我国海浪理论及预报研究的回顾与展望

作者从海浪谱、海浪统计分布、海浪预报方法及动力机制、破碎波和近岸的海浪 5个方面回顾与总结了我国在海浪理论及预报研究方面所取得的成果 ,最后对我国在新世纪的海浪研究做一展望。     

胶州湾风浪频谱的拟合模式

一、引言海浪谱已成为当今海浪研究的中心问题。自Neumann最先于1953年提出一个风浪频谱表示形式,并用于海浪预报以来,三十多年来,许多海浪研究者一直在致力于求得一个精确和符合实际的海浪谱。其中Pierson和Moskowitz(1964)的充分成长风浪谱、我国文圣常教授所领导的研究组(1966)提出的深浅海波谱、Hasselman等人(1973)提出的受制于风区的JONSWAP谱,在海浪预报、海浪模拟及工程设计中应用较广泛。这些谱和其它一些谱都具有基本相似的形式,其中频率指数为常数和固定     

海浪预报知识讲座——第九讲 海浪预报技术及预报方法(2)

第九讲 海浪预报技术及预报方法(2) 半理论半经验海浪预报方法 半理论半经验海浪预报方法常用的有三种:一是特征波预报方法也称有效波预报方法;二是波谱预报方法;三是能量平衡导出谱的预报方法。     

海浪预报知识讲座

第九讲 海浪预报技术及预报方法(2) 半理论半经验海浪预报方法 半理论半经验海浪预报方法常用的有三种:一是特征波预报方法也称有效波预报方法;二是波谱预报方法;三是能量平衡导出谱的预报方法.     

南海北部台风海浪谱的双峰性和成长性

本论文通过对南海北部三次台风过境期间基于浮标观测的海浪谱进行分析，发现虽然大部分成熟的台风海浪谱为单峰结构，但实际上在台风海浪的成长和衰减阶段，双峰谱占据了很大的比例。双峰谱的形成主要是由于风浪和涌浪的叠加以及不同波分量之间的非线性相互作用，我们可以通过能量密度的成长率对谱型变化进行高效的预报。此外，台风海浪的主要波向依赖于台风中心相对观测点的位置，而波向的分散情况在相距台风中心较远的区域无明显规律。本文提出了一个新的六参数波浪谱型拟合双峰谱，其拟合效果相较于前人的谱型更好。通过验证，形状参数和谱宽度之间的理论关系依然适用于单个谱峰。通过分析谱参量的变化特征，证明了谱参量不仅与台风强度和台风路径相关，还存在很强的交互相关。最后通过拟合海浪谱数据，本文得到了台风影响下海浪有效波高和有效周期之间的成长关系，这对海洋工程实际应用具有重要意义。     

WAVEWATCHIII 同化模块的建立和检验

将基于最优插值 (OI) 的同化并行模块植入全谱空间的第三代海浪模式WAVEWATCH III version3.14,建立数据同化的海浪模式预报系统, 并通过实际的预报个例对同化系统进行检验。个例实验是以5°S 以北的印度洋海域为目标计算区域, 海面风场强迫采用业务单位的中尺度天气预报模式WRF(weather research and forecast) 提供的逐时海面风场预报产品。模式积分过程中连续同化2010 年12 月15 日、16 日和17 日过境北印度洋的Jason-2 卫星高度计沿轨有效波高 (SWH) 数据 (需要指出的是, 每次同化得到新的SWH 分析场后需重构相应的二维海浪谱用于谱模式)。SWH 同化分析值和无同化的对照组分别与高度计沿轨观测数据比较发现, 就日平均统计来看, 同化较无同化使SWH分析值的均方根误差减小约25%～50%。以SWH 同化分析场作为初始场的预报表明, 同化对预报影响的时效性可延长至48～60 h。本研究目的是通过将高度计测量的SWH 数据同化到海浪模式进一步提升海浪数值预报的准确度。     

