海洋环境因素对白冠覆盖率的影响及其数值估算

波浪破碎是一个强非线性过程,破碎时产生的大量气泡在海面上表现为白冠,白冠覆盖率是刻画波浪破碎一个重要参数。研究表明,白冠覆盖率与海上风速、海浪状态和大气稳定度等多种海洋环境因素有关。综合前人的观测数据,本文给出了更为可靠的依赖风速的白冠覆盖率公式,发现海水温度越高,白冠覆盖率越大。提出了以波浪破碎耗散函数为参数的白冠覆盖率公式,同时发现波龄小于某个临界值时,白冠覆盖率随波龄增大,波龄大于临界值时,白冠覆盖率保持不变,该临界值随风速增大而减小。     

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。     

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。     

基于卫星数据改进计算白冠覆盖率的模型

本文基于白冠覆盖率的历史研究,总结了计算白冠覆盖率的参数化方案和海浪破碎统计模型,并分析比较其优缺点。通过结合基于卫星数据的参数化公式,利用最优拟合的方法,得到不同限制条件下模型中的系数C_en和n。通过分析考虑海浪破碎条件,确定了适用于一般海浪状况的系数值。通过比较白冠覆盖率的卫星数据和原始模型的模拟结果,可知改进后模型的结果更合理,同时与历史研究结论相符。文中还分析了从1998年到2008年十年平均的全球白冠覆盖率的季节性分布特征。在中高纬度海域,全年白冠覆盖率的值最大,而在低纬度和赤道海域,白冠覆盖率小于0.5%,全球白冠覆盖率的平均值大约为1% ~3%。北半球中高纬度海域的白冠覆盖率的季节性变化显著大于南半球。     

一种适用于小入射角条件下的白冠海面后向散射模型

本文提出了一种白冠海面的小入射角星载雷达后向散射模型,模型包括海面非波浪破碎部分和波浪破碎部分的后向散射.在风的作用下,海浪破碎形成白冠,对星载雷达的后向散射信号造成影响.文中利用热带降雨测绘任务卫星搭载的降雨雷达(TRMM PR)和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的时空匹配数据集,拟合得出小入射角下星载雷达海面波浪...     

白冠破碎空间分布模式的统计推断

白冠空间分布模式分析是海浪破碎统计研究的前提。本文提出利用空间点过程统计分析工具研究白冠空间分布模式,并结合实际白冠破碎观测录像资料,计算观测数据的L-函数和K-函数,与Markov chain Monte Carlo(MCMC)方法生成的模拟包迹进行比较,推断得出其白冠空间分布模式类型为空间齐次Poisson过程。研究表明空间点过程统计分析工具适用于白冠破碎研究。     

白冠破碎空间分布模式的统计推断方法

白冠空间分布模式分析是海浪破碎统计研究的前提。本文提出利用空间点过程统计分析工具研究白冠空间分布模式,并结合实际白冠破碎观测录像资料,计算观测数据的L-函数和K-函数,与Markov chain Monte Carlo(MCMC)方法生成的模拟包迹进行比较,推断得出其白冠空间分布模式类型为空间齐次Poisson过程。研究表明空间点过程统计分析工具适用于白冠破碎研究。     

海浪成长状态对TOPEX/Poseidon高度计风速反演的影响

以墨西哥湾同步高度计、浮标资料为例,研究了海浪成长状态对高度计风速反演的影响。同步的高度计风速和浮标风速比较显示,在墨西哥湾地区,海浪成长状态对高度计风速反演有较大影响。在考虑海浪成长状态影响的条件下,利用谱模型反演高度计风速,取得了较好的效果。与目前TOPEX/Poseidon高度计风速反演业务化算法相比,在海浪未充分成长条件下,考虑海浪成长状态影响后,根据谱模型反演获得的风速与浮标风速之间的均方根误差减小了30%,平均误差减小了83%。在利用谱模型算法反演高度计风速时,谱模型中的波龄因子(表示海浪成长状态)可以根据高度计测得的有效波高和风速获得,因此该方法具有广泛的适用性。     

