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。     

4种表层风场资料在北半球海域的适用性评估

为进行海洋表层风场的物理结构重建与基础理论溯源,需选用可靠准确且通过检验的高时空分辨率风场资料。本文利用NDBC、TAO和嵊泗站现场观测资料,在全面比较分析的基础上,对其中应用较广泛的CFSR/CFSv2、ERA-Interim、FNL和CCMP四种风场产品在北半球海域(北太平洋、北大西洋)进行了检验评估,得出结论:1)4种资料的风速都不同程度地低估了实际观测风速;在低风速区的风向偏差较大,风速越低,偏差越多;产品资料在远岸地区比近岸地区更接近实测资料,在高纬地区的效果优于低纬地区。2)通过比较4种产品资料与浮标实测资料的风向和风速的偏差、均方根误差、误差标准差和相关系数,发现CCMP资料是4种资料中整体效果最好的一种,而CFSR/CFSv2资料是较差的一种。3)嵊泗站观测平台资料与浮标观测资料验证的结论略有差异,结果显示:FNL资料是4种资料产品中效果最好的产品,ERA-Interim资料的效果仅次于FNL,而用浮标验证效果较好的CCMP资料在嵊泗站点效果却较差,CFSR/CFSv2资料是4种资料中效果最差的。4)通过分析4种风场资料的偏差分布发现,CCMP与ERA-Interim风场资料的偏差较小,而CFSR/CFSv2与FNL风场资料的偏差较小。CCMP资料与其他3种资料的纬向风偏差在海洋上以负偏差为主,陆地以及沿岸地区的偏差较大,且分布不均匀;经向风偏差分布中,南半球的正偏差区较为明显,而北半球的负偏差区则较为明显,但偏差程度要小于纬向风偏差。     

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°。     

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°。     

基于CCMP资料和现场观测资料的西北太平洋海面风场特征分析

利用由美国宇航局物理海洋学数据分布存档中心发布的2007—2011年CCMP风场资料,针对西北太平洋海面风场的季、月、日变化特征进行了分析。结果表明:西北太平洋海面风场具有明显的季、月变化特征,夏季盛行西南风,风向多变,风速最低;冬季盛行东北风,风速偏高。大风频发区域位于南海海域、台湾海峡和日本岛以东,且冬季发生频率明显高于其他3个季节。此外,还利用获取到的2014年8月海面自动观测站和9月海上探空资料对相应月份的风场特征进行细化分析,表明8月洋区盛行西南风,而9月西南风逐渐消退,风速减小,变化特征与相应月份CCMP的海面风分析相符。     

混合坐标模式HYCOM模拟COADS强迫下的南海平均环流

采用混合坐标模式(HYCOM)模拟南海环流,同时利用海表温度卫星资料和吕宋海峡Sb-ADCP观测海流数据来评估模式结果.地形敏感性实验表明,吕宋海峡地形数据对模拟黑潮入侵方式影响较大,在地形误差较大的情况下,模拟的黑潮可能以反气旋流套方式入侵.和Pathfinder海表温度卫星资料比较,模式输出的月平均温度在海盆区域误差较小.ERA-15资料强迫所模拟的吕宋海峡上层环流和Sb-ADCP观测一致,而COADS结果低估了吕宋海峡的体积输送.     

吕宋海峡黑潮季节变化初步分析

本文根据吕宋海峡所处海域(17°~23°N、117°~122°E)1、4、7、10月的0、100、500m流场图、南海北部和台湾以东海域(17°~30°N、110°~130°E)逐月标准层温度场以及1、4、7、10月平均SSH场等相关资料,分别从冬、夏、春秋三种季节描述吕宋海峡黑潮流的季节特征,并试图从黑潮产生的机制着手,结合季节性风场及实际温盐分布状况,分析吕宋海峡黑潮的季节变化原因以及吕宋海峡黑潮对南海与西太平洋之间的物质能量交换过程的影响。     

