台湾近海水文观测体系的构建及其数据分析方法

台湾岛地处亚欧大陆和太平洋交界处,台风、东北季风等所引起的海洋灾害频繁,所以建立完备的海洋水文观测体系显得尤为重要.中国台湾自主建置完成的近海水文观测体系由资料浮标站、观测桩、潮位站、岸边气象站、雷达测波站等多种近海水文观测系统构建组成;同时,为确保观测体系的准确性和规范性,还建立了数据品质管理系统和标准化作业模式.在近海水文观测数据的分析方面,尝试应用新的数学分析方法,如通过EMD(empirical mode decomposition)方法探讨风暴潮水位变化,利用小波转换从雷达观测影像中分析近岸波浪信息,以及发展数据同化技术将观测数据应用于作业化波浪现报、预报模式.此外,近海水文观测体系在社会应用方面有着很大的发展潜质.     

3套不同的SST再分析数据与中国近海浮标观测的对比研究

基于自然资源部浮标数据,通过分析均值差、均方根误差、相关系数和标准差偏差4个统计量,检验了2018年7月1日至8月6日全时段及该时段内3个台风(1808号台风"玛利亚"、1810号台风"安比"、1812号台风"云雀")过境期间,3套海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)再分析资料(OISST、OSTIA SST、RTG SST)在中国近海区域的可靠性。对比结果表明,在全时段内,3套SST再分析资料都能在一定程度上反映中国近海SST的基本状况,其中OSTIA SST资料同浮标实测SST数据的均值差为0.12℃、相关系数为0.94,均优于OISST资料(均值差为–0.85℃、相关系数为0.90)和RTG SST资料(均值差为–0.17℃、相关系数为0.86)。通过对比单个浮标数据发现,相较约80%的MF浮标实测SST数据,OSTIA SST资料都显著优于RTG SST资料和OISST资料,具有较高的可信度。在台风过境期间,较之RTG SST资料和OISST资料,OSTIA SST资料同大部分浮标实测数据的均值差绝对值及均方根误差更小、相关系数更大,表明在高海况...     

多源卫星高度计海浪资料在中国近海的验证及应用

Studies of offshore wave climate based on satellite altimeter significant wave height(SWH) have widespread application value. This study used a calibrated multi-altimeter SWH dataset to investigate the wave climate characteristics in the offshore areas of China. First, the SWH measurements from 28 buoys located in China's coastal seas were compared with an Ifremer calibrated altimeter SWH dataset. Although the altimeter dataset tended to slightly overestimate SWH, it was in good agreement with the in situ data in general. The correlation coefficient was 0.97 and the root-mean-square(RMS) of differences was 0.30 m. The validation results showed a slight difference in different areas. The correlation coefficient was the maximum(0.97) and the RMS difference was the minimum(0.28 m) in the area from the East China Sea to the north of the South China Sea.The correlation coefficient of approximately 0.95 was relatively low in the seas off the Changjiang(Yangtze River) Estuary. The RMS difference was the maximum(0.32 m) in the seas off the Changjiang Estuary and was0.30 m in the Bohai Sea and the Yellow Sea. Based on the above evidence, it is confirmed that the multialtimeter wave data are reliable in China's offshore areas. Then, the characteristics of the wave field, including the frequency of huge waves and the multi-year return SWH in China's offshore seas were analyzed using the23-year altimeter wave dataset. The 23-year mean SWH generally ranged from 0.6–2.2 m. The greatest SWH appeared in the southeast of the China East Sea, the Taiwan Strait and the northeast of the South China Sea.Obvious seasonal variation of SWH was found in most areas; SWH was greater in winter and autumn than in summer and spring. Extreme waves greater than 4 m in height mainly occurred in the following areas: the southeast of the East China Sea, the south of the Ryukyu Islands, the east of Taiwan-Luzon Island, and the Dongsha Islands extending to the Zhongsha Islands, and the frequency of extreme waves was 3%–6%. Extreme waves occurred most frequently in autumn and rarely in spring. The 100-year return wave height was greatest from the northwest Pacific seas extending to southeast of the Ryukyu Islands(9–12 m), and the northeast of the South China Sea and the East China Sea had the second largest wave heights(7–11 m). For inshore areas, the100-year return wave height was the greatest in the waters off the east coast of Guangdong Province and the south coast of Zhejiang Province(7–8 m), whereas it was at a minimum in the area from the Changjiang Estuary to the Bohai Sea(4–6 m). An investigation of sampling effects indicates that when using the 1°×1°grid dataset, although the combination of nine altimeters obviously enhanced the time and space coverage of sampling, the accuracy of statistical results, particularly extreme values obtained from the dataset, still suffered from undersampling problems because the time sampling percent in each 1°×1°grid cell was always less than33%.     

