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)。     

海面风的特征分析

作者利用在渤海进行的不同时距的平均风速观测值,经统计分析求得1秒、2分和10分钟平均风速间的线性关系。同时根据风速梯度观测值给出风速指数廓线的指数值,并且给定风速对数廓线的特征值:海面摩擦速度和海面粗糙度。此外,作者还提出了海面风应力的经验公式。     

一种基于气象要素梯度观测分析海表特征的方法试验

利用常规气象观测、浙江省自动气象站及宁波凉帽山高塔梯度观测资料,对浙江近海2010年12月28日一次冷空气大风个例进行风、温等气象要素边界层特征分析,计算摩擦速度、粗糙度和粘性副层厚度等特征参数,探讨冷空气大风对浙江近海海面粗糙度的影响,进一步给出了摩擦速度、粗糙度与风速之间的定量关系,并对2010年12月29日21时—30日24时和2015年1月21日19—22日10时两次冷空气大风个例进行风廓线拟合检验,基于此推算这两次个例海面10 m风速,并与浮标站进行对比。结果表明:锋面逐渐靠近时风速随高度递增率明显大于锋面过境远离时段。摩擦速度与风速呈线性关系,粗糙度与风速呈二次多项式增长。光滑流时对数律风廓线对100 m以下高度风速拟合效果最好,当低层风速较小时,对数律拟合风速易偏小,反之则易偏大。     

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*

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。     

关于海面风应力的计算问题

海面风应力是大气通过海面直接向海洋输送动量的唯一方式,它密切联系着海洋动力要素(海流、海浪、风暴潮等)的发生和发展。因此无论从动力海洋学和海洋气象学的理论抑或实用预报角度来看,风应力的研究历来是个十分重要的课题。由于海上测风资料十分匮乏,广义的风应力的研究应该包括两方面的问题:(1)海面风应力和海面测风高度上风速的关系;(2)海面测风高度上的风速和海面地转风的关     

台湾海域海面粗糙度及曳力系数的研究

利用福建沿海海域南日岛、金门岛与广东南澳岛的近海面气象、水文观测资料及台湾海峡西南部与南部的浮标观测资料,通过COARE(Coupled-Ocean Atmosphere Response Experiment)算法(V3.0),计算了台湾海域近海面空气动力粗糙度、曳力系数及海气表面动量通量,并研究它们关于水平风速的分布规律。结果得出:摩擦速度与10m风速基本上呈线性分布,线性拟合系数在0.042～0.045之间。曳力系数对10m风速的线性分布与过去研究结果相近,线性拟合系数在0.064～0.067之间。海面空气动力粗糙度对10m风速的线性拟合系数在0.053～0.058之间。海面动量通量与10m风速呈明显的二次关系,其线性与非线性拟合系数对于进一步了解台海地区大气湍流结构,建立和完善台海地区数值预报模式可提供重要的参数依据。     

ASCAT洋面风资料在中国北方海域的真实性检验

采用北方海域6个海洋观测站风资料对2009年3月—2013年6月ASCAT卫星反演洋面风(10 m)资料进行了检验。ASCAT反演洋面风与测站风向、风速偏差均较小,二者风速平均偏差为0.99 m/s,ASCAT风速略高于测站风速,二者风向平均偏差为-12.97°,表明ASCAT洋面风资料在北方海域具有可信性;分风级统计表明,在北方海域,风力为0—7级(0—17.1 m/s)时,利用ASCAT风速代表洋面风速是可行的(其中风力为4—5级时,ASCAT与测站风速误差最小,为0.10 m/s),当风力达到8级以上时ASCAT的可信度较低。     

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.     

海面阻力系数与白浪覆盖率的关系

基于海上平均风速廓线和白浪覆盖率的同步测量结果,首次建立海面阻力系数C_(10)与白浪覆盖率W_c的经验关系式为C_(10)×10~3=4.13W_c~(0.255)。将此关系式与Garratt和Wu的海面阻力系数与平均风速关系式作了间接比较,符合良好。还就此关系式对海面阻力系数的变化以及此关系式在海洋遥感中的意义作了讨论。     

一个台风海面风场的数值模式及其后报检验

本文建立了一个用于台风海面风场后报的数值模式,并给出了用于实际台风海面风场后报时求解上述模式的全过程,首先根据边界层风速垂直分布特点,对贴地面摩擦应力使用平均风进行参数化,进而导出边界层平均风动力学方程,对上述动力学方程积分到一准稳态,得到边界层平均风分布;再使用Monin-Obkhov相似理论,将平均风换算到10m高度,从而得到10m高度风场.对3个台风过程,给出了10m高度风场和浪场的数值后报结果.海浪同实测的结果比较表明,该风场模式的结果在实测点的后报风与实测风较一致,两者相关系数为0.95左右,台风影响测点时,极值误差均在2m/s以内,平均误差范围约10%;后报风向与实测风向的平均绝对值误差为20°,将该后报风场模式用于海浪数值后报也得到了满意的结果,后报波高与实测波高的相关系数约为0.95,最大有效波高和跨零周期的实测值与后报值相差符合得很好.这些结果均表明本文提出的风场模式是合理的,并且适用于强海况的数值计算.     

