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。     

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。     

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。     

活跃破碎的图像识别

破碎波峰线长度的速度谱Λ(c)及其高阶矩是研究破碎能量耗散、动量通量等关键问题的有效工具。活跃破碎的图像识别是正确计算Λ(c)的一个关键前提。Kleiss等2011年给出了一种基于对数累积灰度函数(L)的导函数区分活跃破碎与尾迹的阈值方法,但阈值的确定仍存在一定的主观性,得到的破碎阈值可能偏低。我们通过对渤海海域拍摄的白冠破碎观测资料的分析,发现L函数的二阶导数往往存在稳定的次峰,次峰所对应的灰度值正可作为区分活跃破碎与尾迹的灰度阈值,由此提出一种基于L函数二阶导数次峰的阈值确定方法。     

乳山湾邻近海域波浪特征要素规律研究

基于高分辨率MASNUM第三代海浪模式并根据Yuan等(2009)提出的波浪破碎统计物理模型,对乳山湾外海2008年各个季节波浪特征要素(有效波高和跨零周期等)与波浪破碎参数(白冠覆盖率、卷入深度和破碎能量损耗率)进行了数值模拟。利用Janson-1卫星高度计观测资料对有效波高模拟结果进行了检验,平均误差在0.17m左右。模拟结果显示,该海域波浪参数具有明显的季节变化特征,在2008-08乳山湾邻近海域受大风天气过程影响期间,有效波高在1.0~1.8m,破碎参数变化显著,白冠覆盖率最大达4.5%,卷入深度在1.5m以上,相应的破碎能量损耗率量值在6~11kg/s3。结果表明,波浪破碎过程对该区域海洋动力环境有着重要影响,是造成乳山湾口表层高溶解氧的可能机制之一。     

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。     

一个新的破碎波统计模式

由运动方程和涡度方程所导得的两个首次积分估计给出了海波破碎的发生条件和破碎波的波面限制。由这两个条件所构造的新的破碎波统计模式，可导出海波的破碎面积率、破碎体积率和破碎能量损耗率的解析表达式，加之一个简单的白冠物理模型又导出了一个新的白冠覆盖率的解析表达式。     

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...     

表面波破碎泡径谱的理论研究

采用新的无量纲变量组合推导出波浪破碎形成的气泡总数与气体体积卷入率、湍流能谱密度以及表面张力之间的关系;利用观测结果提出两点假设,并据此将泡径谱N(a)推广为随泡径和深度的分布函数N(a,z)。     

白冠统计物理模型的验证——Ⅰ.二维等间距投影图的数字化方法研制与应用

近几十年以来,随着海洋观测技术的提高,海洋观测数据大量增加,极大地推动了海洋研究的发展,但由于某些原因,部分数据只以图像形式对外发布,很难获取其原始数据,这给科研工作的及时开展带来了诸多不便。本文基于MATLAB软件的图像和数据处理功能,提出了一种二维等间距投影图像的数字化方法,可实现图像信息快速准确的抓取,并以Levitus的全球海表温度为例,验证了数字化过程的可靠性。数字化结果与原始数据比较显示,平均误差为0.147℃,绝对平均误差为0.215℃,均方根误差为0.275℃,数字化结果与原始数据吻合较好。最后,本文将该方法应用到2001-02,2001-05,2001-08和2001-11卫星反演的白冠覆盖率图像中,所获数字化结果将应用到下一步统计物理白冠模型的验证工作中。     

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。     

黄海海浪季节变化的数值模拟研究

利用第三代海浪数值模式SWAN,研究了黄海海浪有效波高的季节变化特征及相关的物理过程。结果表明,在黄海的大部分区域,混合浪有效波高的最大值出现在冬季,而最小值则基本出现在夏季。北黄海北部和山东半岛南岸的近海海域呈现稍微不同的季节变化,有效波高的最大值出现在春季。全年4个季节中混合浪有效波高的空间分布基本一致:均在济州岛西南最大,沿黄海中部区域向北和由中部区域向近岸区域逐渐减小。黄海海浪为风浪占主,涌浪有效波高远小于风浪有效波高。在黄海的大部分区域,白冠耗散和四波非线性相互作用对黄海海浪的季节变化均至关重要;对于外海区域,四波非线性相互作用更为重要,而对于近海区域,白冠耗散则影响更大。本研究旨在研究黄海海浪的季节变化特征及其物理过程,为进一步探讨该海域海浪在其他时间尺度上的变异特征和动力学过程提供研究基础。     

福建崇武海区波要素统计分布

本文利用福建崇武海区59次波浪连续观测记录,经统计分析,给出本海区波高、周期一元分布函数及波高-周期联合概率密度分布函数,并计算出波高、周期的特征值。     

风浪破碎判据的实验检验

利用已有风浪破碎实验观测数据检验了风浪破碎判据的可靠性。实验测量了风浪波面位移的时间序列,并人工同步标记出破碎发生的时刻。研究了4种常用判据,包括波陡、瞬时波面斜率、波峰水质点水平速度与相速度之比,以及波峰水质点向下加速度与重力加速度之比。采用破碎判据对所测风浪序列中的破碎波进行识别,根据人工标记数量计算破碎率以确定破碎阈值。计算结果表明,几何判断阈值接近Stokes波极限值,而运动学和动力学判断阈值则明显偏离。进而检验了判据识别出的破碎波与人工标记破碎波的一致性。在达到破碎阈值的波中,约35%~55%与人工标记相对应,约有45%~65%的波,虽然满足了阈值条件,却并未发生破碎,说明风浪的破碎可能并非完全取决于其中任一判据所关注的波浪特征量。     

