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。     

影响热带海洋上均匀层和大气层结物理机制的初步探讨

本文定性分析了海气界面上的热力、动力作用对热带海洋上均匀层及大气层结的影响。文中的物理解释与我国海洋调查船在首次全球大气试验(FGGE)期间所获得的观测事实基本相符。分析表明,在海气界面上的热力、动力作用是影响热带海洋上部和大气层结状况的重要因素,且热力作用大于动力作用。     

台风期间海洋飞沫对海气湍通量的影响研究

本文以2006年9月日本以南海域的台风YAGI为例,应用黑潮延伸体附近的KEO浮标观测资料,并结合卫星遥感等融合资料,分析海洋飞沫在台风不同发展阶段对海气界面间热量通量和动量通量的影响。首先,定量地分析台风期间海洋飞沫对海气热通量的影响。结果表明,在台风YAGI过境期间,海洋飞沫能够显著地加剧海气界面间的热量交换,尤其是潜热交换。海洋飞沫增加的热通量随着风速的增强而增大,随着波龄的增大而减小。随后,通过动量分析表明,在台风YAGI过境期间,海洋飞沫显著地增强了由大气向海洋的动量转移。当风速达到台风量级后,考虑海洋飞沫所增加的动量通量与界面动量通量大小相当,同时,在此风速条件下,海洋飞沫在海气界面形成极限饱和悬浮层,抑制风到海表面的动量转移,导致海气界面间总的动量通量的增长率随之减小。     

黄海月平均风、气压、气温场季节与年际变化时空模态

根据1973年至2016年黄海沿岸风、平均海平面气压与气温观测资料,采用旋转经验正交函数(REOF)、调和分析和延迟相关分析等方法,研究了黄海月平均风应力、风速、平均海平面气压、气温场季节与年际变化时空模态.月平均风应力、风速场主要有4种时空模态,风应力模态空间分量分布与风速模态不完全相同,风应力、风速模态季节周期分量多数为不稳定,风应力、风速场强度年际变化显著线性减弱,对黄海环流以及物理、化学要素场季节与年际变化有显著影响.月平均气压、气温场季节循环与年际变化主要有2种时空模态,气压、气温模态季节周期分量的位相均为准稳定季节变化;振幅为不稳定季节变化.气压模态为准平衡态年际变化,大尺度气压系统季节与年际变化是黄海气压场模态的主要影响因素.气温模态为显著线性升温趋势年际变化,海气、陆气热交换作用对黄海气温场模态季节与年际变化有显著影响.     

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。     

春季华南沿海海-气边界层动力参数的观测研究

通过对珠江口海岸边近地面边界层的观测资料的研究,发现该海岸带春季大气层结呈中性或近中性状态,强稳定或者强不稳定天气过程较少;摩擦速度不仅和稳定度有关,而且随平均风速呈线性增加,地形引起的扰动对它的离散性影响较大;无因次风速方差满足相似规律并符合“1/3”次方定律,在中性或者近中性条件下,u,v,,w3个方向分量的相似函数为常数:3.06、2.56、1.33;湍流强度在风速达到4～6 m/s时最弱,且变化不明显,在自由对流状态(风速小于2m/s)时湍流发展最旺盛,风速大于6 m/s时随风速增大略有增加,水平分量比垂向分量的增幅明显;海面空气动力粗糙度在距离海面10 m高处风速为3.0 m/s时最小,其与风速成二次曲线关系;中性或近中性条件下拖曳系数平均值为1.180×10-3,与风速的关系在小于4 m/s和大于4 m/s时不同,且有不同的拟合关系式.     

中低风速下海洋飞沫对海气热通量的影响

基于2016-02-01—2016-05-21在南海博贺海洋气象观测平台观测的实验资料,首先利用整体空气动力学算法分别计算海气界面处感热通量与潜热通量,同时利用涡动相关法计算液滴蒸发层处总的感热通量与潜热通量。然后比较海气界面处热通量与液滴蒸发层处热通量的值,并利用差比法分别对2处感热通量和潜热通量进行做差计算。结果表明:液滴蒸发层处热通量与海气界面处热通量存在明显差异。通过与海洋飞沫引起的热通量值比较,结果表明液滴蒸发层处热通量与海气界面处热通量的差值由海洋飞沫作用引起;且在中低风速条件下,海洋飞沫引起的热通量与风速呈正相关;相比感热通量而言,潜热通量随着风速的变化更为显著。     

海气热通量算法的改进及应用

COARE模型是国际上常用的计算海气热通量的算法,其风速适用范围可达20m/s,但未包含飞沫等高风速下的影响因子,将其直接扩展到20m/s以上风速的海况存在不合理性。本文提出了适合各种风速条件下的包含飞沫影响的海面动力粗糙度长度参数化方案,并利用该方案改进了COARE 3.0模型。利用南海浮标的观测数据,根据改进的COARE 3.0模型计算了海气热通量,分析了飞沫对海气热通量的影响。结果表明,在0～20m/s风速范围内,感热通量与潜热通量主要由海气温差和海气湿差决定,与波龄的相关性很小,飞沫对热通量无显著影响。当风速大于20m/s,感热通量和潜热通量与海气温差和海气湿差的相关性减小,与波龄的相关性增加,潜热通量与波龄呈现负相关。考虑飞沫的效应后,总热通量明显增加,飞沫所增加的感热通量平均可占界面感热通量的38.89%,飞沫所增加的潜热通量平均占界面潜热通量的39.19%。     

