HY-2卫星高度计波高资料在集合最优插值同化中的应用研究——以台风“Lipee”为例

基于海浪模式SWAN（Simulating Waves Nearshore）,以台风“Lipee”为例,开展了集合最优插值（EnOI）同化HY-2卫星高度计有效波高（SWH）资料的台风浪数值预报影响研究。结果表明,利用HY-2卫星高度计波高资料结合EnOI方法进行同化,可有效改善海浪初始场质量,同化对绝对误差的改进可达15%,均方根误差改进14%。同化对预报误差、均方根误差都有一定程度的改进,其中在0~24 h预报时效内的改进最为明显,绝对误差可改进12%,均方根误差改进13%。研究结果不仅可为海洋预报、同化提供参考,而且可为进一步加强HY-2卫星高度计资料的应用提供技术支持。     

近岸海浪模式在中国东海台风浪模拟中的应用--数值模拟及物理过程研究

较为详细地介绍了基于能量平衡方程的第三代近岸海浪数值模式SWAN（Simulation Waves Nearshore）及其包含的物理过程（风生浪、底摩擦、白浪耗散、深度诱导波破碎、非线性波－波相作用等），并利用该模式对影响杭州湾－长江口沿岸海域的一次台风浪过程进行了模拟研究：模式所需风场由藤田台风风场模型嵌入对应台风特征等压线，并对相应时段的NCAR／NCEPT资料、单站资料进行同化后提供；利用自嵌套的方式提供波谱边界条件；模式模拟的结果与实际海浪观测资料相符较好，在此基础上，研究了底摩擦、深度诱导波破碎、三波相互作用等物理过程联合对近岸台风浪的影响，初步认识了它们在近岸台风浪生成、传播过程中的重要作用。     

人工神经网络技术在台风浪预报中的应用

利用人工神经网络中的BP算法，结合南海硇洲岛海区近30年的台风及台风浪资料，经预期因子的选择并作对比试验，建立了本海区较为理想的台风浪人工神经网络预报模型。结果表明：人工神经网络方法在台湾浪的预报上，有较好的拟合历史台风浪高的能力，利用该模型对台风浪高的预报也达到了一定的精度。为实际台风浪浪的预报增加了新方法、新思路。     

卫星高度计波高数据同化对西北太平洋海浪数值预报的影响评估

通过数值试验验证卫星高度计波高数据同化对西北太平洋3 d海浪预报的改进效果。驱动海浪模式的强迫场采用国家海洋环境预报中心基于MM5模式预报的风场,波高数据同化使用的观测数据是Jason-1卫星高度计有效波高。用最优插值数据同化方法获得海浪有效波高的最优估计并重构相应的海浪方向谱,以此为初始场进行为期3 d的数值预报试验。与没有同化的预报进行了比较和分析,结果表明卫星高度计海浪数据同化对0~72 h预报有不同程度的明显改善,改进程度随预报时效的增加而减少。     

基隆港台风浪特征分布数值模拟分析

基于修正的Holland台风模型风场,在同化QuikScat/NCEP混合风场基础上,结合高分辨率水深和高精度岸线资料,采用第三代近岸海浪模式SWAN,对影响基隆港邻近海域的两类典型台风过程引起的台风浪进行了数值模拟分析。模拟的两次台风过程中,西北型台风0715号和转向型台风0424号的有效波高与同一时段T/P卫星高度计资料波高的平均相对误差分别为6.5%和5.6%,相关系数分别达到0.972和0.902,台风浪个例模拟精度较高,可为基隆港及其邻近海域台风浪模拟与预报提供一种有效的方法。     

数据同化的南海台风浪后报模式

将基于最优插值(OI)的同化并行模块植入第三代海浪模式WAVEWATCH III version3.14, 建立数据同化的台风海浪模式预报系统。该系统的强迫风场采用模型台风风场与台风来前海区背景风场混成的风场。以模式后报2010 年7 月严重影响南海北部的“康森”和“灿都”台风引起的海浪场为例, 首先对所构造的混合风场的台风海面风场结构进行定性检验, 并用高度计沿轨风速对混合风场精度进行定量验证。在此基础上, 海浪模式在混合风场强迫下边积分边同化。同化数据采用上述台风过境南海期间Jason-2 卫星高度计沿轨有效波高 (SWH)。值得指出的是, 同化时只取SWH 沿轨数据的一部分用于同化计算, 而另一部分沿轨数据则用于对同化分析结果进行检验。先后同化了4 条轨道上的SWH数据。将SWH 的同化分析与无同化的对照组结果分别与高度计测量SWH 比较, 发现同化较无同化可使均方根误差获得50%以上的明显改进。以同化分析场作为初始场, 同化影响预报(这里是后报)的时效性约在48 h 以内。本研究目的是通过同化高度计SWH 数据进一步提升台风海浪模式预报的准确度。     