南海中部的单峰海浪谱

海浪谱是描述海浪现象的主要手段之一。通过对实测谱的研究,分析海浪的生成机制及发展、消衰过程,揭示海浪内部结构和对外表现的统计特征之间的关系。这对于海洋环境研究、海浪预报及海洋工程设计都是很有意义的。过去,由于观测资料所限,对南海中部的海浪谱研究甚少。为此,我们利用1983年9月至1985年1月间南海中部四个航次的120份海浪连续记录进行波谱分析。通过无因次化手段,拟合出一个以平均波高H和平均周期T为参量的单峰海浪谱。拟合谱的形式为幂指函数。经与本海区及南海北部海区的实测谱比较表明,本文的拟合谱在南海具有一定的代表性。     

海浪研究与预报工作的新进展

现代海科学及其相关科学和技术的发展，已使人们在海浪研究和海浪预报方面有了较大的进展，尤其在海浪预报方面已经获得了一较成熟的理论和方法，本文着重分析了发展完善海浪数值诊断和数值预报模式，实现海浪预报方法客观化，预报手段自动化和系统化方面的进展     

基于海浪谱分解与重构的资料同化试验

针对有效波高资料提出一种海浪谱分解与重构的资料同化方案:利用历史时段内的有效波高观测资料和模式计算波高场,采用最优插值方法得到分析波高场;在WAVEWATCH-Ⅲ模式的波浪能量密度谱和有效波高分析值之间引入一个变异系数矩阵,描述模式的误差,以此为状态向量构建卡尔曼滤波系统,对分解过的海浪谱进行修正和重构,得到同化后的海浪谱初始场。利用美国阿拉斯加湾北部海域的7个浮标站进行同化和72 h预报试验,对连续1个月的预报结果进行统计表明:采用该同化方案后24 h预报结果的有效波高均方根误差比未同化的结果降低了0.13 m;同化方案对预报效果的影响可持续36 h左右,随着预报时效延长,同化的效果减弱。     

基于选定风浪方向谱的海浪模拟方法(英文)

简要回顾当前第三代海浪模式中的困难。为避开这些困难,作者提出一种新的海浪模拟方法,其中特定定义的风浪组成波依常风下随时间成长的方向谱计算,而涌浪组成波藉考虑涡动黏性和底摩擦加以计算。并进行了常风场和变风场下系统的数值试验。在常风速情形中,模拟结果能精确地化为建立模拟所根据的谱和风浪成长关系。计算显示出台风中心附近浪场的极端复杂的谱结构。当风速骤然降低时,模拟的波高减小与观测符合。在风向逐渐或骤然改变情形下,计算的时间响应尺度与海上观测符合,而且演化中的二维谱结构得到良好刻画。对于涌浪在无风下的传播,模拟结果合理,包括波参量及谱结构的变化。后报得到的波高、周期和海上资料符合。与第三代模式相比,文中提出的方法较易改进,需用的计算机时间显著减少。最后讨论采用一个已知谱来建立谱形式的海浪预报模型的合理性以及有关的问题。     

卫星高度计波高数据同化对西北太平洋海浪数值预报的影响评估

通过数值试验验证卫星高度计波高数据同化对西北太平洋3 d海浪预报的改进效果。驱动海浪模式的强迫场采用国家海洋环境预报中心基于MM5模式预报的风场,波高数据同化使用的观测数据是Jason-1卫星高度计有效波高。用最优插值数据同化方法获得海浪有效波高的最优估计并重构相应的海浪方向谱,以此为初始场进行为期3 d的数值预报试验。与没有同化的预报进行了比较和分析,结果表明卫星高度计海浪数据同化对0~72 h预报有不同程度的明显改善,改进程度随预报时效的增加而减少。     

海浪方向谱的初步分析

一、前言随着海洋资源的开发利用和海洋观测技术的不断更新,海浪方向谱的研究日益受到重视.海浪方向谱,由于它能同时描述海浪能量随频率和方向的分布,故已成为合理计算海上水工建筑物作用力的可靠依据.特别是方向谱能给出不同方向组成波的能量变化,更有助于了解海浪的细微结构及其产生过程.因此,海浪方向谱的研究不仅直接关系到海洋工程的投资效益,而且对海浪生成机制的研究也有重要意义.     

