基于船舶空气流场仿真的船舶测风偏差校正方法

船舶海面风观测易受船体和上层建筑造成的畸变气流影响,使测风数据存在偏差。针对船舶相对风测量偏差校正问题,采用CFD仿真方法研究船体周围钝体绕流气流场,量化桅杆左、右横桁实测相对风速、风向与舰桥上部参考测风点相对风速、风向偏差,利用最小二乘支持向量机分别对左、右舷测风偏差进行回归并建立校正模型。通过海上实船实验采集桅杆左、右横桁与舰桥上部测风点处的相对风测量数据,验证模型校正测风偏差的实际效果,结果表明CFD仿真建模方法能够有效降低实验船型56%的相对风速测量偏差。     

一种船载海面通量观测的校正方法

设计了一种用滤波法校正船载超声测风测量仪数据、计算海－气通量交换的方法。对１９８８，１９８９两年西太平洋海域考察期间超声测风测温仪的实测资料作了订正，订正了船体运动、特别是摇摆运动对风速的影响，用涡旋相关法计算了海面边界层的感热能量、动量通量、阻力系数和稳定度值。分析了海面上能量、阻力系数随大气状况的变化规律。计算结果表明，海面上的通量、阻力系数与水平风速和稳定度之间存在着合理的有规律的关系，证明     

一种温度相关的HY-2A散射计地球物理模型函数

利用散射计测量海面后向散射系数, 并通过地球物理模型函数(geophysical model function, GMF)反演得到海面风场。目前散射计风场反演所采用的GMF一般只考虑雷达极化方式、雷达入射角、风速和相对风向对海面后向散射系数的影响, 而相关研究表明海表温度(sea surface temperature, SST)对Ku波段散射计风场反演具有不可忽略的影响。文章利用海洋二号A卫星散射计(Haiyang-2A Scatterometer, HY2A-SCAT)后向散射系数观测值、欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF )再分析风矢量和SST数据, 采用人工神经网络方法, 建立起一种SST相关的GMF (TNGMF)。对TNGMF进行分析后发现, 海面后向散射系数随着SST的增加而增加, 并且其增加幅度与雷达极化方式、风速有关。为了对比, 文章使用相同数据集和相同方法建立了不包含SST的GMF (NGMF), 将美国国家航天航空局散射计-2 (National Aeronautics and Space Administration Scatterometer-2, NSCAT2) GMF、TNGMF和NGMF分别用于HY2A-SCAT风场反演实验。试验结果表明, 采用NSCAT2 GMF、NGMF反演得到的风速在低温时系统性偏小, 在高温时系统性偏大; 而TNGMF可较好地纠正SST对风速偏差均值的影响, 从而提高反演风场质量。     

海面风速微波散射测量与分析

为了深入研究海面风的微波散射特性 ,利用海洋石油平台和飞机作为仪器的工作平台 ,对海面微波散射特性进行了测量 ,并应用统计分析方法 ,对测量数据作处理分析。结果表明 ,海面微波后向散射系数 (σ°)值与海面风速成线性关系 ,随风速增大而增大。同时 ,σ°值与夹角及散射计天线入射角、极化方式有关。结合对海面微波散射算法中 Phillips模式的分析比较 ,得到 Phillips模式的计算值与实测值变化趋势一致的结果     

风浪状态对海面粗糙度影响

风浪状态参数常用于对海面粗糙度的参数化。中等风速条件下考虑风浪状态参数影响的海面粗糙度参数化方案常存在自相关效应,本文通过分析实测数据得到了无量纲粗糙度随波陡变化的参数化方案,该方案能够有效去除自相关效应;高风速下风浪状态对海面粗糙度仍存在影响,文中基于新得出的中等风速下的海面粗糙度参数化方案,考虑海面飞沫悬浮层的影响,建立了适用于高风速条件下的海面粗糙度参数化方案,该海面粗糙度方案同样考虑了波陡的作用,将该方案计算出的理论值与实测数据进行比对,发现随着波陡的变化,理论值基本涉及测量值的覆盖范围,说明新建立的高风速条件下海面粗糙度方案对海面风浪状态具有较好的敏感性,且该方案能够较合理地描述海气界面之间动量传输。将新提出的适用于高风速下的海面粗糙度方案加入到海浪数值模式中,模拟飓风Ivan产生的台风浪,利用浮标数据进行验证,结果显示模拟的有效波高相对模式默认方案具有较高的精度,说明采用本文新建立的适合高风速的海面粗糙度方案能够改进海浪模式的台风浪有效波高模拟结果。     

