经验模分解方法在卫星测高数据中的应用
Analysis of Satellite Altimeter Data Using Empirical Mode Decomposition and Hilbert-huang Transformation
经验模分解(EMD)是一种自适应数据分析方法,它为非线性、非平稳数据的分析提供了一种有效的途径,也对数据的统计分析提出了一种新的观点,通过这个方法可以发现数据所包含的物理过程.本文将经验模分解方法应用到物理海洋现象的研究中,主要利用卫星高度计遥感观测数据,研究分析全球海平面变化与中尺度海洋现象.本文第一部分利用一维经验模分解方法,分析1993至2009年间卫星高度计观测的全球海平面数据,通过分解得到的本征趋势来描绘全球海平面的变化规律.结果表明:从上个世纪90年代开始全球平均海平面保持着上升的趋势,但1998年以后上升速度大幅减小.分析TOPEX/Poseidon、Jason-1和ERS-1/2融合的高度计数据,我们确定非线性海平面上升速度已由1993年的3.13 mm/yr下降到2009年的2.37 mm/yr,已低于线性趋势分析所得到的2.89 mm/yr.同一时期验潮站的观测数据也显示相似的非线性海平面上升速度变化过程.如果在未来十七年间,全球海平面能够保持2009年卫星高度计观测到的上升速度(2.37 mm/yr),我们预测在十七年后海平面会上升4.03±0.86 cm,其中0.86 cm表示考虑年际振荡和季节变化后海平面的变化区间.这一估计值远小于政府间气候变化委员会(IPCC)第四次评估报告给出的预测结果8 cm.本文利用全球三维温度、盐度资料计算的上700 m层比容海平面高度,分析了比容海平面的变化规律及其在不同时间对海平面的贡献.结果表明:上700 m层的比容海平面变化与由卫星观测到的海平面变化相一致,在近年来的上升速度大幅下降.比容海平面对海平面的贡献率从1999年前45%以上,降至06年年底的25%左右.热容量分析结果显示,大约从2003年开始,热膨胀导致的海平面上升逐步减小,但全球平均海平面仍持续上升,只是上升速度较前期有所变慢.这就意味着,全球气候变暖导致高山冰川和极地冰盖的融化引起的海水质量的改变是近些年海平面上升的主要因素,可以解释绝大部分观测到的海平面上升速度.本文第二部分利用一维、二维经验模分解方法,分析了T/P、Jason-1和ERS-1/2卫星高度计融合的海表高度异常的数据,研究了海洋的中尺度特征.中尺度变异是在移除了大尺度变异后的剩余,通常指时间尺度在数天至数月之间,空间尺度在数十到数百公里之间的运动.相比于大尺度平均运动,中尺度运动携带更高的能量,是海洋变异的主导因素.本文利用经验模分解方法有效地滤掉了长时间尺度信号和海盆尺度的空间信号,并从中分离出符合中尺度特征的分量.利用时间尺度、空间尺度(纬向和经向上)的三维相关分析,估算出北太平洋中尺度特征的传播速度和方向.结果表明:不同空间尺度的场运移速度不尽相同,经统计,空间尺度最小的场运动速度相对较低,空间尺度越大的场运动速度越快.通过与第一斜压Rossby波相速度之间的对比,我们发现:中尺度场的运移速度随纬度存在明显的变化,从赤道向高纬度递减并表现出类似于Rossby波的传播特征.中尺度场的运移速度和第一斜压Rossby波相速度都表现出空间尺度大运移速度快的特征.在相同纬度上,场的传播速度要明显高于在相同空间尺度下第一斜压Rossby波的相速度.与此同时还可以看出,中尺度场的运动速度受到平均流的影响.因此,线性理论不能够完全解释观测到的中尺度场的运动.
- 作者：
- 冯颖
- 学位授予单位：
- 国家海洋局第一海洋研究所
- 专业名称：
- 物理海洋
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 袁业立；陈显尧
- 中图分类号：
- P228
- 关键词：
- EMD；BEEMD；本征趋势；海平面变化；中尺度特征；Rossby波
- EMD；BEEMD；Intrinsic trend；sea level change；mesoscale characteristics；Rossby wave