海浪破碎对北太平洋海表面温度模拟的影响

基于海浪模式WAVEWATCH Ⅲ模拟北太平洋海浪要素,结合NDBC浮标资料进行验证,发现模拟出的有效波高与浮标测量值具有很好的一致性。基于改进型白冠覆盖率耗散模型,利用海浪模式模拟出的有效波高、有效波周期和摩擦速度等海浪要素计算出单位面积水柱内因海浪破碎产生的湍动能通量。通过改变环流模式sbPOM湍动能方程的上边界条件,引入海浪破碎产生的湍动能通量,并探究海浪破碎对北太平洋海表面温度模拟的影响。研究表明,由于海浪破碎的引入,环流模式sbPOM对北太平洋海表面温度模拟的准确程度得到提升,这为大气模式提供一个准确的北太平洋下边界条件具有重要意义。     

海浪破碎对海洋上混合层中湍能量收支的影响

海浪破碎产生一向下输入的湍动能通量,在近海表处形成一湍流生成明显增加的次层,加强了海洋上混合层中的湍流垂向混合。为了研究海浪破碎对混合层中湍能量收支的影响,文中分析了海浪破碎对海洋上混合层中湍流生成的影响机制,采用垂向一维湍封闭混合模式,通过改变湍动能方程的上边界条件,引入了海浪破碎产生的湍动能通量,并分别对不同风速下海浪破碎的影响进行了数值研究,分析了混合层中湍能量收支的变化。当考虑海浪破碎影响时,近海表次层中的垂直扩散项和耗散项都有显著的增加,该次层中被耗散的湍动能占整个混合层中耗散的总的湍能量的92.0%,比无海浪破碎影响的结果增加了近1倍;由于平均流场切变减小,混合层中的湍流剪切生成减小了3.5%,形成一种存在于湍动能的耗散和垂直扩散之间的局部平衡关系。在该次层以下,局部平衡关系与壁层定律的结论一致,即湍动能的剪切生成与耗散相平衡。研究结果表明,海浪破碎在海表产生的湍动能通量影响了海洋上混合层中的各项湍能量收支间的局部平衡关系。     

白浪覆盖率模式中参量的研究

在波面位移为正态过程的假定下,推导出一种以平均周期和风速为参量的白浪覆盖率公式W=1-Φ[5.11094[-T/U10]0.7576].依据摩擦风速和U10的表达式,进一步推导出白浪覆盖率依赖于摩擦风速的形式W=1-Φ[0.5227[-T/U]0.7576]].考虑到在实际应用中,经常需要用波龄描述波浪的状态,将白浪覆盖率表示成一种形式简单的波龄的函数W=1-Φ(3.6496ξ0.7576),与Monahan等的海上测量数据符合良好.     

A Whitecap Coverage Model Based on the Surface Slope For Criterion of Wave Breaking

Using the limit surface slope as a criterion of wave breaking,a simple model for estimatingthe spatial fraction of breaking surface of sea at an instant,which is regarded as the whitecap coverge inthis paper,is analytically derived from the probability density of surface slope based on Gaussianstatistics.The resulting fraction is found depending on the fourth moment of wave spectum,m_4,as well asthe critical threshold of surface slope.By expressing the fourth moment in terms of the Neumannspectrum,a formula linking the fraction and wind speed for fully developed sea states is obtianed.Anotherformula relating the fraction to both wind speed and fetch(or duration)is achieved by expressing m_4 interms of the Krylov spectrum and applying the empirical relationships used in the SMB ocean wave pre-dicting technique.A comparison between these results and the field data of whitecap coverage collected byMonahan and O＇Muircheartuigh shows an encouraging agreement.     