基于回声状态网络的海浪谱实时预报方法

为实现在非线性较强情况下的海浪谱预报,以船载测波雷达实船测量的海浪谱数据为基础,将经验模态分解(EMD)和回声状态神经网络(ESN)相结合,对海浪谱的实船实时预报方法进行了研究。所提方法利用经验模态分解对子波谱密度值时间序列进行分解,并对分解后各分量分别应用回声状态神经网络进行预报。将预报结果进行叠加,可以得到子波谱密度的预报值,进一步可合并得到整个海浪谱信息。结果表明:该方法可以有效解决非线性较强情况下预报效果变差的问题。方法可为船舶实时掌握海浪谱信息,提高船载测波雷达系统的实用性提供一定的基础。     

联合海浪过程的数值模拟

早期,海浪被抽象成一些简单的模式(如正弦波、有限振幅波等等),而加以研究,也得到了许多能近似符合实际的结果。但是,对真实海浪而言,其内部结构和外观特征都是复杂的,且都受着随机性的制约。因此,自五十年代初期开始,人们已广泛地使用随机函数(随机过程)来作为描述海浪的模式。当用随机函数这种模式研究海浪时,海浪谱是一种有效的工具,而如何获得海浪谱便构成海浪研究中重要的问题。海浪谱可以通过多种途径获得,但利用海浪过程的现实(观测记录)求谱是最基本、最可靠的方法,这方面国内外已进行了许多的研究。     

海浪和潮汐风暴潮耦合过程的数值研究

海浪和风暴潮是重要的海洋灾害。对它们的精确预测和预报对沿岸海洋灾害的风险评估及海洋工程的设计具有极其重要的社会和经济价值。过去人们本多对波浪和风暴潮单独进行预报。实际上，风既产生浪又产生风暴潮，因此它们的产生必然存在相互作用。本研究的目的就是要建立一个渤海高分辨率的双向耦合的海浪和潮汐风暴潮数值模式，研究各耦合机制的影响，以期为黄河三角洲沿岸风暴潮海浪漫堤、漫滩风险评估提供更为准确的海浪风暴潮预测预报结果。 作者在研究中基于国际上先进的第三代海浪数值模式和潮汐风暴潮模式，建立了渤海2''×2''的海浪和潮汐风暴潮耦合数值模式。耦合模式充分考虑了三个主要耦合物理机制：依赖海浪状态的表面风应力，波-流相互作用底应力和辐射应力。波浪模式主要基于国际上第三代WAM模式，并对其进行了浅水效应的改进，以包括浅水深度破碎引起的能量耗散；潮汐风暴潮模式计算中开边界考虑了10个主要分潮K1，O1，P1，Q1，M2，S2，N2，K2，Sa，Ssa。依赖海浪状态的表面风应力取自Donelan等(1993)的结果,波-流相互作用底应力取自Signell等(1990)对 Grant and Madsen(1979)简化的结果，辐射应力以海浪谱表示。耦合计算中，两个模式通过三个耦合机制双向传递所需参量。 运用胜利油田中心一号观测的2个同步浪、潮、流资料对所建的耦合模式进行了检验，并通过耦合和非耦合模式结果的对比对各耦合机制的影响效应进行分析研究。研究结果表明，不同物理机制对波高的影响主要由能量方程中以辐射应力表示的波流相互作用所决定；在波-潮耦合作用中，依赖波令的表面风应力和辐射应力对水位是正效应，而波流相互作用底应力对水位是负效应。三个物理机制的综合净效应是正，可增加水位达25cm。比较显示，耦合模式的结果无论对波高还是水位都比非耦合模式的结果好，特别在峰值处。 本研究显示耦合模式的结果将改进海浪和风暴潮的模拟精度。所建立的耦合模式将对渤海海浪和风暴潮预报精度的提高，以及为黄河三角洲近岸海浪和风暴潮灾害的风险评估，提供更可靠的参数，具有重要的价值。     