海洋内波破碎问题的研究

从理论、观测、数值实验和实验室实验四个方面对国内外近20年来关于海洋内波破碎问题的研究成果进行了分析总结.数值实验和实验室实验表明:中高频内波破碎时,初始的不稳定是二维的,当最终有横向对流卷团形成时,能量开始大量耗散,这时不稳定发展成为三维的;从初始的二维不稳定到对流卷团的产生这一过程,到底是一个剪切不稳定过程,还是一个对流不稳定过程,或者是对流不稳定和剪切不稳定共同存在的一个过程,取决于海水的层化、地形、背景剪切流和内波的自身性质.现场曾观测到内孤立波破碎时存在的剪切不稳定过程,数值研究模拟出了内孤立波破碎时存在的对流不稳定过程.现有的海洋内波破碎判据主要是关于中高频海洋内波的.理论分析侧重于确定线性或弱非线性内波的破碎机制和破碎条件.     

矩阵体积法原理及其在水下差分GPS定位中的应用

给出了矩阵体积法的原理和方法,并使用矩阵体积法研究了水下差分GPS定位中设计矩阵的态性,导出了星形空间网中设计矩阵的体积与观测向量高度角参数的函数关系式,为研究星形空间网图形强度提供了数学模型。     

同化海温观测数据研究波浪破碎对海洋上层结构的影响

首先利用考虑波浪破碎效应的Mellor-Yamada 2.5阶湍流闭合方案,探讨了海表温度(SST)对波能因子α和Charnock数β的敏感性问题。然后采用变分数据同化途径,基于Papa海洋天气站(OWS Papa Station)的上层温度观测数据,对该参数化方案中的波能因子α和Charnock数β两个参数进行了最优估计。最优估计的结果表明,当α约为167、β约为4.1×105时,价值函数达到最小值。利用上述参数的最优估计进行海温的数值模拟,可以较好地反映出海表温度的日变化和月变化过程,模拟的上混合层的温度和深度也与观测较为一致。最后利用以上参数的最优估计结果对湍动能方程进行诊断计算,研究了波浪破碎对海洋上层湍能量收支的影响。     

基于声传播时间的二维流场反演数值仿真研究

基于南海1998年夏季调查航次诊断计算的流函数场,选取越南以东偶极子发生海域,进行不同的声层析观测站位设置实验。模拟计算声线传播时间信息,然后应用基函数重建方法进行了流函数场的模拟反演研究,讨论了不同随机观测误差对反演结果的影响。研究结果表明该方法是可行的,在所选取的约833 km×833 km海域内,在观测海域外围配置19个声层析观测站位就能够很好地重构原流函数场,空间分辨率约为63.7 km,可以分辨模拟海域中尺度涡场结构,这是传统的基于海流计(CM)或声学多普勒剖面仪(ADCP)等观测方法所不能企及的。该观测技术和方法可以实际应用于近海大范围流场结构的遥感实时监测,为近海污染物等的扩散研究,海洋环境变化等提供实时观测流场资料。     

基于激波捕捉类Boussinesq模型对岛礁地形上波浪传播的数值模拟

为了探究激波捕捉类Boussinesq模型在模拟岛礁地形上规则波和不规则波传播的可行性,采用基于完全非线性Boussinesq方程并具有激波捕捉能力的数值模型Funwave-TVD对规则波和不规则波在岛礁地形上的传播进行了数值模拟,通过与试验数据对比,分析模型中空间步长的影响,验证模型在模拟波高、平均水位分布以及波谱空间演变的能力,结果表明:采用合适的空间步长,模型能较好地模拟规则波和不规则波在岛礁地形上的传播和演化过程。对于规则波,较小的空间步长可改善破碎点处波高峰值的预测,并能更好地预测波浪破碎后波高的空间分布,相比结合经验破碎的Boussinesq模型,Funwave-TVD能更好地模拟规则波在岛礁地形上的破碎,以及破碎以后行进涌波的再生成过程;对于不规则波,Funwave-TVD总体而言能较好地模拟涌浪有效波高、次重力波的生成及空间演化和平均水位,但会低估礁坪上次重力波波高,较粗的空间步长也会低估礁坪上涌浪有效波高。     

基于SWAN模式的南海台风浪推算的影响因素分析

基于南海实际地形和真实的台风过程,对影响SWAN模式在南海台风浪推算中的准确性的因素进行了较系统的研究。首先对不同的模型风场进行了对比分析,结果表明一个准确的风场是正确推算台风浪的关键。同时对SWAN模式中的白冠耗散作用、风能输入与白冠耗散不同的组合方式和折射项作用等因素对台风浪推算的影响进行分析,并对模式中的各影响因素给出了合理建议。使得SWAN模式在南海台风浪推算中具有更好的适用性。