基于风廓线雷达观测的台风“天兔”边界层演变特征研究

垂直探测台风边界层特征对于认清台风结构具有重要意义。基于1319号台风“天兔”途经的三个边界层风廓线雷达站的观测资料,结合探空数据,本文分析了“天兔”的边界层径向、切向风特征,结果表明：1）最大切向风速出现在眼区附近,在“天兔”稳定维持为强台风级别期间,最大切向风速基本稳定在1800 m高度左右,随着登陆后强度的迅速减弱,最大切向风速减弱、最大切向风速垂直范围缩小;2）最大风速所在高度和台风入流层顶高基本相近,大于依据理查森数或位温梯度所判断出的边界层高度,而基于信噪比（SNR）或其梯度所判断的混合层高度时常偏低;3）“天兔”登陆前边界层高度可以达到2100 m以上,在台风级别及以上时,各站观测到的边界层高度变化不大,基本在1200～1600 m之间,登陆后随着台风强度的减弱,边界层高度迅速减小。     

朝鲜半岛周边海域波候观测分析

本文收集整理了2013—2014年朝鲜半岛周边的海浪观测数据,统计分析了该海域的波候(海浪气候态)特征,结果表明:(1)朝鲜半岛周边海域的海表风速、有效波高的峰值都出现在12月—翌年2月,有效波高在8月的次峰值比风速明显。(2)风向频率随季风变化明显,波向与风向没有很好的对应关系,其中,朝鲜海峡的波向在各个季节都以偏西南向为主。(3)朝鲜半岛周边海域在各个季节整体以3级浪为主,4级浪次之。(4)大部分海域的阵风系数常年在1.4左右。     

3种海面风场资料在吕宋海峡的比较与评估

利用1990—2014年的ICOADS观测资料,从空间分布、季节变化和不同风速风向特征等角度,对3种海面风场资料(ERA-I、CCMP、CFSR)在吕宋海峡处的风速和风向质量进行了较为全面详细的对比和评估。主要结论如下:(1)3种风场资料在吕宋海峡处风速整体偏小,海峡中部误差较小,南北两端误差较大;均方根误差季节变化显著,6月最小,12月最大;(2)风速误差随不同风速、不同风向而不同,整体呈现高风速时风速较观测偏大,低风速时风速偏小的特点,且低风速段误差较小,高风速段误差随风速增大而增大;(3)3种风场资料在吕宋海峡处风向整体偏右,海峡中部误差较小,南北两端误差较大;季节变化显著,12月最小,5月最大;(4)风向误差随不同风速、不同风向而不同,偏北方向,风向偏右;偏东方向,低风速段风向偏右,高风速段风向偏左;偏南方向,低风速段风向偏左,高风速段风向偏右;偏西方向,风向呈偏左状态。风向误差整体随风速的增大而减小;(5)综合比较,CCMP的风速、风向资料质量均好于其他两种资料。     

海口湾海域波浪特征分析

通过在海口湾北部海域布置波浪观测站,对采集到的实测波浪资料进行统计和波谱分析,研究了琼州海峡波浪季节性变化特征。观测期间最大波高为5.6 m,发生在台风"莎莉嘉"经过期间。无台风影响的月份最大波高为3.0 m。年平均十分之一大波波高、年平均有效波高、年平均波高分别为0.5 m、0.4 m、0.3 m,该海域波高总体不大。波周期范围主要在2～7 s区间。研究结果表明:1)观测海区各月基本都受到东北风影响并存在东北向的波浪; 2)发现海区波浪类型主要是风浪为主的混合浪; 3)发现观测海区一直受到南海传入的长周期波影响; 4)海区风向与浪向的一致性在东北季风影响时段明显强于西南季风影响时段,风速与波高的相关性在东北季风影响时段明显强于西南季风影响时段,该现象在台风月份表现得尤其明显。     

渤海湾北岸海陆风及湍流强度特征分析

利用渤海湾北岸祥云岛岸基站2017—2018年观测数据和两座梯度测风塔2011—2013年观测资料分别分析了当地海陆风和湍流强度特征,并重点对不同天气系统所致大风条件下的湍流强度特点做了剖析。结果表明:渤海湾北岸海陆风特征明显,昼夜风向主要由SSW向ENE转变,夏季昼夜风向转换尤为显著。整体而言,风速和湍流强度随高度增大分别呈增大、减小趋势,且近海面层湍流强度小于近地层湍流强度。湍流强度具有显著的季节性特征,夏季大、冬季小、春秋季变化不明显,且近海面层湍流强度相对近地层变化平缓。近海面层70 m及以下湍流强度在偏东大风条件下反而比近地层湍流强度大,雷雨大风期间近海面层和近地层均出现湍流强度随高度增大而增大、风速随高度增大而减小的特殊情况,台风靠近风塔时各层风速显著增大、湍流强度变化不明显,但台风中心到达时湍流强度迅速增至峰值,二者时间一致并早于风速最小值出现时间约1 h。近海面层和近地层有8%～10%样本的湍流强度超出了IEC-61400设计标准,建议渤海湾北岸风力发电风机抗湍流参数调整至0. 43～0. 49。     