太平洋海面粗糙度的计算及波长的提取

海面粗糙度对于海洋工程和海洋军事非常重要,但是海面粗糙度的现场观测资料非常少,波长更难观测。本文利用TOPEX高度计风速资料,实现了对海面粗糙度的反演。给出了一种提取波长的方法,通过验证表明利用该方法得到的波长精度较高。     

Characteristics of developing waves as a function of atmospheric conditions,water properties,fetch and duration

For any specific wind speed, waves grow in period, height and length as a function of the wind duration and fetch until maximum values are reached, at which point the waves are considered to be fully developed. Although equations and nomograms exist to predict the parameters of developing waves for shorter fetch or duration conditions at different wind speeds, these either do not incorporate important variables such as the air and water temperature, or do not consider the combined effect of fetch and duration. Here, the wind conditions required for a fully developed sea are calculated from maximum wave heights as determined from the wind speed, together with a published growth law based on the friction velocity. This allows the parameters of developing waves to be estimated for any combination of wind velocity, fetch and duration, while also taking account of atmospheric conditions and water properties.     

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。     

Effects of sea roughness and atmospheric stability on wind wave growth

The paper considers the effects of sea roughness and atmospheric stability on the wind wave growth by using the logarithmic boundary layer profile including a stability function, as well as adopting Toba et al.'s [J. Phys. Ocean. 34 (1990) 705] significant wave height formula combined with some commonly used sea surface roughness formulations. The wind wave growth is represented by the non-dimensional total wave energy relative to that for neutral stability used by Young [Coast. Engng 34 (1998) 23]. For a given velocity at the 10 m elevation, spectral peak period and stability parameter, the wind wave growth is determined.     

浪、潮、风暴潮联合作用下的底应力效应

运用建立的二维非线性浪,潮和风暴耦全模式分析了波流相互作用下的底应力及其对耦合波浪场和流场的影响。由渤海的两次强寒潮过程的数值实验表明,在波流相互作用下,底应力明显增大,增大的底应力对波浪场影响甚微,但将明显改变水位和流速的大小,这种影响在近岸浅水区更加显著。     

Test of the Louis scheme and COARE algorithm for friction velocity in different wind-sea/swell regimes

The Louis scheme and the COARE algorithm （version 3.0） are tested against eddy covariance and inertial dissipation methods for friction velocity estimates in different wind-sea/swell regimes. Atmospheric forcing data, tabulated by Donelan et al. （1997.J Phys Oceanog, 27：2087-2099）, were collected from a mast on the foredeck of a SWATH （small water-plane area, twin hull） ship in deep sea off the State of Virginia during the surface wave dynamics experiment. These data are representative of low to moderate wind regimes. The aerodynamic roughness length is determined by using the Charnock relationship. The intercomparison shows that the Louis scheme and the COARE algorithm underestimate the friction velocity by 6% and 3% respectively under pure wind sea conditions, 15% and 13% respectively under cross swell conditions, and 21% and 17% respectively under counter swell conditions. The analysis shows that these underestimations were caused by the method chosen to determine the aerodynamic roughness length because it significantly underestimates the aerodynamic roughness length. It is especially true under the cross swell and counter swell conditions.     

太湖北岸风浪谱的特征分析

利用１９９２年在太湖北岸马迹山地区测得的浅水风风浪资料，采用ＦＦＴ方法求算风浪频谱，对谱结构特征的分析表明，观测到的风浪谱在平衡范围谱值按－４．０幂指数衰减，风浪谱形状与文圣常给出的理论结果比较接近。另外，分析以风要素为参量得到的无因次化频谱可以看出，观测谱基本满足谱的相似律。     

Growth of Wind Waves with Fetch in the Sea of Japan under Winter Monsoon Investigated Using Data from Satellite Altimeters and Scatterometer

By using wind vector fields observed by the NASA Scatterometer (NSCAT) and significant wave heights observed by the TOPEX/POSEIDON and European Remote Sensing Satellite-2 (ERS-2) altimeters, one-dimensional fetch growth of wind waves has been investigated under conditions of strong wind and high waves caused by the East Asian winter monsoon in the Sea of Japan. The evolution of fetch-limited wind waves can be observed by the altimeters along their ground tracks. The fetch is estimated by using vector wind fields observed by NSCAT. The derived growth characteristics of wind waves are compared with empirical relationships between the non-dimensional fetch and significant wave height proposed by previous studies. Good agreement is discernible with Toba's fetch graph formula normalized by the friction velocity, while Wilson's well-known formula normalized by the wind speed at a height of 10 m tends to underestimate the wave height under such severe conditions of high wind and very long fetch. This discrepancy is explained by the wind-speed dependence of the drag coefficient. A simple correction to Wilson's formula for the high wind conditions is proposed and compared with the observed data.