南海灾害性波浪基本特征研究

本文基于1991-2016年全球卫星高度计融合数据对南海灾害性波浪基本特征进行了分析,根据灾害性波浪诱发天气类型不同,将其分为"台风浪"和"非台风浪"。依此主线,对两类波浪在南海不同海域的特征进行了研究,并提出了用于定量研究两类波浪强度关系的台风浪权重系数（W）,得到了两类波浪在南海相对强弱关系的分布规律,量化研究了南海灾害性波浪的特征。本文以卫星高度计波高数据为样本进行了极值分析,得到了南海重现期波浪要素整体分布规律,研究发现W值大小与广义极值曲线类型显著相关。     

有效波高的非线性统计及在南海卫星高度计中的应用

在已获得的海浪非线性波面概率模式的基础上通过Ochi关系，导出了一种有效波高的非线性统计分布。分布表明，本研究结果既推广了有效波高的双参数对数－正态分布，又能够以波陡作为有效波高的非线性控制参量来体现概率分布形式的变化。此研究应用于南海卫星高度计的资料分析，获得了理论与现场数据较为吻合的结果。     

叠加风场在南海台风浪数值后报中的应用研究

根据经验风场与NCEP再分析风场的优缺点,采用两者相叠加的方式构造了一种叠加风场,与实测风速资料对比验证显示该风场精度较高。以叠加风场数据为输入,采用WAVEWATCH Ⅲ模式对南海海域有显著影响的8场台风进行计算,结果显示叠加风场计算南海台风浪具有较高的精度和可靠性。     

南海TOPEX海面高度资料的混合同化试验

应用普林斯顿海洋模式（POM），对冬季南海由TOPEX／Poseidon得到的卫星遥感海面高度资料进行混合（blending)同化试验。混合同化的权重系数由以下两者决定：南海POM模式对冬季风强迫产生响应的海面高度场之标准方差；对应期间ＴＯＰＥＸ海面高度资料的标准方差。同化结果表明，混合同化方法不失为一种简单而又有效的同化方案。同化得到的南海环流结构与未同化的模式响应场比较可以发现：海面高度资料的同化试验能够有效地修正南海环流的若干大尺度特征，特别是对冬季黑潮入侵南海东北部的动力过程，同化结果有了更准确的描述。同时，另一个重要的修正表现在：同化试验中瞬变的中等尺度涡旋得到加强，体现了南海海洋天气尺度涡被资料同化所“唤醒”（trigger)。这种“唤醒”不仅明显地反映在表层环流场中，对南海次表层动力、热盐结构也有一定的影响。     

南海,南黄海,渤海^210Pb垂直分布模式

利用~(210)Pb同位素地质学技术测定了我国南海,南黄海和渤海26个岩心现代沉积速率和沉积通量。发现采样点岩心中~(210)Pb的放射性强度随深度衰减呈现出五种垂直分布模式,利用其分布模式,分析研究了采样点海区沉积作用强度、物质来源和沉积环境。~(210)Pb资料表明我国陆架浅海采样点、尤其象黄河三角洲高速沉积区近百年来的沉积速率和沉积格局有显著的差异和独特的沉积特征。     

南海海面风应力特征分析

用南海的船舶气象资料分析了南海海面风应力的四季特征。指出冬季风应力最大,且指向西南;夏季次之;春、秋两季较弱,最小在春季。本文还进一步分析了南海风应力与大涌频率、浪高的相关关系,并建立了相应的相关方程。     

南海北部深层近惯性振荡信号研究

本研究通过分析布放在南海北部的着陆器流速数据,研究一支蓝移的近惯性振荡信号,发现该信号可以传到600m水深以下,持续时间为11月3—16日。该信号的最大的东向流速为0.133m/s,最大南向流为0.124m/s。谱分析发现垂向流速呈现出5个不同的流核,最强流核发生在600—650m位置。近惯性能量下传速度为67±5m/d,从600m下传到1000m的位置能量耗散18%。经验正交函数(empiricalorthogonalfunction,EOF)分解结果显示,这次近惯性振荡信号开始是第一模态占主导,随后变成高阶模态为主导的形式。由于不知道其信号生成的源头,所以无法确定近惯性振荡形成原因,结合前人的研究结果,可以排除台风引起此次近惯性振荡信号的生成。卫星的海表高度异常显示,此时的正涡度有利于此次近惯性振荡发生蓝移特征。     