2006年8月青岛国际帆船赛期间海陆风特征及三维结构分析

利用2006年青岛国际帆船赛期间(2006年8月9~31日)的观测资料,对赛场附近的海陆风特征进行了分析,并根据激光雷达和多普勒雷达资料分析了海风的三维结构,结果发现:(1)青岛国际帆船赛期间海陆风发生的频率非常高;陆风时间一般在03:00~09:00时;在副高控制下,赛场全天风速较弱,一般在2.5 m.s-1以下,风向也不集中,陆风多为东北北方向,海风的方向则以东-东南风为主。海风形成的时间较迟,而副高边缘的海陆风较明显,海风形成时间相对较早。海风形成后,风速一般在3~4 m.s-1,为一天中风速最大的时段;风向也较集中,陆风以北-西北北风向为主,海风以东南风为主;(2)海陆风消亡时,风速往往迅速减小,海陆风越强,风速减小得越厉害。(3)海陆温差不是决定海风强弱的唯一因子。(4)海风在垂直方向一般比较浅薄,多在300 m以下。发展强盛的海风垂直高度可达1.5 km左右,向内陆推进100 km左右。多普勒雷达风廓线产品却可以较好地反映赛场附近海风风向的转变和垂直结构。     

泰山酸雨特征及影响因素分析

利用2006—2015年泰山气象站的降水pH、电导率、降水量和风向风速资料,统计分析了泰山酸雨特征和变化趋势,探讨了降水量和风向风速对酸雨的影响。结果表明,泰山降水年均pH变化范围为4. 31～4. 99,酸雨发生频率达到69. 3%; pH随降水量的增加而趋于5. 60(中性); 5月至次年1月的月均pH与月平均过程降水量的变化趋势一致;月均电导率与月平均过程降水量的变化趋势相反。泰山降水期间盛行西南风,在南风和东北风条件下,酸雨出现频率最高且酸性最强,这主要是风速风向因素和人为排放源分布共同导致的。近10 a泰山降水酸性程度有所减弱,酸雨频率明显下降,表明近年来酸雨污染情况有所改善,有利于保护泰山生态环境。     

基于“黑格比”和“灿都”台风期间湍流数据的曳力系数和动力粗糙度长度参数化研究（英文）

海面的曳力系数和空气动力学粗糙度长度是计算海气动量、感热和水汽通量交换必需的参数。基于在"黑格比"和"灿都"台风期间收集的涡动相关系统观测数据,文章研究了10m风速和摩擦速度之间、10m风速和曳力系数之间、以及10m风速和动力粗糙度长度之间的参数化关系。结果表明:曳力系数和摩擦速度及10m风速之间存在抛物线关系,动力粗糙度长度与摩擦速度及10m风速之间存在自然指数关系;临界摩擦速度为0.83m·s~(–1),临界10m级风速为23.69m·s~(–1)。     

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。     

台风“达维”影响期间江苏海域台风浪研究

2012年 10号台风“达维”是历史上登陆长江以北的最强台风。以 NCEP 风场和 J el es ni ans ki经验模型构造台风风 场,利用波浪谱模型 SW AN 对“达维”影响期间江苏海域台风浪进行数值模拟,模拟结果和实测结果吻合较好。在利用实 测风、波浪资料验证的基础上分析江苏海域台风浪的时空分布特征。“达维”影响期间,测风塔 100 m 高度实测最大风速为 42. 2 m/ s ,实测最大波高为 6. 17 m。数值模式结果显示江苏外海有效波高最大值超过 9 m,台风移向的中心右侧风速和有效 波高均较大,波向基本与风向一致;在台风移向的中心左侧一般风速较小,风速和有效波高也均比右侧小,波向与风向不一 致。在近岸台风浪要素受地形影响较大,与外海特点不同。     

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。     

两种ASCAT 散射计风产品的比较及评估

基于浮标和步进频率微波辐射计(SFMR,Stepped-Frequency Microwave Radiometer)数据对NASA JPL(Jet Propulsion Laboratory)和RSS(Remote Sensing Systems)公司分别发布的已广泛应用于全球海面风场观测的ASCAT(Advanced SCATterometer)散射计风产品进行了比较和分析。结果表明,两者风速在中低风速(15 m/s)时基本一致;高风速(15 m/s)时RSS风速整体高于JPL风速。通过浮标数据对比,风速15 m/s时两者风速精度一致;风速15 m/s时两者风速RMS相当,但JPL和RSS风速分别低估和高估。利用SFMR数据检验表明RSS风速与SFMR风速一致性更好。两者风向精度在低风速(5 m/s)时较低,但随风速增加而提高并趋于稳定。该研究结果对相关科研人员的ASCAT散射计风产品选择具有重要的指导意义。     

