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。     

WAVEWATCH Ⅲ第三代海浪数值模式在中国东海的应用和改进

利用东海的浮标观测数据,比较了WAVEWATCHⅢ第三代海浪数值模式的ST2、ST4和ST6三种源函数方案在东海的适用性。结果表明,三种源函数方案在波高小于3 m中低风速情形下,模拟波高与观测波高符合的很好,而在波高大于3 m的高风速情形下,模拟波高偏大。在此基础上,提出了以波龄和波陡为参数的海面粗糙度参数化公式,以此来计算拖曳系数。该方案可以自动满足拖曳系数在临界风速达到饱和的观测事实,将上述拖曳系数计算方案应用于最新的ST6源函数方案,在保持中低风速时的模拟精度的同时,可有效地改善高风速时模拟波高偏大问题,而且可使模拟周期与浮标观测结果更为一致。     

考虑飞沫影响的拖曳系数方案对台风条件下上层海洋海温数值模拟的影响

为了提高对上层海洋的模式模拟准确性,为台风海气耦合模式提供更加合理的动量交换耦合方案,文章应用一个分粒径段的海洋飞沫函数给出一个新的海面拖曳系数CD计算方案,它体现了台风高海况条件下海洋飞沫层使海面拖曳系数数值减小特点。论文以2014年第15号台风"海鸥"经过南海强化观测区域时段作为个例,应用POM(Princeton Ocean Model)三维海洋环流模式进行数值模拟试验,结果发现低风速情况下,考虑海洋飞沫因素后的CD与传统计算方案数值相近,在高风速情况下,考虑海洋飞沫因素后的CD方案与模式传统计算方案不同,表现出随风速增长趋缓,直至随风速略有下降现象。与传统拖曳系数方案相比,采用新的拖曳系数方案后,模拟的台风条件下上层海洋的温度降温幅度、混合层深度加深幅度、温跃层强度减弱程度都略有减弱,这些模拟特征与观测事实更加接近。     

海气热通量算法的改进及应用

COARE模型是国际上常用的计算海气热通量的算法,其风速适用范围可达20m/s,但未包含飞沫等高风速下的影响因子,将其直接扩展到20m/s以上风速的海况存在不合理性。本文提出了适合各种风速条件下的包含飞沫影响的海面动力粗糙度长度参数化方案,并利用该方案改进了COARE 3.0模型。利用南海浮标的观测数据,根据改进的COARE 3.0模型计算了海气热通量,分析了飞沫对海气热通量的影响。结果表明,在0～20m/s风速范围内,感热通量与潜热通量主要由海气温差和海气湿差决定,与波龄的相关性很小,飞沫对热通量无显著影响。当风速大于20m/s,感热通量和潜热通量与海气温差和海气湿差的相关性减小,与波龄的相关性增加,潜热通量与波龄呈现负相关。考虑飞沫的效应后,总热通量明显增加,飞沫所增加的感热通量平均可占界面感热通量的38.89%,飞沫所增加的潜热通量平均占界面潜热通量的39.19%。     

风浪对海-气界面动量通量估计的影响

利用实验室和有代表性的外海观测数据综合分析表明,海面粗糙度对波龄的依赖性与是否将实验室和外海数据一起考虑有关,而风应力拖曳系数与此无关,且随波龄增大而减小.利用Toba-3/2指数律和风浪成长关系的分析表明,风应力拖曳系数为常数或随波龄的增大而增大,与上述结果定性上相矛盾,说明风浪对风应力拖曳系数影响问题需要进一步研究.     

海气动量通量研究综述

海气界面动量通量也称为风应力,是海流和表面海浪的主要驱动力,是海洋从大气获得动量的重要途径。因此,合理可靠的海洋表面风应力的参数化对于海洋、大气和波浪以及气候模式的准确预报都具有非常重要的科学意义和实用价值。对风应力拖曳系数的参数化是风应力参数化的主要内容。近来的观测发现,风应力拖曳系数随着风速的增加出现了先增后减的趋势,同时还与海面的波浪状态以及海流有关。基于观测或理论分析,目前已经得到了一系列的风应力拖曳系数计算方法或公式,有的考虑了海浪的作用,有的没有,但这些方案大都是适合中低风速,在高风速下的适用性还有待检验。本文回顾了目前在海气动量通量观测和参数化方面的研究进展,并建议应增加高风速下风速、海流以及海浪等的同步观测,以进一步完善风应力参数化方案。     

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。     

风浪状态对海面拖曳系数的影响

通过对四种参数化方法的比较,认为风海雷诺数RB较风速、波龄和波陡能更好地描述拖曳系数CDN。利用分组平均法对CDN与RB关系进行处理,得到最佳的CDN参数化方案。利用COARE3算法测试了四种依赖海况的粗糙长度,与实测结果进行了比较,结果表明CDN与RB的关系式更真实地反映了海-气界面动量交换过程。     