基于CCMP再分析风场资料的南海海洋风能资源评估研究

本文利用ESE提供的1988—2011年CCMP再分析风场资料,计算了南海海域10 m高度的风功率密度、风速、有效风时等参数,分析了海洋风能资源时空分布特征,估算了南海海洋风能蕴藏量和技术可开发量。研究结果表明：南海海洋风资源呈现明显的季节分布特征,冬季资源最丰富,春秋季次之,夏季资源最贫乏;风能资源丰富区位于吕宋海峡—中南半岛东南海域一线,呈东北—西南走向,大值区为吕宋海峡附近海域,年平均风功率密度在吕宋海峡附近海域更是高达500 W/m²以上,有效风时大值中心位于中南半岛东部至海南岛东部海域超过7 800 h;南海海洋风能资源蕴藏量为5.70×10⁹k W,技术可开发量4.48×10⁹kW,采用固定式和浮式进行风力开发的面积为2.87×10⁵km²,占整个南海海洋风能资源技术可开发总面积的15.81%。     

基于再分析数据的黄岩岛及邻近海域气象条件分析

采用美国NCEP-CFSR数据库资料,提取了1979—2010年的海平面大气要素场,在中国南海区域(0°～25°N、105°～125°E)和黄岩岛附近点(15°N、118°E),按日、月、年统计了32 a间海平面气压、海面2 m气温、海面2 m相对湿度、海面10 m风场基本气象要素特征。分析发现:黄岩岛及邻近中国南海区域属于赤道带、热带海洋性季风气候,其气候特征是:(1)海平面气压呈北高南低、冬季高夏季低的分布形势;黄岩岛日平均海平面气压冬季约为1 012 hPa,其他季节约为1 008 hPa,年平均海平面气压变化具有准5 a的周期;(2)全年平均气温较高,分布呈现北低南高,大陆低海面高,冬季低夏季高的特点;黄岩岛海面2 m气温日变化较小,年平均值约为27～28℃,年际变化上具有整体增加的趋势;(3)全年相对湿度较大,基本在60%以上,随季节变化明显,冬季较小,夏季较大;黄岩岛日平均相对湿度为80%,总体也具有略微增大的年际变化趋势;(4)受季风影响明显,冬季盛行东北季风,平均风速约为10～12 m/s,夏季盛行西南季风,平均风速约为4～8 m/s;黄岩岛海面风速的变化具有2.5～5 a的变化周期,年平均风速在5.3 m/s上下波动。     

南海冬季一次海面大风天气的WRF模式预报检验

为寻找出适合南海冬季海面大风天气预报的边界层参数化方案,利用中尺度气象模式WRF中9种边界层方案(YSU、MYJ、QNSE-EDMF、MYNN2、MYNN3、ACM2、BouLac、UW、GBM),对2012年12月29-31日的大风过程进行预报,并用最终分析资料(FNL)检验10 m风场预报。结果表明:风速风向预报的整体平均偏差相当,风向预报的均方根误差较风速大;风速风向与实况的相关随着预报时间增加,整体呈现下降趋势;各方案对海陆交界风速预报普遍偏大2 m/s以上,而在远离陆地的海域偏差较小;YSU方案对北部湾、东沙群岛、西沙群岛、南沙群岛4个海区风场的变化趋势均能较好预报;整体而言,南海大部分海域的预报偏差较小,YSU、MYNN2、MYNN3方案对风速预报较好,ACM2方案对风向预报较好。     

中国近海ASCAT风场反演结果验证分析

利用NCEP风场产品和dropsonde探测资料,对中国近海ASCAT全场和单点的风速反演精度进行验证分析.研究发现ASCAT反演风场与NCEP风场的风速、风向平均绝对偏差分别为2.06 m/s和21.98°;均方根误差分别为2.87 m/s和34.29°.两者风速反演精度较一致,风向误差相对偏大.ASCAT反演风场与dropsonde探测资料的风速、风向平均绝对偏差分别为1.55 m/s和3.43°;均方根误差分别为1.73 m/s和4.15°.ASCAT资料可以较好的反演台风风场.     

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。     

吕宋海峡上层海洋对于台风南玛都响应的观测分析与数值模拟试验

利用海洋模式POM模拟了吕宋海峡上层海洋对历经其上的2011年8月1111号台风南玛都的响应过程。基于2个方面进行了模拟实验,其一是吕宋海峡上层海洋对固定大小及位置的台风风场响应;其二是吕宋海峡上层海洋对台风南玛都移动期间的响应。并分析了台风南玛都的风场和海洋响应南玛都的表层流场、SST及SSS。研究结果表明:(1)吕宋海峡上层海洋对台风风场结构不对称的响应表现出吕宋海峡上层海洋右侧的流速要远大于左侧,海流和台风一样具有右偏特征。海洋表面温度(SST)下降2~7℃,下降的空间范围直径在百公里,表现为右强左弱的不对称性。(2)上层海洋对驻台风的响应过程中,海洋流场及SST达到能量的极值后,会触发1个反气旋流场控制吕宋海峡,SST经过约10d时间恢复到初始态。(3)上层海洋对台风移动过程的响应表现为1个随台风移动的海洋流场,海流的强度和SST下降的幅度都较小,海流气旋式结构沿着路径有一定的拉伸,并且在路径后方出现尾流。     