台风影响下广州近岸及珠江口水文气象特征响应

基于海洋自动观测站实测连续的水文气象数据,对1713号台风“天鸽”和1822号台风“山竹”影响期间广州近岸及珠江口水文气象特征进行了分析,并对海洋灾害影响动力因素进行了探讨。研究结果表明：（1）在台风影响期间,各观测站风速由平时的1~4级增至7~8级,风速均在受台风七级风圈影响6~7 h左右达到最大;潮位均超红色警戒潮位,最大增水2~3 m;波高由平时的1~2级增至3~4级;余流受风速影响先降后增,台风登陆当日余流值最低,台风使余流发生转向;海表温度下降1~2 ℃,海表盐度增大4~12。（2）对台风的响应由快至慢为：风速、余流、波浪、潮位、水温和盐度,波浪比风速晚1 h达到峰值,最高潮位出现在台风登陆1~2 h后,水温和盐度比风速对台风的响应晚5~6 h。（3）对波浪影响较大的因素主要为台风风圈半径、强台风持续时间、台风级别、移动速度等;对风暴增水影响较大的因素为台风强度和风圈半径,天文大潮、上游流量、地形等对潮位抬升也有一定影响,此外,波浪陡增对风暴增水具有较大影响,相关系数达0.7。（4）“山竹”登陆地点较“天鸽”远74 km且非天文大潮期,但引起的灾害较“天鸽”更严重,引起的最大增水较“天鸽”高30~50 cm,风暴潮等级Ⅱ级以上增水历时较“天鸽”长2.5 h,受4级海况影响时间较“天鸽”长11 h,主要原因是“山竹”的风圈半径远远大于“天鸽”,向陆移动过程中强台风持续时间远远长于“天鸽”。     

城市化进程对近地层大气风温结构的影响

利用北京325 m气象塔不同阶段(第一阶段:1991—1995年;第二阶段:2004—2008年)风温梯度观测,北京地区气候站长期观测(1971—2008年,20站)和城市社会经济发展指标(1978—2008年),从城市化进程不同阶段对比的角度,分析研究北京近地层大气风温结构变化特征。结果表明,北京城市化进程已经导致该地区近地层大气特征发生明显变化。主要表现为:地面和近地层温度增加,热岛强度增强;地面风速和近地层低层风速明显减小;近地层低层(63 m以下)风向变得更为紊乱;近地层温度垂直递减率增加;近地层大气风温结构特征的变化表明:2004—2008年325 m气象塔,在63 m以下基本反映的是城市冠层流场特征,即气象塔周边地区城市冠层厚度约为63 m。     

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。     

厦门岛东北岸海岸风沙运动观测研究

厦门岛东北海岸是台湾海峡西岸风沙最活跃的岸段之一,其中香山-五通岸段由于新建设了宽阔的人造海滩,风沙更加肆虐.为了解该岸段海岸风沙的运动特征和影响程度,分别于2007年11月22日、12月31日和2008年1月13日使用捕沙器定时取样和同步风速观测的方法进行风沙观测.结果如下:(1)人造海滩的风沙起沙风速约为6.9m/s,该风速以上,风沙随风速的增加而增加;(2)海岸风沙在离地面1m高度内运动,其中的94.8%在0.25m高度下运行;(3)人造海滩的风沙粗于自然海滩的风沙,随风沙运动高度从低到高,平均粒径由细到粗,分选性变好;(4)本岸段>6.9m/sNE风时平均输沙率约为2.776kg/m2h,单宽输沙量约为374.84kg/h,即8.995t/d.     

环渤海海域卫星反演风与站点观测风对比分析

选用了布设在渤海海域的浮标、平台、海岛共计18个站点,利用COARE算法进行站点风速的高度修正,对ASCAT卫星反演风与三类站点风进行对比分析。统计检验结果表明,卫星风与站点风相比,整体上卫星风速比站点风速大。浮标与卫星的风速差最小,而平台和海岛与卫星的风速差较大。风向对比结果显示,卫星风与站点风的风向平均偏差都很小,但均方根偏差却比较大。随着风速的增加,三类站点的风速平均偏差都是由大到小变化,由正值变化为负值,弱风速的时候卫星风速大于站点风速,高风速的时候卫星风速小于站点风速;风速的均方根偏差则相对稳定。卫星风与站点风的风向均方根偏差随着风速的增加而减小,在不同的方向上,风速偏差和风向偏差等统计量的区别较小。随季节的变化中,平台和海岛站的风速与卫星风速的平均偏差秋冬季大而春夏季小。     

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。     

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。     

降雨条件下全极化微波辐射计海面风场校正

为提高降雨条件下星载全极化微波辐射计海面风场精度,通过匹配WindSat海面风场和降雨率数据以及美国国家浮标中心浮标观测数据,得到18 996组匹配样本,深入分析了降雨对海面风场反演精度的严重影响,构建了风场校正模型。试验结果表明,降雨导致海面风速被严重高估,风向误差随着降雨率的增大而增大。校正后的风速精度在低风速段提升明显。无论降雨率多大,校正后风速精度均比校正前高。风速均方根误差由原来的2.9 m/s降低到了2.1 m/s,风向均方根误差由原来的26.9°降低到了26.3°。