海气界面沫滴悬浮层的特征

Makin利用经典的有限饱和沫滴悬浮层理论建立了高风速下的海面动力学粗糙度模型。本文基于Makin模型,研究了海面拖曳系数随风速变化关系对沫滴悬浮层厚度、沫滴极限下落速度和Charnock参数的依赖性,从而考察了沫滴悬浮层的特征,并根据观测数据确定一些参数的取值。结果表明:沫滴悬浮层高度对拖曳系数随风速变化关系影响甚微;沫滴极限下落速度对拖曳系数随风速变化关系影响较大,但由不同观测数据估计得到的沫滴极限下落速度趋于一致;Charnock参数对拖曳系数随风速变化关系影响较大。综上,基于Makin模型的拖曳系数随风速变化关系主要依赖于Charnock参数。最后,利用已有的理论研究结果及通过数据拟合给出了解析的拖曳系数随风速变化关系式,仅依赖于Charnock参数,适用于各种风速情形。     

基于浮标资料的海气动量交换系数研究

大尺度模型里大气边界层和海洋表面的耦合通常由海表拖曳系数进行参数化,海表拖曳系数一般看作是风速的函数.低风速下的海表拖曳系数一般看作是风速的线性函数,但有研究显示在极低的风速值下,海表拖曳系数并不是随着风速而单调增加的,而是随着风速的增加先减小再增大.极低风速下海表拖曳系数的估计值对不同计算方法有很强的依赖性,低风速下海表拖曳系数随风速的变化规律存在争议.因此,本文对10m处风速进行4种不同平均方法的选取以探究海表拖曳系数随风速的变化规律,为进一步改进海洋模式提供了依据,提升了海洋再分析的业务化能力.     

TY01和O02两种海面空气动力粗糙度方案的比较

本文采用美国国家浮标站(44008)2003年1～3月的资料，通过COARE算法(版本2．6b)，比较了O02和TY01这两种海面空气动力粗糙度长度的参数化方案。通过对摩擦速度、拖曳系数、海面粗糙度及风应力等物理因子的计算得出：在粗糙的海面上，TY01和O02两种参数化方案的计算结果是比较一致的。在考虑浪的信息方面，TY01和O02都是很好的参数化方案．它们都可以适用于不同的风速条件，适用于各种尺度的海洋及湖泊。但是这两种方案在处理幼波时存在不连续的缺点。并且，对于风速较小的光滑海面，尽管它们计算的结果较一致，但是仍然存在偏差。据此，本文的结果对于理论分析和数值计算如何正确使用上述两种海面空气动力粗糙度参数化方案，可提供必要的参考价值。     

台风期间海洋飞沫对海气湍通量的影响研究

本文以2006年9月日本以南海域的台风YAGI为例,应用黑潮延伸体附近的KEO浮标观测资料,并结合卫星遥感等融合资料,分析海洋飞沫在台风不同发展阶段对海气界面间热量通量和动量通量的影响。首先,定量地分析台风期间海洋飞沫对海气热通量的影响。结果表明,在台风YAGI过境期间,海洋飞沫能够显著地加剧海气界面间的热量交换,尤其是潜热交换。海洋飞沫增加的热通量随着风速的增强而增大,随着波龄的增大而减小。随后,通过动量分析表明,在台风YAGI过境期间,海洋飞沫显著地增强了由大气向海洋的动量转移。当风速达到台风量级后,考虑海洋飞沫所增加的动量通量与界面动量通量大小相当,同时,在此风速条件下,海洋飞沫在海气界面形成极限饱和悬浮层,抑制风到海表面的动量转移,导致海气界面间总的动量通量的增长率随之减小。     

海-气界面动量通量的估计方法分析与应用

首次将经验模态分解方法引入湍流稳定性分析,与传统的线性和滑动平均去势方法进行了比较,发现经验模态分解方法的去势效果最好。基于"南海平台通量观测计划"(FOPSCS)近两年的连续通量观测数据,得到了22 476个摩擦速度的估算值,结果表明,当风速小于5m/s时,拖曳系数随风速增大而减小,而风速大于5m/s时,拖曳系数随风速增大而增大,两种情形分别反映了黏性表皮摩擦和波浪引起的形状阻力对海面风应力的贡献。同时发现短风区情形的拖曳系数大于长风区情形,说明波浪成长状态会对海-气界面动量交换产生影响。     

SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响

本文以荷兰哈灵水道海域为实验区域,通过敏感性实验,研究了在14 m/s、31.5 m/s和50 m/s（分别代表一般大风、强热带风暴和强台风的极端条件）定常风速下SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响程度。结果表明,对于近岸浅水区域（水深小于20 m）,风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高影响较小,而且当风速增加到一定程度后,波浪破碎成为影响波高值的主要因素;对于深水区域（水深大于30 m）,一般大风条件下风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高影响仍然较小,随着风速的继续增大,风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高的影响逐渐显著。对于平均周期,风拖曳力系数计算方案的选择和风速的改变对其影响均较小,而由水深变浅导致的波浪破碎对其影响较为显著。根据敏感性实验结果,本文对SWAN模型中风拖曳力系数计算方案的选择做出如下建议:计算近岸浅水区域风浪场或深水区域一般大风条件风浪场时,其风拖曳力系数可以直接采用模型默认选项;而对于深水区域更大风速条件,可首先采用模型默认选项试算,然后结合当地海域实测波浪资料进行修正。     