Effects of wave age and air stability on whitecap coverage

The paper considers the effects of wave age and air stability on the whitecap coverage at sea. This is made by using the logarithmic mean wind velocity profile including a stability function as well as adopting a recent wave age dependent sea surface roughness formula. The results are valid for wind waves in local equilibrium with the steady wind. Examples of results demonstrate clear effects of wave age and air stability on the whitecap coverage. Comparisons are also made with field measurements by Sugihara et al. [Sugihara, Y., et al., 2007. Variation of whitecap coverage with wave-field conditions. J. Mar. Syst. 66, 47–60], representing unstable air stability conditions. Although the data basis is limited, the wave age independent Charnock sea roughness based predictions capture the main features of the observed whitecap coverage, suggesting a stronger dependence on air stability than on wave age in the data.     

Probability distribution of surface slope for nonlinear random sea waves and calculation of whitecap coverage

Based on the nonlinear model of two-dimensional random sea waves, a statistical distribution of wave surface slope exact to the third order is derived by using the expansion of the characteristic function and direct calculations of each order moment. Based on the distribution of wave surface slope derived in this paper, a whitecap coverage is proposed by using the limit surface slope as a criterion of wave breaking. The whitecap coverage expressed by the model depends on three parameters which can be determined in principle by the linear wave spectrum and three kinds of wave-wave interaction.     

Storm surge simulation using wind-wave-surge coupling model

Simulation of a storm surge caused by Typhoon 9918 in the Yatsushiro Sea, Kyushu, Japan was hindcasted by the synchronous coupled wind-wave-surge model composed of a Meso-scale meteorological model (MM5) for the wind and sea surface pressure, a spectral third-generation wind-wave model (Wavewatch III) for waves, and the coastal ocean model (Princeton Ocean Model). Inclusion of the whitecap wave breaking stresses (whitecap dissipation stress) in the coastal ocean model made it possible to reproduce the extreme surge height in the extremely shallow bay.     

Acoustically relevant bubble assemblages and their dependence onmeteorological parameters

A detailed physical model of the life history of a typical bubble plume, from its formation by a breaking wave to its dissipation into the background bubble population, is given, and the relationship between the early, acoustically relevant stages in bubble-plume development and the associated, remotely detectable whitecap is described. The manner in which the fraction of the sea surface covered by stage A spilling crests and by stage B mature whitecaps depends upon wind speed and upon wind stress or friction velocity is investigated. Formal expressions are given whereby near-surface bubble concentrations can be estimated from observations of fractional whitecap coverage or from measurements of the 10-m elevation wind speed     

海浪微波散射理论模式

在假设海面白帽为球形气泡层的基础上,利用白帽海面的矢量辐射传输方程各随机粗糙面散射模型建立了海面的微波散射模型。辐射传输方程利用迭代法求解,随机粗糙面散射模型采用双尺度散射模型,利用白帽覆盖率的经验公式计算海面的微波散射特性。数值计算结果表明,随着气泡厚度的增加球形气泡散射系数越来越接近球形粒子散射系数;白帽对散射同的贡献随风速增大而增大;侧风情况比逆风和顺风情况影响均大;水平极化比垂直极化影响大     

风浪和海洋飞沫对海表面拖曳系数和风廓线的影响

基于埃克曼理论,本文将波致应力和飞沫应力引入到海-气边界层的界面应力中,来研究海表面风浪和海洋飞沫对海-气边界层动量交换的影响,并得到修改后的埃克曼模型的理论解。波致应力是由风浪谱和波增长函数估计,并得到在中低风速下,波致应力、飞沫应力与湍流应力相比,对海表面拖曳系数和风廓线的影响非常小。当风速高于25米/秒时,海洋飞沫通过飞沫应力对海-气界面应力的作用远高于波致应力,以至于波致应力可以忽略。海表面拖曳系数在高风速下,随着风速的增大而减小。通过采用风浪谱的不同波龄,得到海洋飞沫的产生会导致海-气边界层风速的增加。最后,理论解与现场的观察数据进行了对比。对比后的数据表明,在中高风速下,飞沫对海-气边界层的影响远大于表面风浪。