311.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Sadarjoen A., Post F.H. Detection, quantification, and tracking of vortices using streamline geometry // Visualization and Computer Graphics. 2000. Vol. 24. P. 333–341.
- 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.
- 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.
- Weiss J. The dynamics of enstrophy transfer in two-dimensional hydrodynamics // Physica D. 1991. Vol. 48. P. 273–294.
- 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.
- 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
- 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.