有限区域海面风场数值模式的建立

目前,国内外大尺度天气预报数值模式已经取得很大成就,如在预报地面气旋系统的移动和发展等方面。然而,这些模式的铅直分辨率一般不高,通常不包括边界层的动力过程,因而,在预报海面风场上,数值天气预报模式还没有令人满意的效果。目前所用的边界层预报模式尽管具有较高的水平分辨率和垂直分辨率,但要求大量的计算和资料,很难用于日常业务预报;另一种边界层诊断模式,用到的风场数据是气象工作者从天气形势(大尺度)分析中,通过差值等方法获得的,缺乏针对性,而且精度较低(WMO,1988;WMO,1990)。 作者认为,适于海洋要素预报的风场模式应是定位于有限区域,或称中尺度模式,并根据台站的具体资料来源和工作状况力争建立一套适于海洋要素预报的中尺度风场数值模式。鉴于以上,作者建立了一个适于海洋要素预报的有限区域海面风场数值模式。模式采用符合动力及热力学条件的简化方程组对大尺度风场进行加密,通过数值模拟得到适于海洋要素预报的有限区域海面风场。并将该模式运用于渤海这一有限区域,获得了良好的效果,说明该模式对海洋要素预报具有很好的应用前景。     

海面风场的数值预报业务模式

海面风场的业务数值预报，经过六年的运行和不断改进，目前已建立了包括资料处理、客观分析、大气模式和边界展模式在内的数值预报业务化系统，它能提供１５°～４５°Ｎ、１ｈ５°～１４１°Ｅ海域内１°×１°经纬网格点上的７２小时的预报风场，该风场除为日常业务预报提供参考外，还为海浪和海冰业务模式提供强迫场。本文主要介绍大气模式和边界层模式的概况以及系统的运行结果。     

海面风场数值预报的历史和现状

本文简要介绍了国家海洋环境预报中心海面风场数值预报的历史和现状.     

中尺度数值预报模式(MM5)在海面风场预报中的应用

本文简要介绍了在工作站上运行有限区域海面风场数值预报业务化系统的情况。该系统以MM5V3作为主要框架,选定了积云对流和边界层参数化方案,准备了三种侧边界方案,以确保有限区域海面风场数值预报业务化的运行。半年多的准业务运行表明,系统运行稳定,海面风场预报效果较好,除能直接给有关业务单位参考外,还提供给有关海洋数值预报模式使用。     

中国近海海面风场预报方法综述

海上大风是一种灾害性海洋天气现象,能够准确、及时的预报海上大风对沿海地区的防灾减灾具有十分重要的意义.目前近海风场的预报方法有经验预报、统计预报、数值模式预报和统计动力(数值产品的释用)预报等.本文主要针对这些预报方法进行汇总与分析,为预报员提供可靠的依据.     

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.     

合成孔径雷达反演黄海海面风场

基于后向散射系数反演高空间分辨率海面风场,采用谱方法确定风向,并利用CMOD4模式函数反演风速。以ERS-2 SAR黄海区域图像为例,反演海面风场,并将反演结果同QuikSCAT散射计对比,比较吻合,证明该方法在黄海区域的可行性。     

星载合成孔径雷达图像反演海面风场方法综述

合成孔径雷达作为微波雷达,具有全天候、全天时、高分辨率对海面成像的能力,能实现多波段、多极化、多视角的观测海面,可以提供大范围、高精度的实时动态海面信息,对其进行深入研究有着重要的意义。基于合成孔径雷达图像,分别以风向和风速反演为主线,对国内外海面风场反演的工作进行了详细的总结。     

由数字化气压场计算海面风场

根据数字化仪给出的天气图等压线与经线或纬线交点的数组(Φ,λ,P),采用Kriging网格化方法得出计算区域中1°×1°经纬度网格上的气压值。然后根据地转风与气压梯度间的关系,并经地理纬度和高度等订正。算出1°×1°网格点上海面10m高的风速。经与东沙气象站的实测风速比较,两者符合良好。     