ERS散射计风速资料反演海面粗糙度

本文首先提出了一个利用海面风场计算海面粗糙度(空气动力学粗糙长度)的模式。应用ERS-1/2散射计风速资料,对我国南海海域的海面粗糙度进行了初步的研究。卫星散射计测风具有高精度和高空间分辨率等特点,这对于研究海面粗糙度及波长、周期和波陡等波浪信息研究提供了坚实的数据基础。     

海面粗糙度方案的适用性研究

由量纲分析导出海面粗糙度与波龄及海面涌浪的状况有关,并对与波龄和波陡有关的两种海面粗糙度模型方案进行了敏感性测试,得出利用波龄模型方案计算粗糙度的误差比利用波陡模型方案小。基于国际上6个不同水深、风区和海况条件的海气交换试验资料,将其分为两组,一组是纯风海或以风海为主海况条件,另一组是以涌浪为主海况条件,测试波龄、波陡模型海面粗糙度方案在不同试验条件下的适用性。结果得出:在各种海况条件下,波龄模型粗糙度方案比波陡模型具有更好的普适性。在纯风海或以风海为主海况条件下,PS07,DGHQ03方案计算的粗糙度长度与实测资料计算结果最接近,GW06方案次之,O02方案计算结果明显偏高;涌浪为主海况条件下两种模型方案计算的粗糙度长度均偏低,O02方案计算的粗糙度长度误差相对较小,TY01方案误差最大。     

基于Aquarius数据的粗糙海面L波段辐射模型研究

Aquarius是NASA于2011年6月发射的基于主被动遥感技术的盐度观测卫星,其主要载荷是一个工作于L波段的微波辐射计。Aquarius天线三波束扫描刈幅可达390km,在7d内完成对全球海域的盐度观测。海面风浪导致海面粗糙度的变化,进而影响海面微波辐射特性。粗糙海面辐射亮温是盐度信息提取的重要误差源,需要发展相应的海面辐射模型进行修正。本文利用Aquarius观测的海表亮温数据,与扫描微波辐射计WindSat测量数据进行时空匹配,建立了一个描述粗糙海面L波段辐射特性的参数化模型,进而利用该模型进行了海表盐度反演,并将反演结果与Argo实测盐度数据进行了比较。结果表明,本文发天展的参数化模型可以准确描述中低风速条件下的粗糙海面辐射,在12m/s以上高风速条件下对粗糙海面亮温存在高估;采用此模型反演的盐度误差优于0.5,在高风速条件下盐度反演误差可超过1。     

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。     

各向异性海面全极化微波双站散射的仿真与分析

为了解各向异性随机粗糙海面的微波双站散射机制及其特性,本文利用解析近似的积分方程模型以及一种改进的半经验海浪谱模型实现了对各向异性随机粗糙海面的全极化微波散射仿真模拟,并与卫星观测数据、经验的地球物理模式函数及已有的解析近似散射模型仿真结果进行了对比,验证了仿真结果的可行性和准确性。利用该模型分析了入射波频率、入射角、极化方式、海面风速及风向等参数对各向异性海面双站散射的影响。模拟结果表明,在不同的入射角、散射角及方位角等观测几何条件下,海面不同波段的双站散射表现出不同的空间散射特性,且对风速、风向等海面动力学参数表现出不同的敏感性,以L波段为例,海面向后半球双站散射在各个极化方式下都对风速较为敏感,而在同极化方式下,其对风向的响应在中低风速和高风速条件下相反,整体而言,低风速下海面双站散射对风向更为敏感。这表明对于海面动力参数的反演,双站散射可以提供比传统单站雷达后向散射更丰富的物理信息。本文探讨了各向异性海面微波双站散射特性,为基于主动式及分布式微波传感器的海洋动力参数遥感反演提供了理论分析基础。     

波浪非线性对海草消波特性的影响

海草所形成的植物消波体系能有效防止岸线的侵蚀。利用Sánchez-González等的实验数据分析了波浪非线性对海草消波特性的影响。研究结果表明,相对水深和波陡对海草床的波能衰减系数影响依赖于海草淹没度。相对波高一定时,拖曳力系数随相对水深的增大而增大。对给定的相对水深,拖曳力系数随波陡的增大而减小。波浪非线性对于规则波和非规则波海草消波特性的影响并不一致。用无量纲参数（邱卡数、雷诺数、厄塞尔数）表达拖曳力系数的效果取决于拖曳力系数与无量纲参数的关系中是否充分考虑波浪非线性对拖曳力系数的影响。