渤海、和东海海气交换系数研究黄海

海气之间交换系数的研究报道很多(Anderson,1981; Hicks,1972),但由于观测时间、地点及所取资料的不同,所得结果也不相同。通常认为,风应力系数CD=1.5*10-3,热量CH和水汽CE的交换系数近似地等于CD(Businger,1975),其可能误差为±50%。Deardorff(1968)认为交换系数依赖于边界层的稳定度。而 Bunker(1976)根据他的理论给出了大西洋不同温度层结、不同风速范围下的海气交换系数。Frieche和Schmidt(1976)的实测资料分析表明,交换系数在不稳定条件下比稳定条件下要大得多,赵永平等(1982)也得出了相同的结论。Kondo(1975)在实验的基础上，依据稳定与不稳定条件下的廊线给出了交换系数CD,CH,CE的表达式,其结果与在1974-1975年气团变性实验(AMTEX)中Murty和Nitta等(1976)用热收支法计算的结果及风洞实验结果相一致。 渤海、黄海和东海紧邻大陆,受典型的季风气候影响,夏季的逆温和冬季冷空气爆发产生的强烈不稳定对海气之间的交换系数产生很大影响,因此了解本海区特定条件下非绝热交换系数的量级、变化及分布是十分必要的。本文根据渤海、黄海和东海区实测的水文气象资料,利用 Kondo的计算方法计算了该海区冬、夏季非绝热条件下的动量(CD)、热量(CH)、水汽(CE)交换系数和海面热收支,并探讨了海面热平衡的简化计算方法。     

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。     

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。     

Comparing satellite and meteorological data on wind velocity over the Black Sea

Wind-velocity data obtained from in situ measurements at the Golitsyno-4 marine stationary platform have been compared with QuikSCAT scatterometer data; NCEP, MERRA, and ERA-Interim global reanalyses and MM5 regional atmospheric reanalysis. In order to adjust wind velocity measured at a height of 37 m above the sea surface to a standard height of 10 m with stratification taken into account, the Monin–Obukhov theory and regional atmospheric reanalysis data are used. Data obtained with the QuikSCAT scatterometer most adequately describe the real variability of wind over the Black Sea. Errors in reanalysis data are not high either: the regression coefficient varies from 0.98 to 1.06, the rms deviation of the velocity amplitude varies from 1.90 to 2.24 m/s, and the rms deviation of the direction angle varies from 26° to 36°. Errors in determining the velocity and direction of wind depend on its amplitude: under weak winds (<3 m/s), the velocity of wind is overestimated and errors significantly increase in determining its direction; under strong winds (>12 m/s), its velocity is underestimated. The influence of these errors on both spatial and temporal estimates of the characteristics of wind over the Black Sea is briefly considered.     

Statistical parameters of the spatiotemporal variability of the wind direction in the surface layer

Multipoint measurements of wind direction were carried out during the expedition of the Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences (IPA RAS), in Tsimlyansk in 2012. Spatial correlation functions for the transverse direction and temporal correlation functions for the longitudinal direction are plotted under stable and unstable stratification of the atmosphere. The longitudinal correlation radius is much higher than the transverse one, and radii in daytime realizations are larger than in nighttime. To determine the stratification conditions, an ultrasonic anemometer–thermometer was used. Autospectra of wind direction fluctuations were plotted. They include long segments of power dependence on the frequency. The spectral correlation coefficients of variations in the wind direction versus intersensor distance in the transverse direction are also calculated. A set of fast-response thermometers was used in the experiment. They allowed temperature mapping, i.e., plotting the time variations in the isothermal surface altitude. That analysis was also applied to visualization of the spatiotemporal variability of wind direction. The resulting data were used for planning the helicity measurements in the Tsimlyansk expedition in 2014.     

基于影像纹理特征和外部风向的星载 SAR 海面风场反演研究

在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)海面风场反演中,基于风条纹影像纹理特征的海面风向反演方法精度高,但是依赖于图像风条纹的存在,而外部风向信息与SAR资料时空分辨率不易匹配、精度较低,从而影响大面积、高分辨率海面风场反演的精度。针对此问题,提出一种将SAR图像风条纹线性纹理特征与外部风向信息相结合的星载SAR海面风向获取方法,在SAR影像线性纹理特征明显的区域采用二维连续小波变换得到高精度的海面风向,其余区域采用与之时空相匹配的数值预报模式风向填充;并利用地球物理模型函数进一步得到海面风速,进而实现高精度、大范围海面风场的反演。为验证本文方法的有效性,利用ENVISAT/ASAR数据进行风场反演试验,并将反演结果与浮标实测数据进行比对。结果表明:在线性纹理特征明显的区域,小波方法的反演精度优于快速傅里叶变换(FFT)法和数值预报模式风向;外部风向精度略低,但与SAR观测资料时空匹配性较好,弥补了风条纹风向的不足。二者的结合为星载SAR海面风场反演的业务化应用提供了支持。     