东中国海及毗邻海域海面风场季节及年际变化特征分析

本文基于美国Remote Sensing Systems公司提供的QuickScat海面风场产品,空间分辨率为0.25°×0.25°的月平均资料,进行了两种经验正交函数分解(EOF),以此分析研究中国近海(渤海、黄海、东海)以及台湾以东、以南洋面海面风场的季节变化和年际变化特征。研究发现:(1)季节变化是东中国海海表面风速变化的最主要特征,其变化占总变化方差的70.9%,黑潮的季节变化,通过海气交换影响其流经海域局地风场;(2)东中国海及毗邻海域海表面风速变化与太平洋年际变化以及热带风暴爆发有关,东中国海海表面风速年际变化显著的周期为1.5年和3.1年;(3)东中国海海域近年来整体上海表风速处于增大的趋势中,风速增大最大的区域出现在台湾东侧海域黑潮流经区域,最大增速在0.025 m/s/a以上。     

南海北部深水海域温度以及盐度的季节及年际变化特征

利用SODA(Simple Ocean Data Assimilation)再分析资料,分析了南海北部深水海域温度及盐度的季节和年际变化特征,讨论了季节及年际变化时间尺度上黑潮通过吕宋海峡对南海北部温、盐场的影响.资料分析表明:南海北部深水海域温、盐场存在明显的季节及年际变化特征.在气候平均态下,吕宋海峡处黑潮对南海北部温、盐场的影响主要存在于119°E以东;黑潮对南海的入侵程度在冬季最大,可影响到118°E附近;在秋季最小.吕宋海峡以西的温度水平梯度在秋季最弱,而盐度水平梯度则在夏季最弱.在吕宋海峡处黑潮形变的南侧,温、盐场年际变化信号最强.通过EOF(Empirical Othorgnal Function)分析,发现南海北部深水海域盐度和温度场第一模态的最大变率均分布在吕宋海峡处黑潮形变的南部,且均具有2～5 a的年际变化周期.另外,在年际变化时间尺度上,南海北部深水海域盐度场受黑潮形变的影响较大,在黑潮流量大的年份吕宋海峡处盐度值较低,在黑潮流量小的年份吕宋海峡处盐度值较高,而温度场则和Nino3.4指数呈明显的负相关变化.     

吕宋海峡Ekman输运和南海SST的相关性分析

在利用1950—2009年NCEP(National Center for Environmental Prediction)资料分析风场数据的基础上,计算吕宋海峡的Ekman输运,研究表明其存在显著的季节变化,除了夏季外,其它季节均为由太平洋向南海输运。分析吕宋海峡Ekman输运和南海海盆表征上层热力状况的海表面温度SST(Sea Surface Temperature)之间的关系发现:在年内时间尺度上,两者不存在显著的同期相关,Ekman输运对SST的影响开始于一个月之后,从北部向南扩展,第二个月最为明显,并扩展至整个海盆,第三个月开始衰减,第四个月影响消失,且相关性为正;在年际尺度上,吕宋海峡Ek-man输运的异常同南海SSTA(Sea Surface Temperature Abnormal)的第二模态存在显著的相关联系,并且吕宋海峡Ekman输运和南海SSTA的相关关系在北部为正,南部为负。吕宋海峡Ekman输运调制南海大尺度环流,通过暖、冷平流的作用影响南海SST的变化。     

