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。     

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。     

考虑风向分布的芝罘岛极值风速季节变化研究

基于角度-线性模型,提出利用风玫瑰图数据直接建立风速与风向联合分布的方法,对烟台芝罘岛地区四季度风玫瑰图建立联合分布模型,采用决定系数评价模型与原始玫瑰图一致性,结果表明统计模型可靠性高,与原始风向风速分布相关性极强;利用联合分布模型,结合根据条件概率推导得到的二维风向风速伪随机数生成算法,对芝罘岛地区100年的风况进行了蒙特卡洛模拟,从中筛选各季节、方位年极值风速数据,结合收集到的该地区1981—1992年极值风速观测数据进行比较,结果显示模拟数据可较好的反映各方位极值风速的变化;进一步利用模拟的年极值数据,对芝罘岛地区各季节,不同方位的10、20及50年风速重现值进行了预测。     

蒸发波导条件下风速风向对电磁波传播的影响

海洋蒸发波导是重要的军事敏感要素,严重影响着海上电磁波的传播。风向、风速是决定蒸发波导强弱的重要因素,为精确模拟蒸发波导条件下的电磁波传播,准确评估预报雷达、通信等电子设备的性能,文中利用抛物线方程模型,结合粗糙度参数和蒸发波导条件下大气修正折射指数廓线模型来求解电磁波波动方程,基于电磁波传播的数值模拟结果,重点研究蒸发波导条件下风速和风向对电磁波传播的影响。并得到如下结论:在同一传播距离处,风速越大,海面粗糙度越大,海面电磁波传播损耗就越大;当电磁波传播方向与风向夹角为0°时,其传播路径损耗远远大于在45°或90°条件下,即顺风条件下电磁波传播损耗大于侧风。     

海洋二号卫星散射计风场产品真实性检验及分析

利用国际海-气综合数据集(ICOADS)中的海面风场实测数据作为真实值,对海洋二号卫星散射计风场产品进行真实性检验,得到初步结论:(1)在中、低风速条件下,海洋二号散射计风速与ICOADS实测风速具有较好一致性,但在较高风速条件下海洋二号散射计会出现风速低估现象;(2)海洋二号散射计风向与ICOADS实测风向的误差主要集中在-15°—15°范围内,在低风速条件下,海洋二号散射计与ICOADS两者风向存在较大偏差,风向多解也主要发生在低风速时;(3)在2—24 m/s风速条件下,剔除超过3个标准偏差风速样本后,海洋二号与ICOADS两者风速的平均绝对误差为1.36 m/s,均方根误差为1.92 m/s,若忽略风向多解的影响,两者风向的平均绝对误差为14.98°,均方根误差为20.21°。     

中国海域近海面风速未来变化降尺度预估

基于CCMP卫星风场与全球耦合模式GFDL-CM3历史实验期的海表面风场、气压场、温度场等资料,使用经验正交函数和多元回归统计方式,获得高分辨率卫星风场与低分辨率气象要素场两者典型空间模态的长期统计关系,构建了我国海域近海面风速统计降尺度模型,进而结合GFDL-CM3气候模式RCPs情景未来预估数据,降尺度分析了2015-2050年我国海域近海面风速未来变化。结果表明:构建的降尺度模型具有良好模拟能力,模拟与观测风速空间分布相关性R值在0.98以上,风速变化趋势相关性R值在0.97以上,月平均风速模拟均方根误差(RMSE)全海域平均值约为1.32 m/s。我国海域近海面风速在未来35 a可能存在较明显的分时段变化特征,2015-2024年风速下降,2024-2035年风速增加,2035-2050年风速再次下降,同一时段内各海区风速变化趋势相同,但风速降幅或增幅存在差异,南海风速增降幅度较大,东海次之,黄渤海风速增降幅度相对较小。     