1156测波仪资料的外方向谱计算方法研究

基于海浪的外观特征提出了一个用1156测波仪资料计算海浪外方向谱的方法，并与S4测波仪同步资料的海浪外方向谱进行了比较，得出1156外方向谱、S4外方向谱和1156方向谱三者主波向的一致性在80％以上。两种外方向谱的谱图也极为相似。1156海浪外方向谱80％能量展角大于S4海浪外方向谱80％能量展角，这可能与1156测波仪受海面风和表层流影响较大有关。分析说明1156与S4的海浪外方向谱其代表性都是可以肯定的，且方法简单、实用，很有必要与直接观测的外方向谱进行比较，以确定这种计算方法的实用价值。     

9914号(Dan)台风浪的后报试验研究

利用WAM第三代海浪模式的第四版本(WAMC4)对40a来造成福建沿海灾害最严重的9914号台风海浪过程进行了后报试验，并与近岸常规观测和卫星高度计有效波高资料进行了比较。与常规观测站的比较结果表明，WAMC4能较好地再现海浪的发展过程。后报结果与TOPEX/POSEIDON和ERS-2卫星观测资料的对比研究表明，风速的后报结果与卫星观测有较好的一致性，但海浪的后报比卫星高度计反演的有效波高整体略偏低。     

第一猜测谱运行范围对MPI方法SAR海浪方向谱反演结果的影响

欧空局相继发射的多颗海洋卫星专门设计了波模式SAR数据,提供了27a全球二维海浪的连续观测。批量数据的精确反演对于海浪研究、海浪预报、海洋产业和军事活动至关重要。本文使用ORSI/OUC研发的基于MPI方法的卫星SAR海浪方向谱反演程序,研究了第一猜测谱运行范围对反演结果的影响。对西北太平洋17 000幅波模式SAR数据进行批量处理,发现反演程序中MPI非线性反演方法第一猜测谱的运行范围对反演结果的能量密度、波长、传播方向和谱形结构有程度不同的影响,文中给出一个实例。进而选择10°S~70°N,90°E~170°W运行范围,利用NOAA/NDBC浮标数据,对17 000个反演的海浪方向谱数据进行同步印证,相对误差为4.5%,均方根误差为0.52m,偏差为0.01m。     

中尺度海气浪耦合模式对西北太平洋双台风影响下的海浪预报研究

为了分析中尺度海气浪耦合模式对西北太平洋双台风影响下的海浪预报效果,采用GFS全球预报系统和西北太平洋海洋预报系统预报场驱动区域中尺度海气浪耦合模式,针对西北太平洋一次"双台风"共同影响下的台风浪进行了连续5 d逐日72 h预报,并分析了海浪场预报分布特征,检验了耦合模式的海浪预报性。结果表明,耦合模式能较好地预报出双台风移动路径,以及双台影响下的海浪分布、演变特征。台风浪的最大有效波高与近中心最大风速成正比、中心最低气压成反比的演变规律与模式预报的较为一致,波高的整体预报效果与卫星高度计观测值较为吻合。但台风浪的预报效果受台风强度、所处海域等影响,远海期间海浪的预报效果要优于近海和台风强度明显变化期的。研究结果可为后续耦合模式的台风浪业务化定量预报发展提供有益参考。     

利用海底磁场观测数据估算海浪运动方向

本文提出一种利用海底磁场观测数据获得海浪运动方向信息的方法。首先,基于电磁感应原理,推导出海底地形水平条件下三维海浪感应磁场表达式,据此可以计算海浪感应磁场,并可以得到海浪感应磁场方向。理论分析表明,海浪感应磁场的方向与海浪运动方向一致,这为利用海浪感应磁场估计海浪运动方向提供了方法理论基础。本文从南黄海海底观测磁场数据中提取了海浪感应磁场,然后采用时频方向谱方法(Spectral-Directionalogram,简称SD)估算出海浪运动方向谱,即海浪运动方向,并与第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ的海浪运动方向进行对比。在平潮期内两者吻合较好,误差在10°以内,但在涨落潮时,基于海底磁场数据估计的海浪运动方向谱精度较低。