船体对海流观测影响的初步分析

锚泊船只在受到海流、风、海浪等外力作用时其运动规律是很复杂的。大体有下列几种运动:船只绕锚定点的回转运动;绕锚链孔的旋转运动;摇艏运动;纵横向摇摆;升沉运动等。这些运动以各种方式影响测流结果。另外流体绕流现象改变了船只周围的流态,船体磁场对海流计的流向传感器也有影响。一般从事海洋调查的人员,对这些情况是很熟悉的,应当设法消除或减少这些影响。我们的实验表明即使在风平浪静的2～3级海况,这些影响也不容忽视,这时的流速误差可达20％之多;流向误差可达±10°。在实验中我们观测了船艏向,锚链的方位角及入水角参数的时间变化,并作了这些因素对海流测量影响的初步分析。     

利用机载GNSS反射信号反演海面风速的研究

全球卫星导航定位系统的反射信号(GNSS-R)遥感技术作为一种新型的、低成本的、高机动性的海面微波遥感测风技术,与其他测风手段优势互补,可以增加测风手段的多样性,弥补局部测风手段不足的状况。研究了接收机在机载高度时,GPS反射信号功率理论模型四部分函数的性质,在此基础之上,数值模拟了机载高度下理论相关功率波形,基于海面风速对波形峰值与后沿的影响,提出了一种能够兼顾所有理论波形信息的二维插值风速反演方法。利用该方法,结合实测机载数据对海面风速进行反演,反演的风速均值与附近测站风速均值相差为1.4 m/s,与浮标数据相一致。     

OSMAR-S100便携式高频地波雷达海浪和海面风探测性能分析

OSMAR-S系列便携式高频地波雷达系统采用单极子/交叉环紧凑型天线阵,通过单站雷达即可实现有效探测距离约10km内海浪和海面风的单点观测。为了更好地了解OSMAR-S100雷达系统海浪和海面风的综合探测性能,于2013年1月29日至3月7日在台湾海峡西南部海域进行了雷达与浮标观测的对比试验,得到了有效波高、有效波周期、平均风速和平均风向数据。对比结果表明,OSMAR-S100便携式高频地波雷达可有效观测距雷达10km以内有效波高0.5m以上的海浪平均状况和平均风速5m/s以上的海面风,雷达反演有效波高和有效波周期的均方根误差分别为0.60m和1.60s,反演平均风速和平均风向的均方根误差为1.83m/s和16.7°。在未经区域化标定的情况下,此结果说明了该型雷达产品已初步具备了海浪和海面风的业务化观测水平。     

西太平洋8708号台风海面风、浪结构及其关系的遥感研究

本文以Geosat卫星高度计1987年8月11日在西太平洋海域上的-上升轨道测得的风、浪资料为基础,统计分析了8708号台风影响下的海面风速和海浪特征.结果显示,此次台风影响下的海面风速和海浪波高的空间分布具有相对台风中心近似对称的结构特征,但在台风内区,台风移动方向的右方风速较左方风速增加较快,同时在台风外围,右方风速较左方风速衰减也较快;有效波高没有明显的内、外区结构,且左、右方波高随距离变化也呈不同的衰减率;风速与有效波高的关系在台风中心左右也呈现明显的不同;本文给出了台风的风速及波高随相对台风中心距离变化的经验关系式,以及合风风速与波高的经验关系式等.     