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。     

一次寒潮强风过程渤海海上二维风速、风向谱分析

本文使用渤海石油平台观测的超声波风速脉动资料,计算了强风条件下二维风速和风向的最大熵谱和傅立叶功率谱。结果表明,在不稳定条件下,海上大气湍流能量主要集中在风扰动的低频段,随着风速的加大,高频扰动的贡献逐渐增加;纵向风速具99s的主振荡周期,侧向风速和风向具同一谱型,它们的主振荡周期为132s。结果还指出了不同特性的气团具不同的大气湍流特征。     

基于C-2PO模型和CMOD5.N地球物理模式函数的SAR风速反演性能评估

本文选取142幅RADARSAT-2全极化合成孔径雷达（SAR）影像，在没有入射角输入的情况下，首先利用C-2PO模型进行海面风速反演。随后，将同一时空下的ASCAT散射计风向作为初始风向，提取相应雷达入射角，利用地球物理模式函数（GMF） CMOD5.N对142幅SAR影像进行风速计算。反演结果与美国国家资料浮标中心海洋浮标风速数据对比，结果显示:CMOD5.N GMF和C-2PO模型均可反演出较高精确度的海面风速，其均方根误差分别为1.68 m/s和1.74 m/s。此外，研究发现，在低风速段，CMOD5.N GMF的风速反演精度要明显优于C-2PO模型。针对这一现象，本文以SAR系统成像机理为基础，以低风速SAR图像为具体案例，给出了3种造成这一现象的原因。     

威海沿海地区雾的气候特征及相关影响因子分析

利用威海市6个基本气象站40a(1971—2010年)的气象观测资料,对威海沿海地区雾的时空分布特征、气候变化特征和雾过程持续时间等进行了统计分析,探讨了影响沿海雾生成的相关因子,其中还针对典型个例进行了统计分析。结果表明:威海地区雾呈现沿海大于内陆,东部大于西部地区的分布特点;其年代际变化特征表现并不一致,成山头和荣成的年雾日数呈明显的上升趋势,而威海,石岛和文登年雾日数也呈现增长趋势,但变化相对缓慢,只有乳山的年雾日数40a来呈现减小的趋势;除了文登和乳山,其他各站雾日数变化有着明显的季节变化特征,基本上呈春、夏季多、秋、冬季少的分布特点,各站大雾的日变化特征并不一致,其中乳山站日变化特征最为明显,其次是威海站,总体表现为夜间到早晨为大雾多发期,中午为大雾的低发期的特点,而成山头站除了夏季,日变化特征并不明显;各地雾过程出现的雾持续时间各不相同,威海的雾主要以4h的短时雾为主,成山头雾持续性较长,而乳山站的雾基本在02—08时之间;从风向、风速上来看,大雾主要发生在偏南风的流场下,成山头雾主要出现在3~4级风的情况下,而威海站雾则主要在3级风以下;大雾发生时海温不能高于25℃,且海温在10~25℃之间,海温越接近气温时,大雾更易发生;大雾主要发生在高空脊和西北气流影响下,夏季在弱低槽,弱低涡和副高边缘时大雾也可能发生,地面形势主要为均压场和低压前部型,同时大雾前和大雾期间大气层结稳定,地面湿度大,温度露点差大雾时在0~1℃之间,轻雾时在1~5℃之间。     

基于尾流模型的风场偏航控制优化研究

在风机大尺度化与风场大型化的趋势下，如何通过合适的控制策略以降低尾流损失成为关键问题。以包括30台NREL-5MW风机并采用5行6列平行四边形布置方式的小型风场为研究对象，基于显示尾流模型，以各风机偏航角度为优化参数，风场总功率为目标函数，使用粒子群优化算法对比分析了偏航控制对不同风速、风向、湍流强度下的风场性能提升效果。结果表明，偏航控制优化可在风向与风机行或列方向平行时发挥明显效果，当风机行列间距为4倍风轮直径且湍流强度为5%时，在不同风速下偏航控制可分别将风场总体发电量提升15%~20%，但对于布置间距大于7倍风轮直径或湍流强度高于15%时的风场，其作用十分有限，总体发电量提升在5%以内。     