南海中尺度涡的季节和年际变化特征分析

以11a(1993—2003年)TOPEX/Poseidon、Jason和ERS1/2高度计的融合资料为基础,统计了南海中尺度涡的时空分布,分析了南海中尺度涡的季节和年际变化,并结合QuikSCAT、ERS1/2风场资料初步探讨了南海中尺度涡形成的可能机制。研究结果表明,南海中尺度涡存在明显的季节和年际变化,而季风强迫是这种变化的主要驱动因素。冬季冷涡(气旋涡)主要分布在吕宋岛西北和越南东南海域,而暖涡(反气旋涡)主要在18°N以北出现。春季暖涡在南海中部开始出现并得到充分发展。夏季暖涡明显多于冷涡,暖涡主要分布在越南东南和吕宋岛西北海域,而冷涡分布于越南以东和南海东北部。秋季冷涡主要分布在越南沿岸,暖涡则分布在南海东北部;11a海面高度异常均方根的时空分布变化也显示了南海中尺度涡存在较强的年际变化。     

利用多源高度计资料提取南海低模态内潮能量

吕宋海峡由于剧烈变化的地形成为内潮产生的源地,内潮是海洋混合的重要原因。为了认知南海的内潮能通量分布,对南海的内潮有更好的理解,本文利用21世纪以来发射的多颗高度计卫星:J2、J1T、GFO以及EN,提取了吕宋海峡附近内潮的能通量。研究使用了调和分析和高通滤波等方法来提取第一模态内潮,主要提取K_1,K_2,M_2,N_2,O_1,P_1,Q_1和S_2八个分潮。同时结合WOA数据对能通量进行计算。结果表明,目标区域潮汐以全日分潮为主,所选区域的全日分潮中K_1所占比例最大;半日分潮中M_2分潮最强,而内潮的能通量则是M_2分潮所占最大,在吕宋海峡区域M_2能通量为6.45GW。内潮主要产生在地形变化剧烈的地方,海域的大部分地区内潮能量很小。在吕宋海峡中部,全日分潮能通量要小于南部地区,而半日分潮则有较大值。     

南海东北部海域中尺度涡的季节和年际变化

采用7a的T/P高度计资料对南海东北部海域海面高度异常及其季节变化和年际变化进行研究。研究表明该海域是中尺度涡的高能量区,尤其经常生成强的反气旋涡;海面高度异常的均方根高值区(即中尺度涡的高能量区)主要分布在台湾西南部(21.3°N,119.0°E)和吕宋岛西北(19.5°N,119.5°E)附近的深水海域;海面高度异常的均方根值随季节有明显的变化,春季是中尺度涡最弱的季节,均方根值最小,夏季次之,秋、冬是中尺度涡最强的季节,均方根值最大;海面高度异常的均方根值也表现出显著的年际变化,特别在ElNi no事件期间(1997年)其年均方根值最小。     

南海冬季环流数值模拟

用已成功地模拟了大尺度环流和黑潮的三维、斜压以及具自由海水表面的数值模式,模拟了冬季南海流场、温度场和海面高度场。所用网格为0．25°×0．25°,垂直方向分为6层;除巴土海峡和台湾海峡外,其它边界假设为封闭;巴士海峡和台湾海峡的边界值用已模拟的大尺度环流值。模拟结果基本上反映了南海冬季环流的特征。从模拟结果可知,黑潮从巴士海峡南部进入南海后,其大部分又从对21°以北返回大洋。巴士海峡西侧的气旋型环流似乎具有相对的独立性;当然,涡旋东侧在巴士海峡的N向流可能与黑潮水混合,而且从这支流中分离出－小支流继续向北,汇入到“南海暖流”中。黑潮水虽然大部分返回太平洋,但是巴士海峡西侧的气旋型环流是由巴士海峡处的黑潮诱发的,南海海底地形对南海环流的形态（特别是对“南海暖流”的形成）有很大的影响。     

南海北部内孤立波数学模型

在二层内潮数学模型的基础上,考虑非静力平衡扰动压力的影响,导出潮频内孤立波产生、传播的数学模型。该模型不受小地形假设的限制,并适用于南海。应用该模型能解释说明产生以下现象的物理机制：潮流流过巴坦-萨布坦海脊时,在一定海洋环境条件下,通过潮流与起伏的底地形相互作用可激发产生潮频内孤立波,并西传至东沙群岛附近的海域。     

南海环流的一个约化模式

利用约化数值模式研究了黑潮在巴士海峡的流况及受其影响的南海海盆区的环流,结果为:定常的黑潮入流在巴士海峡不易出现显著的环状流动结构,但在海峡西侧诱生一气旋涡,该涡旋达到一定强度时,β因子和侧边界作用使其向西南移动,因此,模式给出的南海环流呈准半年周期的气旋涡现象。动力分析表明,气旋涡因非线性平流作用将黑潮西侧的气旋性切变涡度向南海北部输送所致。模式同时计算了入流方向和流轴位置呈周期性变化时,巴士海峡和南海的流动结构。