一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法、电子设备及存储介质

本发明涉及海洋动力学与地球流体力学数值模拟与分析，具体涉及一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、涡旋罗斯贝波（vortex rossby wave，vrw）是海洋中尺度涡旋常见的一种重要波动过程，其传播特性与涡旋的位涡分布、涡旋形态以及涡旋与环境之间的相互作用密切相关。在理想化数值模式研究中，通过可控的背景场与边界条件构造涡旋并模拟其演化，是揭示vrw模态产生、发展以及传播的重要手段。为了定量表征vrw的传播方向、频率与相速度等特征参数，通常需要对模式输出中的时空信号进行识别与参数化计算。

2、现有针对vrw的识别与分析方法，常采用频散关系理论计算与模式输出诊断相结合的思路。例如，根据给定的涡旋背景参数计算理论频率或相速度，并结合霍夫莫勒（hovmöller）时空分布图，通过空间相位随时间变化的斜率估算传播速度与传播方向。该类方法不仅适用于轴对称涡旋，在椭圆涡旋、倾斜涡旋或其他非对称结构涡旋条件下亦可开展相应的识别与分析。但是在实际分析中，不同结构涡旋对特征参数与信号提取方式的选取较为敏感，例如特征半径、特征方位及参考系设定等差异，可能导致霍夫莫勒图构建及斜率拟合得到的相速度结果不稳定；若缺乏统一的参数提取规则，则理论计算与诊断结果的对照可靠性降低。此外，数值离散误差及噪声干扰易引发模态混叠，从而影响主导波数判定及特征参数的可重复提取。

3、综上所述，尽管现有方法能够在不同涡旋条件下开展vrw识别，但缺乏一种面向不同涡旋结构的统一参数提取规则与识别流程，使得在不同涡旋结构以及不同理想化实验设置下难以稳定、可重复地识别vrw并计算其相速度、频率及主导方位模态等特征参数，从而影响不同实验结果之间的可比性与解释一致性。

技术实现思路

1、本技术的发明目的在于：针对现有技术缺乏面向不同涡旋结构的统一参数提取规则与识别流程，提出一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法，包括如下步骤：

4、步骤s1、获取海洋多变量场，根据海洋多变量场计算特征分析变量；

5、步骤s2、特征分析变量为时序数据，将以笛卡尔坐标系方式存在的特征分析变量插值到漩涡坐标系，漩涡坐标系为根据特征分析变量构建的极坐标系；

6、步骤s3、将在漩涡坐标系中切向流速方位平均达到最大值所对应的半径为特征半径，获取特征半径处的角向－时间信号并将其去初始时刻方位平均获得扰动信号；

7、步骤s4、对扰动信号进行方位傅里叶分解并计算模态贡献确定主导方位波数m；

8、步骤s5、对主导方位波m对应的扰动信号确定为主导模态波动信号，根据主导模态波动信号构建霍夫莫勒时空分布图，计算主导方位波数m对应主导模态波动信号的相速度，并通过频散关系计算主导方位波数m对应主导模态波动信号的理论相速度；

9、步骤s6、对理论相速度与相速度进行一致性原理判断；

10、当满足涡旋罗斯贝波特征，则输出主导方位波数m对应的主导模态波动信号；

11、当不满足涡旋罗斯贝波特征，则对主导方位波数为m+1的主导模态波动信号重新执行步骤s5。

12、上述技术方案产生了如下技术效果：

13、本技术技术方案在涡旋参考系下采用统一的特征半径和特征变量提取规则与模态分解流程，可适用于海洋中各种不同涡旋结构，在不同理想化实验设置下稳定识别vrw并计算相速度、频率及主导方位波数等参数，从而提升结果的可重复性与可比性；此外，本技术将霍夫莫勒斜率得到的诊断结果与频散关系理论计算进行一致性对照，并结合模态能量贡献判定主导波数，可有效降低数值噪声与模态混叠对识别结论和特征参数提取的影响，提高识别与计算的稳定性与可靠性。