Validation and accuracy analysis of wind products from scatterometer onboard the HY-2B satellite

The Chinese marine dynamic environment satellite HY-2B was launched in October 2018 and carries a Ku-band scatterometer. This paper focuses on the accuracies of HY-2B scatterometer wind data during the period from November 2018 to May 2021. The HY-2B wind data are validated against global moored buoys operated by the U.S. National Data Buoy Center and Tropical Atmosphere Ocean, numerical model data by the National Centers for Environmental Prediction, and the Advanced Scatterometer data issued b...     

海浪对ASCAT散射计反演风场的影响研究

To improve retrieval accuracy, this paper studies wave effects on retrieved wind field from a scatterometer. First, the advanced scatterometer(ASCAT) data and buoy data of the National Data Buoy Center(NDBC) are collocated. Buoy wind speed is converted into neutral wind at 10 m height. Then, ASCAT data are compared with the buoy data for the wind speed and direction. Subsequently, the errors between the ASCAT and the buoy wind as a function of each wave parameter are used to analyze the wave effects. Wave parameters include dominant wave period(dpd), significant wave height(swh), average wave period(apd) and the angle between the dominant wave direction(dwd) and the wind direction. Collocated data are divided into sub-datasets according to the different intervals of each wave parameter. A root mean square error(RMSE) for the wind speed and a mean absolute error(MAE) for the wind direction are calculated from the sub-datasets, which are considered as the function of wave parameters. Finally, optimal wave conditions on wind retrieved from the ASCAT are determined based on the error analyses. The results show the ocean wave parameters have correlative relationships with the RMSE of the retrieved wind speed and the MAE of the retrieved wind direction. The optimal wave conditions are presented in terms of dpd, swh, apd and angle.     

An oilspill trajectory analysis model with a variable wind deflection angle

The oilspill trajectory movement algorithm consists of a vector sum of the surface drift component due to wind and the surface current component. In the U.S. Geological Survey oilspill trajectory analysis model, the surface drift component is assumed to be 3.5% of the wind speed and is rotated 20 degrees clockwise to account for Coriolis effects in the Northern Hemisphere. Field and laboratory data suggest, however, that the deflection angle of the surface drift current can be highly variable. An empirical formula, based on field observations and theoretical arguments relating wind speed to deflection angle, was used to calculate a new deflection angle at each time step in the model. Comparisons of oilspill contact probabilities to coastal areas calculated for constant and variable deflection angles showed that the model is insensitive to this changing angle at low wind speeds. At high wind speeds, some statistically significant differences in contact probabilities did appear.     

风向对航母甲板风影响的大涡模拟

采用低速气流运动控制方程组和湍流大涡模拟方法,研究了来风风向对航母甲板风的影响,得到了不同来风风向条件下,艏艉对称面附近、甲板上方低场及航母后方某点处压力和垂向速度随时间的变化关系。结果表明:航母有一定角度的侧向风对舰载机起飞有利,右舷风比左舷风有利;从有利于舰载机着舰角度看,右舷来风较左舷来风有利;从舰载机着舰下滑稳定性上看,来风风向角度越小越有利。     

AEL—1型风向,风速仪

本文介绍并叙述了AEL-1型风向、风速仪的设计原理,仪器各部分的电路设计,工作过程及系统软件。该仪器适用于气象台站、工矿企业、海上浮标及科研单位等部门。     

WRF、EC和T639模式在福建沿海冬半年大风预报中的检验与应用

基于福建省冬半年沿海和港湾岛屿自动站的逐时极大风观测资料和WRF(Weather Research and Forecast)、EC(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)细网格以及T639(TL639L60)三种模式预报的10 m 风场资料, 将模式预报的风向风速与观测资料进行对比检验, 结果表明: 福建省沿海冬半年大风的盛行风向以东北风为主, 大风的时空分布极为不均, 沿海风力的脉动性、跳跃性、局地性突出。从三种模式对风速风向的模拟效果来看, WRF 和EC 细网格的预报效果较好, 有可参考性, T639可参考性不高。对于风速, 模式预报结果相比实况极大风速偏小, 港湾岛屿代表站风速的平均绝对误差均小于沿海代表站, 预报平均误差由沿海向内陆逐渐减小, 由中部向南北逐渐减小。风向相比风速的预报效果要差, WRF 和EC 细网格的风向预报误差在45°～50°, 有一定的参考意义; 港湾岛屿代表站风向的平均绝对误差大于沿海代表站, 以浮标站的误差最大。当观测风速出现7 级及以上风速时, 若对大风进行分级检验, 则较低风速的预报平均绝对误差小于较高风速; 风向预报的平均绝对误差也大大降低, 且误差都在45°以内, 具有良好的参考性。