风浪状态对海面风应力影响的初步研究

利用新近提出的海面风应力系数线性参数化理论,定性地分析了已有风应力和风浪的观测数据。分析发现这些观测数据表明在小波陡的情形下海面风应力系数随风速的变化较大波陡的情形更加迅速。结果定性地倾向于支持Toba等的结果,即成熟的风浪较年轻的风浪更加粗糙。     

包含温度因子的海水地球物理模型函数建模研究

以SeaWinds散射计为例,利用其L2A卫星测量数据和相应的海面浮标测量数据,以温度作为独立变量,借助人工神经网络首次尝试建立了包含温度因子的海水地球物理模型函数。建模实验结果表明,在3—15m.s-1风速范围内,对于两种极化方式,后向散射系数先随温度的升高而增大,当风速大于某一数值后,又随温度的升高而减小,但两种极化方式的转折风速存在差异。该研究结果为海面微波散射机理认识的进一步深入和模型函数精度的进一步提高展示了潜在的可能途径。     

第五讲 船舶运动性能是优选航线的重要依据

前面已经谈到,海洋水文气象条件是航行安全和经济航运的重要保证。在海洋环境中,船会遇到风、浪、流引起的阻力,也会发生遥摆砰击,结果往往导致航行失速、结构损伤,甚至造成严重的海难。而且,不同类型的船,即使在相同的海况条件下,呈现的运动状态也很不相同,所以在优选航线过程中不能忽视船舶本身的运动性能。 船的摇摆和砰击 船的摇摆包含6个方面的自由度: 1.横摇──围绕船的纵轴（由船头至船尾方向）所作的运动; 2.纵摇──围绕船的横轴所作的运动; 3.垂荡──船在垂直方向上的运动; 4.偏航──船体围绕垂直轴向的运动; 5.横飘──船体侧向运动。 6.前冲──船体纵向运动。 船的摇摆运动可用波动定律来描述,类似复合摆的运动,由简谐分析求得横摇和纵摇的     

不同时段下海平面相关参数的差异分析

验潮站观测的海面高度数据是监测海平面变化以及确定平均海面时常使用的重要基础观测信息,针对平均海面以及相对海平面变化速率在不同时段观测资料下结果的差异进行了分析,统计了不同时间尺度平均海面确定的差异,并设计了两组数据实验,具体讨论了不同年份19年观测以及观测时长逐年累加两种情况下,相对海平面变化速率确定结果的规律。实验结果表明,月平均海面具有明显的季节性变化,最大互差可达几十厘米,1年平均海面基本稳定,19年平均海面精度可达厘米级;利用19年的观测资料确定的相对海平面变化速率反映的观测时段内海平面的变化情况,各时段结果差异较大且可靠性较低;为获得稳定可靠的相对海平面变化速率,观测时长应至少涵盖两个潮汐变化周期。     

船（或浮标）上风杯风速传感器某些测风效应实验分析

船(或浮标)上的风杯风速传感器测量风速时，由于船体（或浮标体)的结构问题或风浪的作用，风杯转轴有时倾斜或随浪摆动起伏。由此而能引起多大的测风误差，应进行探讨。因为这关系到对海上测风数据的正确分析和对船(或浮标)上测风仪器工作质量的正确估价。     

船(或浮标)上风杯风速传感器某些测风效应实验分析

一、前言 船(或浮标)上的风杯风速传感器测量风速时,由于船体(或浮标体)的结构问题或风浪的作用,风杯转轴有时倾斜或随浪摆动起伏。由此而能引起多大的测风误差,应进行探讨。因为这关系到对海上测风数据的正确分析和对船(或浮标)上测风仪器工作质量的     

海上不同高度风速换算关系的研究

本文用海上石油平台上观测的风梯度资料,计算了在不同风况下海面摩擦速度和粗糙高度。结果表明,海面摩擦速度u_*与海上10m高度处风速u_(10)的关系为u_*=0.055u_(10)-0.058。在4—5级风时,海面平均摩擦速度为50cm/s,粗糙度为0.022m,它相当于陆上的平均粗糙高度。在风速为2—3级时,二者与海上通常采用的数据接近。文中最后给出了上述两种风况下海上不同高度的换算系数。     

