平均波周期参数化方案及在SWAN模式中的应用

基于NDBC浮标观测数据,利用波龄与无因次波高的关系构建新的平均波周期参数化方案。将该方案集成在SWAN模式中,利用模式得到的有效波高、海面风速,计算新的平均波周期。将计算出的新平均波周期值、SWAN模式原周期计算方案得到的平均波周期值与浮标观测值进行对比,分析平均波周期的相对误差。结果表明,SWAN模式原周期计算方案模拟的周期值存在偏小的现象,而新的平均波周期参数化方案计算结果更接近浮标观测值,说明本文新构建的平均波周期参数化方案能够较好的应用在SWAN模式中开展东海海域平均波周期的数值模拟。     

不同风速条件下海表空气动力学粗糙度参数化方案

实验室和外海观测资料已经证实,高风速下海面拖曳系数的变化和中低风速下并不相同。考虑到海面飞沫以及海浪状态对拖曳系数的影响,本文提出一种新的拖曳系数计算方案,该方案可适用于各种风速条件下。在中低风速下飞沫对拖曳系数的影响可以忽略不计,无量纲的海面粗糙长度先随着波龄的增加而增加,继而随波龄的增加而减小;然而在高风速下,因气泡破裂或者波浪破碎产生的飞沫使得风廓线对数函数改变,造成拖曳系数的减小。对不同波龄而言,拖曳系数和粗糙长度达到最大值的风速并不相同。同时,高风速下,海面拖曳系数的降低减少了摩擦速度随风速增加而增加的速率。     

SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响

本文以荷兰哈灵水道海域为实验区域,通过敏感性实验,研究了在14 m/s、31.5 m/s和50 m/s（分别代表一般大风、强热带风暴和强台风的极端条件）定常风速下SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响程度。结果表明,对于近岸浅水区域（水深小于20 m）,风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高影响较小,而且当风速增加到一定程度后,波浪破碎成为影响波高值的主要因素;对于深水区域（水深大于30 m）,一般大风条件下风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高影响仍然较小,随着风速的继续增大,风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高的影响逐渐显著。对于平均周期,风拖曳力系数计算方案的选择和风速的改变对其影响均较小,而由水深变浅导致的波浪破碎对其影响较为显著。根据敏感性实验结果,本文对SWAN模型中风拖曳力系数计算方案的选择做出如下建议:计算近岸浅水区域风浪场或深水区域一般大风条件风浪场时,其风拖曳力系数可以直接采用模型默认选项;而对于深水区域更大风速条件,可首先采用模型默认选项试算,然后结合当地海域实测波浪资料进行修正。     

海气动量通量研究综述

海气界面动量通量也称为风应力,是海流和表面海浪的主要驱动力,是海洋从大气获得动量的重要途径。因此,合理可靠的海洋表面风应力的参数化对于海洋、大气和波浪以及气候模式的准确预报都具有非常重要的科学意义和实用价值。对风应力拖曳系数的参数化是风应力参数化的主要内容。近来的观测发现,风应力拖曳系数随着风速的增加出现了先增后减的趋势,同时还与海面的波浪状态以及海流有关。基于观测或理论分析,目前已经得到了一系列的风应力拖曳系数计算方法或公式,有的考虑了海浪的作用,有的没有,但这些方案大都是适合中低风速,在高风速下的适用性还有待检验。本文回顾了目前在海气动量通量观测和参数化方面的研究进展,并建议应增加高风速下风速、海流以及海浪等的同步观测,以进一步完善风应力参数化方案。     

基于SWAN模式的台风浪数值模拟初步研究

利用CCMP风场和Holland经验风场模型,构建不同合成半径的合成风场。基于SWAN模式对2010年第13号强台风鲇鱼进行数值模拟,然后使用卫星数据验证模式风速和波高,结果表明模式结果与实测值吻合良好,并且100km合成半径的风场模拟结果最佳。最后使用基于不同拖曳系数参数化方案的SWAN模型进行波高模拟,结果表明不同拖曳系数参数化方案造成的差异主要反映在大风区,新版本的SWAN41.01修正风能输入项后,波高模拟结果更加合理。     