14、作为对本技术一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法的进一步改进，在步骤s1中，海洋多变量场包括三维流场数据, 温度数据、盐度数据以及密度数据中的至少一个；

15、特征分析变量包括相对涡度或归一化相对涡度；

16、相对涡度满足：

17、；

18、归一化相对涡度满足：

19、；

20、其中，为科里奥利参数。

21、作为对本技术一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法的进一步改进，在步骤s2中，漩涡坐标系的构建过程，包括如下步骤：

22、步骤s21、将逐时刻的归一化相对涡度或相对涡度作为特征分析变量，搜索归一化相对涡度的极大值或者极小值作为当前时刻的漩涡中心点；

23、步骤s22、以漩涡中心为远点建立漩涡坐标系；

24、步骤s23、将笛卡尔坐标系下的特征分析变量通过插值方式映射到漩涡坐标系中。

25、作为对本技术一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法的进一步改进，在步骤s3中，扰动信号的计算过程，包括如下步骤：

26、步骤s31、获取步骤s2中构建的漩涡坐标系中的流场数据，流场数据为在漩涡坐标系中的切向流速；

27、步骤s32、计算漩涡坐标系中切向流速的切向流速方位平均；切向流速方位平均的计算公式为：

28、;

29、其中，为径向坐标，表示从漩涡中心向外的距离；为时间坐标；为方位角坐标；

30、步骤s33、确定特征半径为切向流速方位平均达到最大值所对应的半径，特征半径的表达式为：

31、;

32、步骤s34、在特征半径处获取体现涡旋罗斯贝波特征的特征分析变量，对特征分析变量沿着方位角均匀采样并插值获得角向－时间信号；方位角满足的等间隔采样取值范围；

33、步骤s35、将角向－时间信号中的特征分析变量减去初始时刻的切向流速方位平均输出扰动信号。

34、作为对本技术一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法的进一步改进，在步骤s33中，对特征半径在时间坐标上3—5个时间步长的滑动平均得到稳定的特征半径。

35、作为对本技术一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法的进一步改进，在步骤s4中，主导方位波的确定方式，包括如下步骤：

36、步骤s41、对扰动信号在方位角坐标上进行离散傅里叶分解，得到方位波数为m的模态系数，模态系数的计算方式为：

37、;

38、其中，为扰动信号；为第个采样点对应方位角的角度值；t为时刻数据，m为方位波数的最高阶；为方位角采样的总数量；

39、步骤s42、计算方位波数m的模态强度指标，模态强度指标的计算公式为：

40、;

41、其中，为指定时间的取值范围；

42、步骤s43、计算各方位波数m对应模态强度指标的能量占比k，能量占比k的表达式为：

43、k=

44、其中，为全部模态强度指标的总和；

45、步骤s44、将能量占比k最大的方位波数m确定为主导方位波数。

46、作为对本技术一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法的进一步改进，在步骤s5中，将霍夫莫勒时空分布图中特征分析变量在平面上的轨迹做线性回归得到斜率，根据斜率换算获取对应主导模态波动信号的相速度。

47、作为对本技术一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法的进一步改进，在步骤s6中，主导方位波数m对应主导模态波动信号的理论相速度的计算公式为：

48、;

49、其中，n为所述主导模态波动信号的垂向波数；k为所述主导模态波动信号的径向波数；为所述特征半径；表示所述漩涡坐标系中所述特征半径对应的平均角速度；为代表平均惯性参数，其计算公式为，；是平均位涡，平均位涡的计算公式为：，其中为是切向速度对垂直坐标z的偏导数，；表示平均位涡的径向梯度在特征半径处的取值；是平均绝对涡度，平均绝对涡度的表达式为：；绝对涡度的表达式为：，表示层结。此外本技术还设计了一种电子设备，其包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述任一项的一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法。

50、此外本技术还设计了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，计算机指令用于使计算机执行上述任一项的一种识别理想数值模式中涡旋罗斯贝波的方法。