各向异性海面全极化微波双站散射的仿真与分析

为了解各向异性随机粗糙海面的微波双站散射机制及其特性，本文利用解析近似的积分方程模型以及一种改进的半经验海浪谱模型实现了对各向异性随机粗糙海面的全极化微波散射仿真模拟，并与卫星观测数据、经验的地球物理模式函数及已有的解析近似散射模型仿真结果进行了对比，验证了仿真结果的可行性和准确性。利用该模型分析了入射波频率、入射角、极化方式、海面风速及风向等参数对各向异性海面双站散射的影响。模拟结果表明，在不同的入射角、散射角及方位角等观测几何条件下，海面不同波段的双站散射表现出不同的空间散射特性，且对风速、风向等海面动力学参数表现出不同的敏感性，以L波段为例，海面向后半球双站散射在各个极化方式下都对风速较为敏感，而在同极化方式下，其对风向的响应在中低风速和高风速条件下相反，整体而言，低风速下海面双站散射对风向更为敏感。这表明对于海面动力参数的反演，双站散射可以提供比传统单站雷达后向散射更丰富的物理信息。本文探讨了各向异性海面微波双站散射特性，为基于主动式及分布式微波传感器的海洋动力参数遥感反演提供了理论分析基础。     

基于MISR多角度光学遥感影像的海面风速估算实验

太阳耀光是来自粗糙海面的直接太阳反射光,其强度与海面粗糙度密切相关,而海面粗糙度主要受海面风场影响。因此,包含太阳耀光信息的光学遥感影像在海洋动力过程和海面风速探测中具有积极意义。本文利用2016年2月到2017年3月期间成像的25幅Terra卫星MISR(Multi-angle Imaging Spectro Radiometer)传感器的多角度遥感影像,分别提取了太阳的高度角和方位角、正视和后视影像的卫星观测角、方位角等信息,校正获得正视和后视影像的太阳耀光辐射强度,进一步反演海表面粗糙度信息,进而计算海面风速。最后利用ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的模式风速数据与反演获得的风速结果进行对比验证。结果表明,两者的相关系数较高(R=0.745),均方根误差和平均绝对偏差值分别为1.514 m·s^-1和1.319 m·s^-1。初步实验结果表明,利用MISR多角度光学遥感影像估算海表面风速是可行性的。     

平台障碍物对海气通量观测影响的数值分析

基于计算流体动力学模型(CFD)模拟了背景风风速为2 m·s~(-1)、4 m·s~(-1)、6 m·s~(-1)下通量观测平台周围的风场分布,确定了不同风速下平台障碍物对观测影响最小的风向范围。发现风速不同,平台对背景风的影响范围不同,风速越大,平台对背景风的影响越大。运用涡动相关法计算不同风向条件下的湍流通量,定量分析由于平台干扰对海气通量计算的影响,发现选取迎风条件下的数据计算得到的海气通量会比实际偏低。     

CALIOP数据在星载相干多普勒测风激光雷达性能仿真中的应用

利用2007—2008年21个月CALIOP测量的夜间气溶胶后向散射系数的全球三维平均分布数据取代传统仿真中的气溶胶模型数据,对晴空条件下的2.1μm相干多普勒测风激光雷达的测风性能进行了计算机仿真研究。仿真结果表明,采用合理的系统参数设计,在20°S至40°N之间4.5km海拔之下单激光脉冲的径向风速误差普遍小于1m/s。以1m/s作为可接受风速误差的标准,符合标准的最大可测量海拔高度向两极方向递减,在南极附近减至1~2km。若10个激光脉冲平均测量,在对流层下层风速误差可降至0.5m/s以内,且在35°N附近最大可测量海拔高度可达5.5km。