考虑飞沫影响的拖曳系数方案对台风条件下上层海洋海温数值模拟的影响

为了提高对上层海洋的模式模拟准确性,为台风海气耦合模式提供更加合理的动量交换耦合方案,文章应用一个分粒径段的海洋飞沫函数给出一个新的海面拖曳系数CD计算方案,它体现了台风高海况条件下海洋飞沫层使海面拖曳系数数值减小特点。论文以2014年第15号台风"海鸥"经过南海强化观测区域时段作为个例,应用POM(Princeton Ocean Model)三维海洋环流模式进行数值模拟试验,结果发现低风速情况下,考虑海洋飞沫因素后的CD与传统计算方案数值相近,在高风速情况下,考虑海洋飞沫因素后的CD方案与模式传统计算方案不同,表现出随风速增长趋缓,直至随风速略有下降现象。与传统拖曳系数方案相比,采用新的拖曳系数方案后,模拟的台风条件下上层海洋的温度降温幅度、混合层深度加深幅度、温跃层强度减弱程度都略有减弱,这些模拟特征与观测事实更加接近。     

基于雷达水位计的海浪波高信息提取算法及其精度评价

为了证明雷达水位计波高测量的有效性,基于PY30-1石油平台上的雷达水位计海面高度变化观测数据,开展了雷达水位计海浪波高信息提取算法研究。基于所发展算法提取海浪波高信息,与同一平台上的C波段测波雷达观测数据及平台附近的浮标观测数据进行了比对分析。结果表明,雷达水位计数据提取的海面波高数据与C波段测波雷达及浮标测量数据一致性较好,二者标准偏差分别为0.006和0.008 m,均方根误差(RMS)分别为0.55和0.60 m。波高小于4 m时一致性优于波高大于4 m的一致性,波高大于4 m时水位计提取的波高偏小。因此,雷达水位计可作为波高观测的重要数据源之一。     

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。     

The temporal and spatial variations in the Pacific wind and wave fields for the period 2002–2011

本文利用第三代海浪模式（WAVEWATCH III）分析了2002-2011年太平洋风速和海浪场的时空变化特征。首先,使用浮标观测数据对模式模拟的有效波高结果进行验证。结果表明模式可以有效地后报太平洋的有效波高。模式偏差较大的区域为中低纬度地区。随后将太平洋分为多个子区域,分别讨论了其风速和有效波高的时空变化特征。多年平均太平洋风速和有效波高存在类似的纬向分布特征,各子区域之间风速和有效波高的季节变化存在差别。模式刻画的太平洋有效波高年际变化最大的区域为南半球中高纬区域。进一步,我们研究了波浪能量的输入与耗散。相应的源函数项的各区域平均值显示了量化的表面波的变化。最后,对日平均的风速与有效波高值进行功率谱分析寻找序列的显著周期。结果表明有效波高时间变化对应的频谱和风速谱具有一定的差异。     

中国沿岸海洋站自动测波仪器测波特征分析

选取我国沿岸18个海洋观测站,对SBF3-1、SBF3-2、LPB1-2、SZF型自动测波仪器与目测、岸用测波仪两种非自动测波方式的海浪观测参数进行了比较分析。研究发现,与非自动测波方式相比,SBF3-1型浮标观测波高无明显变化,观测周期具有显著变大的特点;SBF3-2型浮标观测波高多数情况下具有变小的特点,观测周期保持不变或趋于变大;LPB1-2型声学测波仪观测波高有微弱变大的特点,观测周期无明显变化或微弱变大;SZF型浮标观测波高和观测周期既存在明显变大的情况,也存在明显变小或变化不明显的情况,无明显共性观测特点。     

