一种基于多层海洋温度异常特征融合的台风降温主导机制判别方法

本发明涉及台风降温机制分析方法，具体涉及一种基于多层海洋温度异常特征融合的台风降温主导机制判别方法。

背景技术：

1、台风作为海洋上最具破坏力的天气现象之一，其过境时会通过强风应力向海洋输入大量机械能，显著扰动上层海洋的热力与动力结构。这一过程不仅导致海表温度急剧下降，还会引发混合层加深、温跃层起伏以及上层海洋热含量的剧烈变化。上述物理调整会直接改变海水声速剖面，进而影响水下声学传播路径与传播损失，对水声环境评估与应用具有重要影响。

2、学术论文《海洋与台风相互作用研究进展》与《上层海洋对台风的响应和调制机理》指出，垂直混合与ekman抽吸是台风环境下上层海水温度变化的主要响应方式与降温机制。其中，垂直混合作用表现为台风强风向海面输入大量机械能，增强局地海洋湍流混合，使温暖的表层海水与下方较冷的次表层海水发生强烈掺混，导致表层降温、混合层加深，并在次表层产生增暖信号，即台风的“热泵”效应；ekman抽吸作用则表现为台风气旋式风场使表层海水向外辐散，深层冷水向上补偿，引起温跃层强烈抬升与次表层冷却，进而导致上层海洋热含量的显著下降，对上层海洋起到“冷抽吸”的作用。准确识别台风过境后的降温主导机制，对于理解海气耦合过程、改进台风强度预报以及评估水下声学环境的变化，具有重大的科学意义和实际应用价值。现有技术中，针对台风海洋响应降温机制的定性或定量识别，往往高度依赖于高分辨率的台风风场、风应力旋度、海流场或热通量动力学观测数据，观测资料分析多侧重于单一表层要素（如海表温度降温幅度）的统计描述，缺乏从整体宏观角度出发的自动化判别方案，且在台风极端天气条件下，中心附近海况极其恶劣，获取时空连续、高分辨率且误差较小的风场资料难度极大，使得现有机制判别方法在业务化应用受限，实际分析效果差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种不依赖或弱依赖风场资料，能够直接基于台风过境前后三维海温异常结构提取多层海洋热响应特征，并将其有效融合，以自动判别台风降温主导机制的技术方案。本发明旨在实现对台风降温主导机制的自动化、精细化判别，弥补现有技术在机制判别层面的缺陷，并为水声传播环境的高效评估与物理解释提供有力支撑。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、一种基于多层海洋温度异常特征融合的台风降温主导机制判别方法，包括如下步骤：

4、步骤一、获取目标海域的四维海水温度基础数据，确定分析区域与空间参考中心，按台风过境节点划分背景期与分析期，完成数据维度与参数有效性校验；包括：

5、获取所选目标分析海域在台风过境前后的海洋环境数据构建海水温度场，所述海洋环境数据至少包括经度，纬度，深度，时间和海水温度五个参数；定义台风过境前后分析时间窗口，所述分析时间窗口包括台风过境当天之前若干天的背景期，以及台风过境当天以及之后若干天的分析期；对读取的分析时间窗口内的经纬度、深度、时间和温度数据进行维度检查和有效性判断；

6、步骤二、以背景期平均温度场为基准，计算各时刻的热响应特征，所述热响应特征至少包括：三维温度异常场、表层冷却强度、次表层温度异常、混合层加深强度、温跃层抬升量及上层热含量损失强度；其中：

7、三维温度异常场；

8、是指背景期平均温度场，指背景期时间长度；

9、表层冷却强度；是指经度为，纬度为的格点在分析期内时刻t的表层温度，相对于北京期平均温度场中同一位置最浅有效深度层温度的异常值；当温度数据为日平均数据时，t为对分析器内的应分析日；

10、次表层温度异常

11、其中表示经度，表示纬度，表示分析期内的时刻；表示位于次表层分析范围内的第个有效深度层对应的深度；表示次表层分析范围内参与平均计算的有效深度层数量；和分别表示次表层分析范围的上边界深度和下边界深度。