基于雷达水位计的海浪波高信息提取算法及其精度评价

为了证明雷达水位计波高测量的有效性,基于PY30-1石油平台上的雷达水位计海面高度变化观测数据,开展了雷达水位计海浪波高信息提取算法研究。基于所发展算法提取海浪波高信息,与同一平台上的C波段测波雷达观测数据及平台附近的浮标观测数据进行了比对分析。结果表明,雷达水位计数据提取的海面波高数据与C波段测波雷达及浮标测量数据一致性较好,二者标准偏差分别为0.006和0.008 m,均方根误差(RMS)分别为0.55和0.60 m。波高小于4 m时一致性优于波高大于4 m的一致性,波高大于4 m时水位计提取的波高偏小。因此,雷达水位计可作为波高观测的重要数据源之一。     

近海海域年最大波高计算方法的研究

本文基于海上与其附近沿岸台站短期观测资料的分析,提出了水文和气象两种计算方法。用这些方法,采用附近沿岸台站的观测资料,可以得到海上累年的最大波高。检验结果表明,水文方法比气象方法好。     

中国近海验潮站长期观测资料的潮汐调和分析

对我国近海厦门、大连、北海、连云港、坎门、汕尾、东方、海口、香港北角、名濑、那霸、吕四、闸坡、石臼所共14个验潮站多年潮汐资料进行了分析。对1 a调和分析结果中的8个分潮(Q1,O1,P1,K1,N2,M2,S2,K2)进一步进行了分离,得到各分潮的调和常数,并和1 a潮汐调和分析中的假定值进行了比较。结果表明,有些分潮存在较大误差。用19 a分析所得的调和常数代替传统1 a分析的假定值,能够提高潮汐分析和预报精度,减小误差。     

基于三种测波方法的实测数据对比分析

近海海洋工程波浪观测中较为广泛使用的测波方法主要包括压力式测波、声学测波和重力式测波等。三种观测方法各有优势,需根据历史资料、地理环境和任务目的设计合理的观测形式,可以选择一种或多种形式组合的形式,以达到最佳的观测效果。使用GPS测波浮标、AWAC声学海流/波浪测量仪和TWR-2050压力式波潮仪的实测资料进行了对比分析,结果显示,测波浮标与AWAC所测数据相关性较一致;TWR压力波潮仪与AWAC测量的波高趋势基本一致,但周期短、波高小的海域和时间段测量准确度较差。     

1010号台风“莫兰蒂”对福建近海风场的影响及其成因分析

分析福建沿岸区域气象自动站、近海气象浮标站等有关风的精细观测资料以及NCEP再分析、雷达反演风场等资料,研究了2010年第10号台风"莫兰蒂"影响福建期间,福建近海风场分布的特点及其成因,以寻找台风影响时福建近海风场预报的着眼点.结果表明:受到环境场及台湾海峡狭管效应,气流与中央山脉之间绕流、阻挡等共同作用,1010号台风"莫兰蒂"影响福建期间,大风在海区上主要集中分布在台风环流东部和福建北部海区;福建中部沿海最早出现大风;而大部分台风影响时间中,中部沿海风力大于北部、南部沿海风力,呈现中间大两头小的布局.特别是1010号台风"莫兰蒂",进入台湾海峡后发展成微型台风,靠近台风的测站在台风临近时才大风突起.而这种微型台风,大风天气突发性强,在风的精细预报中要特别注意短时临近的监控监测.对比各种资料的应用效果表明:NCEP再分析资料反映的主要是海区的大风分布;雷达反演风场,必须结合实况资料验证,具有一定的参考价值;近海浮标站资料,能较早反映台风影响时风场的演变特点,但近海浮标站所观测的海区风力不一定大于相近的沿岸区域气象自动站所观测的沿海风力,二者所观测到的风力、风向的变化与台风位置密切相关.在业务预报中,对近海浮标站资料的应用,还需深入研究,具体情况具体分析.     