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。     

基于浮标资料的中国东部海域最大波高特征分析

利用原国家海洋局2010—2015年的浮标资料,计算渤、黄、东海有效波高和最大波高的线性关系,并通过1992—2011年共20 a的数值模拟有效波高资料计算中国东部海域各月的2.5 m、4 m、6 m以上最大波高频率和最大波高月极值分布。结果发现:中国东部海域由北至南,最大波高与有效波高的比值逐渐增大;最大波高频率和最大波高月极值空间分布均由渤海、黄海至东海逐渐增大,最大波高频率的极值12月最大,4或5月最小,最大波高月极值9月最大,4月最小。其时空分布表明:受不同天气系统影响,夏秋季台风较多,容易出现极值较大的最大波高;秋冬季冷空气较强,虽然最大波高极值相对较小,但大浪持续时间长、频率大、影响范围广。     

海气界面沫滴悬浮层的特征

Makin利用经典的有限饱和沫滴悬浮层理论建立了高风速下的海面动力学粗糙度模型。本文基于Makin模型,研究了海面拖曳系数随风速变化关系对沫滴悬浮层厚度、沫滴极限下落速度和Charnock参数的依赖性,从而考察了沫滴悬浮层的特征,并根据观测数据确定一些参数的取值。结果表明:沫滴悬浮层高度对拖曳系数随风速变化关系影响甚微;沫滴极限下落速度对拖曳系数随风速变化关系影响较大,但由不同观测数据估计得到的沫滴极限下落速度趋于一致;Charnock参数对拖曳系数随风速变化关系影响较大。综上,基于Makin模型的拖曳系数随风速变化关系主要依赖于Charnock参数。最后,利用已有的理论研究结果及通过数据拟合给出了解析的拖曳系数随风速变化关系式,仅依赖于Charnock参数,适用于各种风速情形。     

基于浮标资料的海气动量交换系数研究

大尺度模型里大气边界层和海洋表面的耦合通常由海表拖曳系数进行参数化,海表拖曳系数一般看作是风速的函数。低风速下的海表拖曳系数一般看作是风速的线性函数,但有研究显示在极低的风速值下,海表拖曳系数并不是随着风速而单调增加的,而是随着风速的增加先减小再增大。极低风速下海表拖曳系数的估计值对不同计算方法有很强的依赖性,低风速下海表拖曳系数随风速的变化规律存在争议。因此,本文对10m处风速进行4种不同平均方法的选取以探究海表拖曳系数随风速的变化规律,为进一步改进海洋模式提供了依据,提升了海洋再分析的业务化能力。     

基于人工神经网络的台风浪高快速计算方法

采用2010—2017年南海5个浮标波高观测资料和中国气象局热带气旋最佳路径集中的热带气旋参数, 基于前馈型误差反向传播(Forward Feedback Back Propagation, FFBP)神经网络(Artificial Neural Network, ANN)方法, 分别建立了各浮标站的台风浪高快速计算模型。研究显示, 基于热带气旋中心坐标、中心最低气压、近中心最大风速、热带气旋中心与浮标之间的距离和方位4个参数建立的神经网络模型经反复训练后, 模型输出结果可以很好地拟合观测数据, 各浮标有效波高计算值与观测值的均方根误差小于0.3m, 平均相对误差为5.78%~7.23%, 相关系数大于0.9, 属高度相关。独立测试结果显示, “山竹”( 国际编号: 1822)影响期间有效波高最大值的神经网络模型预报结果与观测值基本吻合, 相对误差为-31.06%~0.98%, 但计算的最大值出现时间和观测情况不完全一致。该计算方法可应用于热带气旋影响期间的有效波高最大值计算, 因而在海洋工程领域和海洋预报领域具有应用前景。     