12、当次表层温度异常为正时，定义为次表层增暖强度，表示为：

13、；

14、当次表层温度异常为负时，定义为次表层冷却强度，表示为：

15、；

16、混合层底加深强度，表示为；

17、；其中是指t时刻t时刻混合层底深度，是指背景期内混合层底深度；

18、温跃层底抬升量；其中是指背景温跃层底深度；是指t时刻温跃层底深度

19、抬升强度

20、设定计算上层热含量的预设深度，在实施例中设置为，并提取以下两个热含量损失特征，用于表征冷水上涌造成的上层整体降温特征。

21、上层热含量异常；为计算上层热含量的预设深度；是指海水密度；

22、上层热含量损失强度

23、步骤三、对热响应特征进行无量纲归一化处理，依据两类降温机制的物理响应模式，将多维度温度特征融合为量化指标；

24、所述量化指标包括垂直混合响应指数和ekman抽吸响应指数；

25、垂直混合响应指数；

26、其中，为归一化表层冷却强度，为归一化次表层增暖强度，为归一化混合层加深强度；

27、ekman抽吸响应指数；

28、其中，为归一化次表层冷却强度，为归一化温跃层抬升强度，为归一化上层热含量损失强度；

29、步骤四、通过双响应指数的差值构建机制优势指数，设定分类阈值完成区域逐经纬格的机制类型判定，通过量化阈值明确判定事件整体的降温主导机制，包括：

30、定义机制优势指数；设定机制判别阈值；

31、当时，判定该格点为垂直混合主导；当时，判定该格点为ekman抽吸主导；当时，判定该格点为共同作用或无明显单一主导机制；

32、对目标分析海域的每个经纬度格点以高斯加权法进行加权构建随距离增加而衰减的高斯型中心权重矩阵；高斯型中心权重；

33、其中，d表示目标海域内经纬度格点到所设定中心点的球面距离；l表示高斯加权的空间尺度；

34、对逐格点分类结果进行每日区域加权统计，分别计算垂直混合主导、ekman抽吸主导和共同作用区域的加权面积占比，其中垂直混合主导加权面积占比；ekman抽吸主导加权面积占比；共同作用主导加权面积占比；

35、，为格点经纬度坐标；k3为格点垂直混合主导指示函数，格点判定为垂直混合主导时取值为k3=1，否则k3=0；k4为格点ekman抽吸主导指示函数，格点判定为ekman抽吸主导时k4=1，否则k4=0；k5为格点共同作用主导指示函数，格点判定为共同作用或无明显单一主导时k5=1，否则k5=0；

36、对分析期内所有日期的占比结果取算术平均，得到整体的平均占比、与，并按以下量化规则进行判定：

37、且，则判定该台风事件总体以垂直混合为主导机制；

38、(2) 且，则判定该台风事件总体以ekman抽吸为主导机制；

39、(3) 或，则判定该台风事件总体为两类机制共同作用，无明显单一主导机制。

40、对前述基于多层海洋温度异常特征融合的台风降温主导机制判别方法的进一步改进或者优选实施方式，所述步骤一具体包括：

41、步骤a1，结合分析任务和海域环境特征确定目标分析海域，以台风过境当天进入目标分析海域当天的特定时间的风圈中心所在位置作为参考中心，若该时刻无数据，则取临近有效数据；

42、步骤a2，获取目标分析海域在台风过境前后的海洋环境数据，所述海洋环境数据至少包括经度，纬度，深度，时间和海水温度五个参数，构建海水温度场，表示为，含义是坐标为位置在t时刻的温度；

43、步骤a3，设台风过境当天日期为，定义台风过境前后分析时间窗口，其中k1∈[2,4]，k1∈[5,7]；

44、步骤a4，对读取的分析时间窗口内的经纬度、深度、时间和温度数据进行维度检查和有效性判断；

45、其中维度检查具体是指：判断是否存在缺失经纬度、深度、时间或温度其中某一个或多个维度的异常数据，若是则将对应数据剔除。

46、其中有效性判断是指：判断是否存在背景期天数小于1、背景期天数大于总时间长度或分析起止时间超出数据范围时的异常数据，若是则将对应数据剔除。

47、对前述基于多层海洋温度异常特征融合的台风降温主导机制判别方法的进一步改进或者优选实施方式，所述步骤a1中特定时间是指中午12时，或者具有有效数据的临近时间；

48、所述步骤a2中t时刻的温度，是指与温度分辨率周期匹配的该分辨率周期内对应经度、纬度、深度点的平均温度。

49、对前述基于多层海洋温度异常特征融合的台风降温主导机制判别方法的进一步改进或者优选实施方式，步骤四中所述中心点是指台风进入目标海域后特定时间时的中心所在位置。

50、对前述基于多层海洋温度异常特征融合的台风降温主导机制判别方法的进一步改进或者优选实施方式，步骤二中：所述背景期平均温度场是通过对背景期内的三维海水温度进行时间平均得到；所述表层为温度数据中最浅的一个深度层；混合层底深度是指温度首次低于预设混合层温度阈值时对应的深度；温跃层底深度是指对温度剖面进行平滑后，垂向温度梯度绝对值最大处对应的深度；上层热含量异常是指对预设深度范围内温度异常的积分。

51、其有益效果在于：

52、本技术的技术方案摆脱了对风场资料的依赖，仅基于台风过境前后的三维海温结构变化进行机制判别，无需高分辨率台风风场、风应力旋度或海流场动力学数据，提高了方法在业务化水声环境快速评估中的适用性；

53、本技术通过提取和构建表层冷却、次表层异常、混合层加深、温跃层抬升及上层热含量损失的多维度热响应特征实现了定量判别，判别过程客观、可重复，避免了传统经验判识方法的主观性；

54、本技术方案不依赖于特定海域或特定台风个例的先验知识，适用于不同强度等级、不同移动速度的台风事件，且可在不同海洋再分析产品或实测数据源上直接迁移应用，为台风海洋相互作用机理研究、海气耦合模式评估及水下环境保障等领域提供了通用、高效的技术手段。