基于海上风电场构建海洋水文同步实时现场观测系统的思考

海上风电是一种清洁的可再生能源。本文简述了海上风电发展概况, 并介绍了广东省在南海北部建设海上风电场的进展, 同时描述了南海北部一些典型的海洋水动力过程及其现场观测研究存在的难题; 最后提出利用海上风电场构建海洋水文现场同步实时网络系统的观点, 指出利用这些长期定点的网络式观测数据对研究海洋中小尺度动力过程等的优势。希望能为促进海上风电与海洋科学研究的融合发展提供参考。     

集合最优平滑同化方法的研究与应用

海洋状态场的历史变化过程对其分布状态有重要影响。在观测资料稀疏的情况下,合理利用历史观测资料能够为海洋数据同化提供大量有效信息。然而在目前的顺序资料同化过程中,往往只同化当前时刻的观测数据,没有考虑到历史观测资料对当前状态的约束。四维变分虽然可以体现变量在时间维度的演变过程,但引入伴随方程会增加计算代价。本文基于集合最优平滑同化算法（Ensemble Optimal Smoothing,EnOS）探讨了一种在数据同化中加入历史观测资料的简易可行方案,其能够根据历史观测数据估计当前状态,并进行单点同化实验和区域同化实验来验证该方案的有效性。实验结果表明,将历史观测资料引入到同化过程中可以把控时间演变趋势,减小分析数据与真实值之间的偏差,更有效地消除数值模式误差,提高同化质量。     

水质监测浮标数据采集和接收系统设计及其应用

1)文章设计了水质监测浮标数据采集系统, 该数据采集系统包括CPU模块、控制保障模块、通讯定位模块以及接口扩展模块; 采用CF2主板为CPU模块, 辅助以单片机为核心的多功能板, 主要用于完成采集数据、保存数据、通讯等工作; 控制保障模块设计有双“看门狗”, 实现了无人值守、全天候、全过程安全工作。2)文章还设计了水质监测数据远程接收系统, 该远程接收系统主要包括数据接收模块、数据处理模块、系统预警模块和数据显示模块等四个部分, 具有操作简便、自动化程度高、图形显示直观简洁易读等特点, 实现了数据接收、存储、显示及预警等功能。     

A comparison of sea-state parameters from nautical radar images and buoy data

Nautical radar and scalar buoy measurements of ocean wind generated waves have been analysed to compare the spectral parameters estimated from both sensors. The time series of different sea-state parameters and the differences and ratios of the values obtained from radar and buoy data using different analysis methods are compared. It has been observed that main differences between the sea-state parameters derived by using measurements obtained from both sensors result both from device characteristics and from the method of spectral estimation. In particular, it is shown that the Nyquist frequency has an important effect on the value of the sea-state parameters depending on spectral moments of order higher than zero.     

台湾海峡有效波高的SWAN模式与ERA-Interim数据对比分析

有效波高是描述海浪的关键参数。欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA-Interim再分析数据提供了全球海浪的有效波高,本文选取该数据在台湾海峡2013年3月份的有效波高结果,分别与浮标观测数据以及海浪数值模式SWAN （Simulating Waves Nearshore）的数值模拟结果相对比,来分析其预报效果。结果显示：在浮标点,ERA-Interim数据和SWAN模拟浪高数据与浮标浪高数据的时间相关系数分别为0.94和0.98,ERA-Interim数据的浪高均值约为浮标的51%,为SWAN模拟数据的70%。在台湾海峡区域,ERA-Interim数据与SWAN模拟浪高之间的空间异常相关系数（ACC）月均值为0.51,时序ACC曲线显示,一般在海峡东北口风初起时刻ACC值最小,在风吹遍海峡并增长的过程中,ACC迅速增加,在风速达到最大值之后,ACC开始下降,但ERA-Interim数据与SWAN数值模拟结果在整个海峡区域的浪高最大值与最小值分布位置基本一致。综合分析,ERA-Interim数据能够反映台湾海峡区域此时间段的有效波高的时空变化趋势,在数值上有明显低估。     