唐山近海海域波浪要素特征分析

本文基于唐山近海海域1#、2#浮标2017年4月至11 月实时海浪观测数据及部分风速风向数据, 对唐山近海海域波浪有效波高、有效波向、有效波周期等波参数特征进行了统计分析, 并利用origin 软件对波参数与风速、风向相关性进行了研究。研究结果表明： 1#、2# 浮标海域常浪向为SSW、SW、SSE, 常浪向有效波高均以0.2 ～ 0.4 m 小浪及3 ～ 4 s 短周期为主,有效波高1 m 以上较大波浪极少出现; 该海域波浪以风浪为主, 波浪破碎速度较快, 有效波高与风速相关性较强, 相关系数r 为0.71, 风向与波向、有效波高与周期基本无相关性, 该研究资料可为海上活动及防灾减灾提供技术依据。     

强台风“卡努”过境期间的风和海浪特征分析

南海北部海域夏季台风活动频繁,对海上生产活动和人民生命财产安全造成极大威胁,由于台风路径的不确定性,其中心附近区域的风浪观测资料十分稀少。中国气象局(China Meteorological Administration, CMA)热带气旋最佳路径数据显示2017年10月强台风“卡努”中心经过南海北部陆坡的SF301浮标,该浮标完整记录了台风过境的风浪数据。利用浮标观测资料,分析了强台风“卡努”过境期间的风和海浪特征。观测结果表明,“卡努”经过浮标时,中心气压为959.9 hPa,风速随时间呈双峰分布,前、后眼壁区的10 min平均风速分别为30.2 m/s和24.9 m/s, 1 s极大风速分别为44.2和38.6 m/s。海浪以风浪为主,观测有效波高和最大波高最大值分别为10.8和14.3 m,滞后最大风速30 min,波向和风向变化趋势一致。台风过境期间,有效波高与海面10 m风速接近线性关系,非台风期间二者呈二次多项式关系。海浪无因次波高和周期呈幂指数关系,无论是台风期间还是非台风期间二者关系十分接近Toba提出的3/2指数律。     

海-气界面动量通量的估计方法分析与应用

首次将经验模态分解方法引入湍流稳定性分析,与传统的线性和滑动平均去势方法进行了比较,发现经验模态分解方法的去势效果最好。基于"南海平台通量观测计划"(FOPSCS)近两年的连续通量观测数据,得到了22 476个摩擦速度的估算值,结果表明,当风速小于5m/s时,拖曳系数随风速增大而减小,而风速大于5m/s时,拖曳系数随风速增大而增大,两种情形分别反映了黏性表皮摩擦和波浪引起的形状阻力对海面风应力的贡献。同时发现短风区情形的拖曳系数大于长风区情形,说明波浪成长状态会对海-气界面动量交换产生影响。     

基于三种测波方法的实测数据对比分析

近海海洋工程波浪观测中较为广泛使用的测波方法主要包括压力式测波、声学测波和重力式测波等。三种观测方法各有优势,需根据历史资料、地理环境和任务目的设计合理的观测形式,可以选择一种或多种形式组合的形式,以达到最佳的观测效果。使用GPS测波浮标、AWAC声学海流/波浪测量仪和TWR-2050压力式波潮仪的实测资料进行了对比分析,结果显示,测波浮标与AWAC所测数据相关性较一致;TWR压力波潮仪与AWAC测量的波高趋势基本一致,但周期短、波高小的海域和时间段测量准确度较差。     

应用于海洋物性监测仪的小型浮标水动力分析

为验证研制的国产气象水文传感器的性能,设计了直径3 m的圆盘式小型浮标,拟搭载所有传感器在2000 m以深海域开展应用试验。统计了试验海域的有义波高、波浪周期、最大风速和表层流速等环境参数,计算了浮标的质量、重心、吃水、受力投影面积和惯性矩等设计参数。以三维势流理论和波浪辐射-绕射理论为基础,使用AQWA软件在频域内对浮标进行水动力计算,仿真了浮标工作时所受的一阶波浪力、附加质量、附加阻尼和运动幅值响应因子,通过仿真结果对浮标设计方案进行优化,优化后的浮标计算结果随波浪频率变化平缓,幅值合理且无激增点,表明该浮标与工作海域内的波浪没有发生明显谐振,对环境载荷有足够的承受能力,方案可用于浮标研制。