海面风场对环台湾岛海域温跃层的影响

本文首先给出了环台湾岛海域的海表风场计算方法和海表风应力的参数化。在此基础上，把该研究海域分为四个区域，用对比的方法分析由POM模式所得到的数值结果，讨论了海表风应力对该海域不同类型温跃层的具体影响。主要结果如下：海表风应力是影响温跃层的动力因子，对季节性温跃层的深度和强度均有重大影响，但对大洋温跃层的影响不大；海面风场作用数值计算与实际风场误差不大，故可以用计算所得的风场来代表实际风场作实验对比分析；海表风应力较小时有利于温跃层的发展加强，风应力较大时温跃层将减弱消失。     

中国近海海面风场的时空特征分析

本文利用1987年9月—2013年9月连续26 a的多源卫星融合数据,用经验正交函数方法(EOF)分析中国近海海面风场变化特征。分析结果指出中国近海海面风场的第一模态占总方差贡献的63.94%,呈现为冬-夏季风振荡类型,揭示了中国近海风场的季节变化特征;第二模态占总方差贡献的12.35%,呈现为春-秋振荡类型,反映了冬季风和夏季风过渡时期的变化特征;第三模态占总方差贡献的3.49%,呈现出近似半年周期的波动,体现了中国近海风场季节内变化的特征。     

基于混合密度网络的NSCAT散射计海面风场反演

以NSCAT散射计数据为例,介绍了一种神经网络反演海面风场的方法.风速的反演是基于多层感知器网络;多解风向的反演是基于多层感知器网络和混合密度模型组合而成的混合密度网络,其中的核函数采用高斯函数的形式.通过与欧洲中期天气预报模式风场和现场浮标数据对比,证明了该神经网络反演海面风场的有效性.     

星载SAR对雨团催生海面风场的观测研究

雨团或对流雨是热带与亚热带地区的主要降雨形式,较易被高分辨率星载合成孔径雷达（SAR）探测到。SAR图像上的雨团足印是由大气中雨滴的散射与吸收、下沉气流等共同导致形成的。本文以RADARSAT-2卫星100 m分辨率的SAR图像上雨团引起的海面风场及其结构反演与解译作为实例进行分析。使用CMOD4地球物理模式函数,分别以NCEP再分析数据、欧洲MetOp-A卫星先进散射计（ASCAT）和中国HY-2卫星微波散射计的风向为外部风向,进行了SAR图像的海面风场反演。反演的海面风速相对于NCEP、ASCAT和HY-2的均方根误差（RMSE）分别为1.48 m/s,1.64 m/s和2.14 m/s。SAR图像上一侧明亮另一侧昏暗的圆形信号图斑被解译为雨团携带的下沉气流对海面风场（海面粗糙度）的改变所致。平行于海面背景风场其通过雨团圆形足印中心的剖面上的风速变化可拟合为正弦或余弦曲线,其拟合线性相关系数均不低于0.80。背景风场的风速大小、雨团引起的风速大小以及雨团足印的直径可利用拟合曲线获得,雨团足印的直径大小一般为数千米或数十千米,本文的8例个例解译与分析均验证了该结论。     

背景场对变分方法海面风速反演结果的影响

利用前期提出的合成孔径雷达反演海面风场变分方法新解法,开展背景场对合成孔径雷达反演海面风场变分方法风速反演结果影响的模拟试验分析。模拟试验表明,变分方法有效解决了直接反演方法的两大缺陷:一是当背景场风速较大的时候,合成孔径雷达后向散射系数对风速不敏感,直接导致较大的风速反演误差;二是当背景场风向存在误差时,将导致后向散射系数更大的误差,进而导致风速反演结果更大的误差。进一步试验表明,当背景场风速较大时,变分方法风速误差低于直接反演方法风速误差。而当背景场风向误差较小时,直接反演方法风速误差比变分方法风速误差小。     

风浪状态对海面风应力影响的初步研究

利用新近提出的海面风应力系数线性参数化理论,定性地分析了已有风应力和风浪的观测数据。分析发现这些观测数据表明在小波陡的情形下海面风应力系数随风速的变化较大波陡的情形更加迅速。结果定性地倾向于支持Toba等的结果,即成熟的风浪较年轻的风浪更加粗糙。     