海洋雷达探测技术综述

通过简要回顾半个世纪以来海洋雷达技术发展历程的特点和规律,结合海洋雷达技术发展现状,介绍海洋雷达涉及的关键技术并进行应用场景分析。总结我国海洋雷达技术近30 a来的发展及其与国际水平的主要差距,提出"十三五"期间我国海洋雷达技术优先发展项目的建议,即超视距雷达广域海洋监测技术、浮动/机动平台高分辨率海洋雷达技术、新体制微波海洋雷达技术以及海洋雷达数据管理与应用技术等。     

Evaluation of reanalysis surface wind products with quality-assured buoy wind measurements along the north coast of the South China Sea

Three archived reanalysis wind vectors at 10 m height in the wind speed range of 2–15 m/s, namely, the second version of the National Centres for Environmental Prediction(NCEP) Climate Forecast System Reanalysis(CFSv2), European Centre for Medium-Range Weather Forecasting Interim Reanalysis(ERA-I) and NCEPDepartment of Energy(DOE) Reanalysis 2(NCEP-2) products, are evaluated by a comparison with the winds measured by moored buoys in coastal regions of the South China Sea(SCS). The buoy data are first quality controlled by extensive techniques that help eliminate degraded measurements. The evaluation results reveal that the CFSv2 wind vectors are most consistent with the buoy winds(with average biases of 0.01 m/s and 1.76°). The ERA-I winds significantly underestimate the buoy wind speed(with an average bias of –1.57 m/s), while the statistical errors in the NCEP-2 wind direction have the largest magnitude. The diagnosis of the reanalysis wind errors shows the residuals of all three reanalysis wind speeds(reanalysis-buoy) decrease with increasing buoy wind speed, suggesting a narrower wind speed range than that of the observations. Moreover, wind direction errors are examined to depend on the magnitude of the wind speed and the wind speed biases. In general, the evaluation of three reanalysis wind products demonstrates that CFSv2 wind vectors are the closest to the winds along the north coast of the SCS and are sufficiently accurate to be used in numerical models.     

X波段雷达近岸影像波谱分析

X波段岸基雷达作为一种新颖的海况遥感观测方式,可直接观测到实时的海况信息。通过对雷达影像的分析,能够获得海面上的波浪场。由于波浪在近岸的折射、浅化变形等原因,观测到的雷达影像场为近岸非均匀波浪场,在一定程度上限制了传统影像分析方法——傅里叶变换的应用。针对波浪的近岸非均匀性,将二维小波变换应用于雷达影像分析,子影像中6个空间点的波数谱显示:影像中的波浪非均匀性显著,主能量的波数呈现明显的增加趋势。二维小波变换应用到X波段雷达近岸影像处理中,可较好体现近岸波浪的非均匀性。     

我国海洋监测浮标技术及监测网现状及发展

海洋资料浮标可以在各种复杂的海洋环境中提供长期、连续、实时、可靠的海洋观测数据,是海洋监测技术中最可靠、最有效、最重要的手段之一。本文概述了海洋资料浮标的分类、主要理论及技术体系;总结了近年来国内海洋资料浮标发展的典型技术突破;介绍了我国目前海洋监测网的构成、应用情况,并对比了我国海洋资料浮标与国际先进国家的技术水平差距,在此基础上,结合我国当前面临的形势及需求,展望了海洋资料浮标及监测网技术的发展趋势。     

一种新型海洋环境监测系统的静力分析和姿态计算

介绍了将浮标与潜标相结合的一种新型海洋环境监测系统的静力分析和姿态计算方法,结合MAT-LAB编程给出了在0～2 m/s流速范围内主浮标、主潜标和缆绳的受力、倾角情况,为确保系统能在水下长期可靠地工作提供了理论依据.