海洋白浪与海面摩擦速度的直接同步测量及其结果分析

本文报告首次进行的海洋白浪、泡沫和沫流带与海面摩擦速度的直接同步测量结果.由此结果得海洋白浪覆盖率W_c与海面摩擦速度U_*的经验关系为W_c=1.34×10-5U_*1.93.这一关系式支持白浪覆盖率正比于海面风应力的论断;显著不同于白浪覆盖率正比于摩擦速度3次方的物理分析结果.基于此经验关系式,还对白浪在海-气交换中的作用进行了讨论.     

均方斜率与风速及波龄关系的研究

本文利用NOAA在太平洋的几个浮标站测得的风浪数据,研究了均方斜率s2与风速U10和波龄β的关系,发现s2随U10的增大而增大,s2=(0.4U102 5U10 2)×10-4;随β的增大而减小,s2=0.01β-0.8696。基于以上结论,建立了s2同时随风速和波龄变化的关系:s2=10-4×9(U10β-0.4348 1),这表明β以负幂指数的形式改变了s2随风速线性增长的斜率。波龄对s2的影响在风速较小时作用比较明显,在风速较大时影响比较微弱,但引起s2变化的最主要因素还是海面风速。本文的研究工作对于高度计准确地信息反演提供了重要的理论依据。     

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。     

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。     

白浪法在南海飞沫气溶胶通量计算中的应用和修正

白浪覆盖率法(白浪法)是被广泛应用的计算气溶胶粒子通量的方法,但是公式本身还存在一些问题,且其在低纬度海域的应用情况还未见报道。本文利用2012年8月25日—10月12日在中国南海走航实验观测的气溶胶粒子浓度数据,对Monahan等的白浪覆盖率-风速的公式进行了修正,并利用最小二乘法推导出单位白浪面积上次微米气溶胶产生通量与风速的关系。对半径小于0.3μm的粒子,通量的分布符合对数正态分布,通量的对数与风速呈幂函数关系。与高纬度海域的研究相比,中国南海飞沫气溶胶粒子的排放通量特征表现为较小粒子(r800.2μm)较其他海域偏高,而较大粒子略偏低。当风速在7~13m·s-1时,用新的源函数计算的通量与观测值保持较高的一致性。     

一种白浪覆盖率与风要素关系模式

采用Ｇｌａｚｍ ａｎ 提出的“微尺度平均”的方法,在合理选择平均尺度的基础上计算了ＪＯＮＳＷＡＰ谱的四阶矩,并将此结果与Ｓｎｙｄｅｒ提出的白浪覆盖率模式结合,从而建立起依赖于风速和风区两者的半经验、半理论的白浪覆盖率与风要素关系模式。此模式给出的结果与Ｍｏｎａｈａｎ 等汇集的海洋白浪覆盖率测量数据总体符合良好。     

海洋白浪覆盖率模式的研究

在波面位移为均匀正态分布的假定下,导出以海浪谱矩为参量的波面斜率分布函数,依此函数,利用极限波面斜率为波浪破碎判据导出依赖于海浪谱四阶矩的白浪覆盖率的表示式,又通过Ｋｒｙｌｏｖ谱和ＳＭＢ海浪预报方法的经验公式,将海浪谱四阶矩代之以风要素,从而首次建立了一个依赖于风速和风区两者的半理论,半经验的海洋白浪覆盖率模式,此模式给出了结果与Ｍｏｎａｈａｎ汇集的海洋白浪覆盖测量数据符合颇佳。     

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。     

莱州湾放流中国对虾的跟踪调查及其生长研究

本文通过回捕跟踪调查,对莱州湾海域中国对虾放流后的移动和生长进行了初步研究。结果显示:随着中国对虾的不断生长,放流群体逐渐由河道向莱州湾近岸浅水区、莱州湾内部深水区和湾外移动;各采样批次的中国对虾体长频率分布多为单峰类型,体长(L)-体重(W)关系式为W=8.0×10~(-6)L~(3.0611);von Bertalanffy生长方程分别为Lt=201.57×[1e~(-0.016(t-38.48))]和Wt=90.61×[1e~(-0.016(tS-38.48))]~(3.0611);体长和体重生长速度方程分别为dLt/dt=3.23×e~(-0.016(t-38.48))和dW_t/dt=4.44×e~(-0.016(t-38.48))×[1e~(-0.016(t-38.48))]~(2.0611),其中体重生长拐点出现在放流后三个月左右(108d日龄,8月15日)。     

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。     

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.     

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.     

An analytically derived whitecap coverage model

Ａｎａｎａｌｙｔｉｃａｌｌｙｄｅｒｉｖｅｄｗｈｉｔｅｃａｐｃｏｖｅｒａｇｅｍｏｄｅｌ￥ＸｕＤｅｌｕｎａｎｄＬｉｕＷｅｎｔｏｎｇ（ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙ，ＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＱｉｎｇｄａｏ，Ｑｉｎ...     

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。     

基于白冠覆盖率的飞沫生成函数参数化

海浪破碎使得海面产生飞沫水滴,由于飞沫水滴的存在改变着大气和海洋之间的能量传输。飞沫生产函数一般认为是水滴初始半径和风速的函数,但海浪时刻存在于海-气界面,仅仅考虑海面风的作用,而忽略海浪的影响是不够完善的。白冠覆盖率是海浪破碎的重要特征参数,有研究者发现白冠覆盖率与海面风速和海浪均存在相关性。本文尝试从白冠覆盖率出发,构建飞沫水滴的生成函数参数化方案,将描述不同飞沫水滴半径的飞沫生成函数基于白冠覆盖率参数有机整合,然后结合白冠覆盖率和海浪状态的关系,利用实验室观测数据,分析不同海浪状态条件下海浪对飞沫生成函数的影响。研究结果表明,新的考虑波浪效应的飞沫生成函数可以合理地描述不同海浪状态条件下飞沫水滴的生成过程。     

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.     

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     

Probabilistic Models for the Probability of Wave Breaking and Whitecap Coverage Based on Kinematic Breaking Criterion

More and more researches show that neither the critical downward acceleration nor the critical slope of water waves is a universal constant. On the contrary, they vary with particular wave conditions. This fact moders the models either for the probability of wave breaking B or for the whitecap coverage W based on these criteria difficult to apply. In this paper and the one which follows we seek to develop models for the prediction of both B and W based on the kinematical criterion. First, several joint probabihstic distribution functions (PDFs) of wave characteristics are derived, based on which the breaking properties B and W are estimated. The estimation is made on the assumption that a wave breaks ff the horizontal velocity of water particles at its crest exceeds the local wave celerity, and whitecapping occurs in regions of fluid where water particles travel faster than the waves. The consequent B and W depend on wave spectral moments of orders 0 to 4.Then the JONSWAP spectrum is used to represent the fetch-limited sea waves in deep water, so as to relate the probahility of wave breaking and the whitecap coverage with wind parameters. To this end, the time-averaging technique proposed by Glazman (1986) is applied to the estimation of the spectral moments involved, and furthermore, the theoretical models are compared with available observations collected from published literature. From the comparison, the averaging time scale is determined. The final models show that the probability of wave breaking as well as the whitecap coverage depends on the dimensionless fetch. The agreement between these models and the database is reasonable.