主流海表风场资料在舟山群岛近海的性能评估

再分析风场资料已广泛应用于我国舟山群岛海域可再生能源评估、海洋灾害预防决策以及港口运维和船舶运输等涉海发展领域,然而不同业务机构所提供的再分析数据在舟山近海的性能表现不一,严重阻碍了此类数据的有效应用。基于2018年全年单点浮标观测资料,综合评价了舟山群岛近海面(10 m)风场的长期变化趋势,并利用误差分析和风玫瑰图等统计工具对6种主流海表风场再分析资料,包括:ECMWF第五代全球大气再分析数据(the 5th generation ECMWF atmospheric reanalysis,ERA5)、NECP第二版全球高分辨率再分析数据(climate forecast system version 2,CFSv2)、美国宇航局物理海洋学分布存档中心的多卫星融合资料(cross-calibrated multi-platform,CCMP)、日本55年再分析数据(Japanese 55-year reanalysis,JRA-55)、第二版现代研究与应用回顾性分析数据(modern-era retrospective analysis for research and applications version 2,MERRA-2)和ECMWF哥白尼大气监测服务再分析数据(the Copernicus Atmosphere Monitoring Service,CAMS)在时间变化特征上进行了对比与评估。研究表明:在综合性能方面,ERA5对风场的再现能力最优,其次为JRA-55;在要素可信度方面,ERA5对风速的再现情况相对较优,而CFSv2的风向再现情况较好;风场产品在不同季节的模拟能力有所差异;不同风场产品在不同风速区间的重构能力也有所不同;在全年风向分布方面,各再分析资料都存在显著的东向偏差。研究结果为不同应用场景下风场资料的选取提供评估依据,并为进一步开发适用于舟山群岛近海的高精度长周期风场数据产品奠定基础。     

三种典型路径下的台湾海峡台风浪特征研究

以WRF风场驱动SWAN波浪模式,模拟分析了北路、中路、南路3种典型台风路径下,台湾海峡及周边海域的台风浪的特征。结果发现:(1)数值模拟与浮标实测情况基本一致,并模拟出台风浪场右半圆大于左半圆、前进象限以涌浪为主、主波方向辐射向前传播、台风的正后方向的主波向混乱等特征;(2)在中路和南路台风影响时,台湾海峡较早出现15 m/s的风速等值线,但是海峡内风场与台风风场被台湾岛地形分割致使海浪成长风区变短,而且远海涌浪无法传播到海峡内部,使得海峡内海浪没有达到远海同样风速区域的6 m左右的高度;(3)中路台风影响下,台湾海峡的浪场受台湾岛的影响出现异常明显的不对称性结构,台湾海峡北部混合浪和涌浪高出海峡南部很多;(4)台湾海峡海浪能量谱方向与局地风向之间角度较大,在北路台风影响下北部有明显的自东向西的周期大于15 s的涌浪谱,在南路台风西行时出现两股明显的成直角的风浪谱和涌浪谱。这些特征对船舶航行安全有潜在危险。     

南海北部次表层高盐水的季节变化及其与西北太平洋环流的关系

次表层高盐水(34.68‰)作为北太平洋热带水(NPTW)的示踪,可用来研究黑潮入侵,了解南海与太平洋的水体交换。文章利用基于高分辨率混合坐标海洋模式(HYCOM)的海洋再分析资料,研究了南海北部次表层高盐水的季节变化及其影响因子。模拟结果显示,南海北部高盐水位于100~200m水深,最西可达111°E,其体积存在明显的季节变化,12月达到极大值,6月达到极小值。进一步的分析表明,其季节变化主要受低纬度西北太平洋大尺度环流的调制,与北赤道流分叉点位置的季节变化(1月到达最北端、6月到达最南端)呈现很好的相关性。受太平洋大尺度风场的影响,北赤道流分叉点上半年(下半年)向南(北)移动,导致黑潮输运增强(减弱),通过吕宋海峡进入南海的盐通量减少(增加),从而使南海次表层高盐水的盐度降低(升高)。吕宋海峡断面的流速和盐通量分布特征显示,西太平洋高盐水主要通过吕宋海峡中部(20°~21°18'N)进入南海北部。     

驱动大洋海浪模式的两种海面风场对比分析研究

海面风场在海浪模拟和预报中起着重要作用。文中分别利用CCMP风场和Q/N混合风场驱动WAVEWATCHⅢ海浪模式对北太平洋海域的海浪过程进行了模拟。利用NDBC(美国国家浮标资料中心)提供的浮标资料和Jason-1卫星高度计资料对模拟结果进行了检验分析。分析表明:在北太平洋海域,CCMP风场较Q/N混合风场与浮标风速资料有更好的一致性,更能代表该海域的海面风场状况;CCMP风场驱动下的海浪模拟结果总体上优于Q/N混合风场的结果。