风对中国东部海域海平面季节变化的影响

应用ROMS数值模式配置基本实验模拟了2004年到2006年中国东部海域海平面的季节变化。模拟结果与TOPEX／Poseidon（T／P）卫星高度计观测结果基本一致,海平面年较差从中国沿岸到黑潮路径逐渐变小。将数值模式的风应力项去掉,配置对比实验。与基本实验结果对比发现,对比实验海平面仍然具有季节变化,但是闽浙沿岸和苏北沿岸海平面春夏季异常偏低、秋冬季异常偏高现象消失,中国沿岸向太平洋的海平面变化减弱。春季和秋季,渤、黄海和黑潮附近海平面异于东海的现象减弱。对比实验海平面的年较差的数值明显减小,从近岸向黑潮海平面年较差渐变的过程消失。整个渤黄海的海平面年较差近似。对比实验海平面年较差占基本实验海平面年较差比率从近岸向黑潮路径逐渐增大。     

台风海面风场动力诊断模式的建立与模拟计算

本文总结和归纳了已有的台风海面风场模式,按照风场模式物理背景的不同进行了分类．在此基础上,本文选择并建立了一种新的台风海面风场动力诊断模式．首先,利用台风影响范围内某条具有代表性的闭合等压线的拟合方程表示出台风海面气压场,并利用改进的气压场模式和修正的梯度风方程求得台风系统风场,同时还利用宫崎正卫的热带气旋合成风假设建立移行台风风场．然后将两者作权重订正后进行迭加,即得到台风模型风场．该模式考虑了包括台风气压场的非对称性、边界层摩擦效用、气压梯度的切向变化及台风中心移动的影响等多种因素．经过对0519号“龙王”台风的模拟,结果表明本文所建立的台风风场模式可以比较准确的模拟出非圆对称的台风海面气压场和海面风场,较为真实地反映实际台风风场的特征．     

渤海海面风场的一种动力诊断方法

给出一种动力诊断获取渤海海面风场的简便方法.首先建立一个简单的水平二维地面风场诊断模式,根据由微机支持的数字化仪输入的地面格点气压场,诊断出地面风场;然后利用渤海沿岸和岛屿海洋观测站(含石油平台站)实测风资料,运用简单的资料同化方法(张驰逼近方法)对诊断风场进行调整,从而得到渤海海面风场.结果表明,此方法简便有效.     

台风背景下海浪对海表流场和海表温度的影响

海浪作为海-气界面中重要的物理过程,对海洋上混合层的近表面分布具有重要作用。本文以台风"威马逊"和"麦德姆"为背景,基于FVCOM耦合模式模拟了台风浪及上层海洋的响应过程,探讨了海浪对海表流场和海表温度的影响。结果表明耦合模式能够较准确地模拟出有效波高,台风过境后海表流场在海浪的作用下反映出与台风相对应的气旋性特性,改变的流场量级可达0.4 m/s;海表温度出现不同程度的下降,最大降温约4℃,最大降温中心与流场变化区域相对应,且降温区相对台风路径呈显著的"右偏性"。最大降温滞后台风中心过境2 d左右,恢复时间一般超过10 d,与实况相吻合。     

基于ASCAT 散射计数据的2013 年南极周边海面风速特征分析

利用2013年1月1日~2013年12月31日的ASCAT散射计风速数据,从海面风速季平均分布特征、平均海面风速特征、海面风速大于10 m/s发生比例统计等方面,对55°S以南的南极周边海域开展了风速空间分布特性统计,得到以下结果:7月平均风速最大,为12 m/s,1月平均风速最小,为8 m/s。对于南极周边海域,区域平均风速主要在9~12 m/s,全年出现的时间大于280 d,约占全年的77%。风速大于10 m/s所占比例4~9月大于1~3月和10~12月。从全年来看,南极周边海域在4~9月风速普遍较大,且0°~60°W海域内风速明显比其他海域要小。在此基础上将2013年每日的区域平均风速与月平均风速与2012年做了对比,变化趋势与2012年基本一致。通过本项长期工作,可以了解南极风场环境基本情况,建立与更新基础资料和图件,得到南极地区风场要素时空分布、变化规律,服务于南极科学考察、全球变化等多学科研究应用。