舟山海域赤潮气象因子特征分析

根据舟山赤潮监控区监测资料，在海水富营养化和水文条件已经具备的条件下，气象条件变化是诱发赤潮重要的原因。分析表明，舟山海域赤潮的发生具有明显的气候特征和区域性气象条件，不同规模的赤潮发生前6d和发生后4d在气压、温度、湿度、降水量、日照、云量、蒸发量、风速、风向等方面有明显变化。并依此来判别赤潮发生的可能性，结果令人满意。     

3种海面风场资料在台湾海峡的比较和评估

本文对3种海面风场资料(CCMP、NCEP、ERA)在台湾海峡风场的平面分布和时间变化特征进行了相互比较,并应用2011年浮标观测的风速和风向资料分别对3种风场的误差进行了分析及评估。主要结论如下:(1)3种资料风场的平面分布、季节变化和年际变化特征基本一致,差异主要表现在冬季NCEP资料在海峡中部和南部的风速相对CCMP和ERA资料较大;(2)CCMP资料的风速偏差、风速均方根误差和风向均方根误差分别为-0.62m/s、1.67m/s和31°,NCEP分别为0.15m/s、1.64m/s和31°,ERA分别为-1.36m/s、2.4m/s和33°;NCEP资料的风速整体略偏大、CCMP略偏小、ERA偏小明显,CCMP和NCEP资料比ERA资料更接近观测;(3)在西南季风影响期以及风速较小时(风速不大于10m/s)CCMP资料的风速可信度较高、NCEP资料的风速偏大;在东北季风影响期以及风速较大时(大于10m/s)NCEP资料的风速可信度较高、CCMP资料的风速偏小;(4)3种资料的风向误差接近,均在低风速时(风速小于5m/s)误差较大。本文的结论可以为台湾海峡的海洋和大气科学研究选择合适的海面风场资料提供借鉴和参考。     

中国海表面风统计降尺度模型研究

基于CCMP卫星风场数据和NECP-DOE再分析数据两者典型空间模态近20 a的长期统计关系,构建了中国海域海表面风的统计降尺度模型。降尺度模型交叉验证结果表明:模拟与观测两者风速在空间分布和变化趋势上均具有很好的吻合性,风速空间分布的相关性(R)可达到0.98以上,风速变化趋势的相关性(R)可达0.89以上。模型预测风速的均方根误差(RMSE)和绝对误差(AE),在绝大多数海区均低于0.25 m/s和0.30 m/s,相对误差(RE)-5%或5%的海区面积仅约占全海域面积的5%左右。从空间上而言,降尺度模型的模拟误差大值区多发生在陆域附近的近海区,主要原因是近海区影响风场的中小尺度天气因子众多。     

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°。     

风速变化对竹湖流场结构影响的数值试验

利用EcoTaihu生态模型中的压缩坐标系下三维水动力学子模型，对4种吞吐流量（换水周期分别为36d、7．2d、3．6d、35h），东、西、南、北风向，不同风速的风场作用下的浅水湖泊进行了数值模拟，分析比较了不同风速作用下湖泊分层流场及垂向平均流场结构的差异。结果表明，随着风速的增大，湖泊垂向平均流场逐渐由受吞吐流控制转变成受风生流场控制；在此转变过程中存在着临界风速值，当风速大小超过该值时，流场结构发生明显的改变；风向和吞吐流量是影响临界风速值大小的主要因素。风速变化对稳定状态的湖泊表层、次表层流场有较大影响，而对底层和次底层影响不大。在水深水平变化较大的区域，垂直平均流场结构对风速变化的响应较为敏感，易形成环流，浅水区垂向平均流向和风向一致，深水区则和风向相反；水深变化较小的水域，流场结构对风速变化的响应则较为迟钝。     

