Сравнительный анализ вихревой динамики в Лофотенской котловине алгоритмами AMEDA (Adaptive Multi-scale Eddy Detection Algorithm) и HEPTA (Hyperbolic and Elliptic Point Tracking Algorithm) на основе альтиметрических данных AVISO

Предлагается метод отслеживания траекторий стационарных точек горизонтального поля скорости. Hа примере поля скорости AVISO для района Лофотенской котловины Норвежского моря в период с 2019 по 2023 год исследуются кинематические свойства стационарных точек двух типов: эллиптических (ассоциированных с центрами мезомасштабных вихрей разного знака) и гиперболических (влияющих на динамику окружающих вод, приводя к активной деформации пятен пассивной примеси вблизи них). Для примера свойства выделенных эллиптических точек сравниваются с центрами вихрей, выделенных методом AMEDA (Angular Momentum Eddy Detection and Tracking Algorithm). Показано что предложенный алгоритм HEPTA (Hyperbolic and Elliptic Point Tracking Algorithm) по сравнению с методом AMEDA выделяет большее количество вихревых центров (а следовательно, и самих вихрей), а также фиксирует менее продолжительные времена жизни вихрей, что связано с его повышенной чувствительностью к динамике вихревых структур. Это связано с тем, что HEPTA реагирует на локальные изменения топологии потока более чутко, своевременно фиксируя появление и аннигиляцию гиперболических и эллиптических точек, что позволяет точно отслеживать процессы деления и исчезновения вихрей.
AMEDA является хорошо зарекомендовавшим себя и широко используемым методом в океанологии для идентификации и отслеживания вихрей на основе спутниковых данных [1]. Этот алгоритм демонстрирует высокую чувствительность к внутренней динамике вихрей и способен продолжать отслеживание структур даже при временном исчезновении вихрей в поле скоростей, что приводит к удлинению траекторий и искусственному продлению “жизни” вихрей.
HEPTA, напротив, является сравнительно новым методом, разработанным для более строгой и физически обоснованной идентификации когерентных структур и гиперболических точек с учётом их краткосрочной когерентности и стабильности [2]. Это отражается в более коротких и гладких траекториях и меньшей восприимчивости к шуму и флуктуациям.
Установлено что максимальные суточные смещения центров вихрей, определённых AMEDA, в среднем вдвое превышают те же значения, определённые HEPTA, что существенно влияет на оценку транспортных процессов в океане. В отличие от AMEDA, HEPTA позволяет выделять гиперболические точки и фиксировать их перемещения. В работе впервые проводится статистический анализ кинематических свойств (времена жизни, длина траектории, скорость дрейфа, места рождения и гибели) долгоживущих гиперболических точек и их траекторий. Анализ поведения пятен пассивной примеси подтвердил важную роль гиперболических точек и их многообразий в формировании транспортных путей.
Несмотря на различия в длине траекторий, линейные перемещения (расстояния между точками генезиса и диссипации) статистически схожи для обоих алгоритмов. Это указывает на то, что AMEDA фиксирует скачки и квазипериодические колебания центра вихря, удлиняющие траектории, но не меняющие вектор перемещения, в то время как HEPTA сосредоточен на дрейфовой составляющей.
Глубины, над которыми находятся центры вихрей и гиперболических точек, идентифицированных обоими алгоритмами, не имеют существенных различий, что говорит о формировании и эволюции этих структур в схожих вертикальных слоях.
Сравнительный анализ данных AMEDA и HEPTA на примере событий слияния и деления вихря демонстрирует методологические различия в трактовке жизненного цикла вихрей, где HEPTA более чувствителен к локальным топологическим изменениям, а AMEDA склонна к “продлению” жизни вихрей.
AMEDA и HEPTA дополняют друг друга, предоставляя разные, но взаимодополняющие перспективы изучения вихревой динамики. Их комплексное использование важно для задач океанического транспорта, экологии и моделирования распространения загрязнений, где необходима точность как в локальных, так и в интегральных характеристиках вихревых структур.