四个耦合模式在模拟和预测东亚季风系统方面的对比分析

基于政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告(AR4)中的海气耦合模式实验,本文研究了温室气体辐射强迫达到4.5 W/m2(Representative Concentration Pathways,RCP4.5)未来情景下东亚地区季风气候变化,对4个海气耦合模式(FGOALS_s2.0(Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model_s2.0)、GFDL_CM3(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory Coupled Model v3)、MPI_ESM_LR(Max Planck Institute-Earth System Model-Low Resolution)和MIROC5(Model for Interdisciplinary Research on Climate v5))的模拟结果进行了对比。结果显示,各模式均能较好地模拟东亚地区的季风气候态特征,例如冬、夏季盛行风向,降水、热通量的季节和海陆分布特点及降水北进南撤特征。然而,各模式的模拟结果之间也存在差异,例如与再分析资料相比,FGOALS_s2.0模拟的风速偏大,GFDL_CM3模拟的降水较低,综合比较得出,GFDL_CM3对东亚地区气候变化的模拟效果最好。对未来气候的预测方面,4个模式给出较为一致的结论:未来100 a东亚季风的总体变化趋势为季风环流夏季风增强,冬季风减弱,夏季风速增加3.7%左右;降水增加,尤以陆地增加明显,东亚地区未来降水全年增加量约为4.62%;大部分地区热通量有增加的趋势,这是温室效应增强的结果。     

山东沿海精细化海区大风特征分析

利用山东沿海12个精细化预报海区2010—2012年的实况代表站逐时大风资料,统计分析了山东沿海的大风日数、风速分布、大风持续时间及大风风向等特征。结果表明,山东沿海风速分布特征表现为:东部海区平均风速最大,在7 m/s左右,西部海区次之,在5 m/s左右,南部海区最小,在4 m/s左右,其中烟台南部沿海甚至在3 m/s以下。当出现大风过程时,各海区的风速相差更大。山东沿海的大风日数、大风持续时间都与平均风速表现为相同的分布特征。山东沿海的大风过程主要为偏北大风,并且量级主要分布在6—7级。由于山东沿海风的局地特征明显,因此在一次大风过程的预报中,各海区预报同一量级是不合适的,需要对预报量级和大风影响时间更加精细的把握。     

两种海浪模式对一次冷空气海浪场过程的模拟比较

以CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场为驱动场,分别驱动目前国际先进的第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-III)、SWAN(Simulating WAves Nearshore),对2011年3月发生在中国海的一次强冷空气所致的海浪场进行数值模拟,就冷空气海浪场的特征进行分析,并对比分析两个海浪模式的模拟效果,以期可为防灾减灾提供参考。结果表明:(1)以CCMP风场分别驱动WW3、SWAN海浪模式,可以较好地模拟发生在东中国海的冷空气海浪场过程,两个模式模拟的有效波高都具有较高精度,SWAN模拟的有效波高明显小于观测值和WW3模式的模拟值。(2)冷空气给中国海带来了明显的大风、大浪过程。整个冷空气期间,波向与风向保持了较好的一致性,且向岸效应比较明显;波高与风速的分布特征也保持了较好的一致性,海浪以风浪为主导。(3)冷空气进入渤海,相伴着出现了大风过程,但由于海域狭小,大风范围较小,大风中心的风速仅12 m/s左右,相应波高也在1.0 m左右。冷空气南下进入黄海中部时,黄海中南部大范围海域的风速在16 m/s以上,相应区域的波高在4.5 m以上,高值中心可达5.0 m以上,波向和风向都以北-东北向为主。冷空气南下行进至南海北部海域时,强度大为减弱,风速的和波高的相对大值区分布于台湾岛周边海域,尤其是台湾海峡、吕宋海峡、东沙群岛附近海域。     

向岸风作用下海浪方向谱的某些统计特征

本文基于956 pitch-roll wave track buoy 测得的资料,研究由风暴引起的向岸风作用下的海浪方向谱的某些统计特征。结果表明:海浪方向谱相对频率和方向的分布多为双峰谱;中频段组成波平均波向对局地变风速和变风向产生响应,使其平均波向与风向趋于一致,高频段和低频段组成波平均波向对变风速和变风向基本不产生影响;谱峰频率对应的特征波平均波向频率分布与风向频率分布符合良好;在风浪消衰过程中,由于远离测点外海波场的影响,使海浪有效波高衰减缓慢。