利用X波段雷达图像估计有效波高

海浪有效波高与雷达的海杂波强度有关,但是无法直接由雷达图像得到.借鉴运用SAR图像计算有效波高的方法,即假设有效波高与雷达回波强度信噪比的平方根成线性关系,可以由X波段雷达图像计算得到海浪的有效波高.将在小麦岛和南海分别进行的岸基试验和船基试验获得的浮标资料和雷达资料结合起来分析,结果表明用X波段航海雷达测量有效波高的最大误差不超过9%.     

近45 年北印度洋海表风、浪特征研究

基于第三代海浪数值模式(WAVEWATCH-Ⅲ),以ERA-40海表风场为驱动场,得到北印度洋1957年9月～2002年8月的海浪场,并分析其特征.研究发现,北印度洋1958～2001年年平均海表风速和有效波高均呈缓慢递增趋势;北印度洋的海表风速、有效波高存在2.36～5.2 a左右的共同周期及26 a的长周期震荡;北印度洋海域年平均海表风速、有效波高的突变形势与冬季相似,突变期在20世纪80年代初.本研究可以为在北印度洋这一重要战略通道上作业的船只提供重要参考.     

西北太平洋浪流相互作用对有效波高的影响研究

西北太平洋强流区会对海浪的特征和分布产生显著的影响,尤其是研究台风过程中海流与海浪的相互作用具有重要的研究意义。本文以ROMS海洋模式和SWAN海浪模式为基础,构建了浪流耦合模式系统,对2013年10月6-17日间的台风“丹娜丝”、“百合”、“韦帕”过程中西北太平洋浪流相互作用中海流对有效波高的影响进行了研究。通过对比模式模拟有效波高与浮标观测资料,发现耦合后的有效波高比非耦合结果更接近观测值,耦合模式中海流的存在对有效波高的分布有明显的影响。研究表明,特别是在有效波高峰值处,海流引起的有效波高增大最大可达1 m。海浪浪向及流向的空间分布以及中国近海浮标处浪向与流向的时间序列表明,流向与浪向反向时,海流的影响造成有效波高增大;二者同向时,有效波高减小。海流对有效波高的调整会沿着海浪传播的方向传播相当一段距离。在西北太平洋的海浪场计算中,引入海流的耦合模式计算结果对改善强流区海浪预报具有重要意义,并且海流的模拟精度对于高精度的海浪预报非常重要。     

双峰谱型海浪的统计性质

本文利用收集到的实测双峰谱型海浪过程资料,分析讨论了双峰谱形下波高、周期的统计分布,以及波高与周期联合分布及混合浪的有效波高和有效波周期的计算问题,得到若干重要结论.     

神经网络方法对海浪有效波高数值模拟的改进

结合东北太平洋浮标资料,使用神经网络模型对WAVEWATCHⅢ海浪模式模拟的有效波高进行训练模拟,并与增加风场作为输入项的神经网络模型作了对比分析。通过分析浮标观测资料、WAVEWATCHⅢ数值模式和神经网络模拟的海浪有效波高大小,可以看出使用神经网络结合数值模式能够较好地提高有效波高的模拟精度。     

挪威北海最大波高的影响分析

最大波高作为表征海浪强度和危险程度的重要指标,既是设计波浪推算的依据,同时又对海洋预报有重要的作用。基于瑞利分布得到的最大波高公式,不能体现波陡和谱宽度等非线性因素的影响,由该公式得出的理论最大波高与实际观测值有偏差。采用相位平均方法的海浪数值模型分析,可以根据海浪谱计算得到有效波高,却无法给出最大波高。本文通过分析挪威北海定点十年的船测波面资料,得出波浪谱,进一步推算出波陡和谱宽度对最大波高的影响。首先提出一种实测波数的替代方式,然后分别研究波陡和谱宽度对最大波高的影响。研究发现随着波陡和谱宽度的增加,Hmax/Hs逐渐减小,并拟合出最大波高与Cartwright谱宽度参数的公式,得到较好的拟合效果。     

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。     

海浪波高序列的Cauchy统计模式和分式统计模式

根据海浪波高序列的长期相关性和自仿射分形结构,本文提出了两种新的波高序列模式:Cauchy统计模式和分式统计模式.前者将实测的有限个波高值作为Cauchy初始条件,应用自仿射定理对波高序列今后的取值在统计意义上作出预报;后者适用于在计算机上模拟海浪波高的统计特性.应用实测资料对模式的检验结果表明,上述两种模式在预报和模拟海浪波高序列时均能达到较高的精度;它们为海洋工程设计人员提供了有力的手段.     

海浪搅拌混合对北太平洋海表面温度模拟的影响

利用NCEP再分析风场驱动WAVEWATCH III海浪模式对北太平洋海域的海浪过程进行模拟,利用浮标观测资料对模拟出的海浪要素有效波高进行验证,发现他们之间具有很好的一致性。基于模式输出的有效波高等波浪要素,利用特征波参数化理论,在海洋环流模式中引入海浪搅拌混合作用,分析其对北太平洋海表面温度模拟的影响,初步数值模拟结果表明,sbPOM模式在考虑海浪搅拌混合作用以后,模拟精度进一步提升,这对提供一个准确的大气模式下边界条件具有重要作用。     

基于WWATCH模式和高度计数据的几内亚湾海域海浪的数值计算

我国与非洲国家的经济往来和能源合作日益密切,研究几内亚湾及其附近海域海浪特点对此具有重要意义。将第三代海浪数值模式WWATCH模式应用于几内亚湾及其附近海域,以美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析风场资料作为模式输入,对该海域2004年的海浪场进行了数值计算。利用计算结果分析了2004年2月和8月几内亚湾及附近海域的海浪特点,将模式计算的有效波高与Topex/Poseidon高度计观测的有效波高进行对比,结果表明,模式有效波高的大小和变化趋势与T/P高度计有效波高具有良好的一致性,其中在深海海域计算效果好于浅海海域。     

星载高级合成孔径雷达波模式算法及其反演数据精度验证

搭载在欧洲环境卫星(ENVISAT)上的高级合成孔径雷达(Advanced Synthetic Aperture Radar,ASAR)二级波模式数据提供了诸多海浪信息包括有效波高、波向、波长和二维海浪谱等,在海浪预报模式中具有重要作用。本文拟利用浮标观测数据对ASAR波模式算法及其反演数据精度进行对比验证。由于SAR卫星在海面的特殊成像机制,不同海况下会有不同的测量结果,通过与美国国家浮标中心(NDBC)的浮标数据对比,显示ASAR有效波高在高海况下低估和在低海况下高估的现象,在中等海况下的测量结果较优。通过研究ASAR数据集中对应的海浪谱,按照能量与方向分布可分为四种类型:单一方向海浪谱(Ⅰ类谱),180°方向模糊海浪谱(Ⅱ类谱),海浪两个方向且能量分布杂乱(Ⅲ类谱),多个传播方向且谱型杂乱海浪谱(Ⅳ类谱)。探究在不同类型下的海浪参数的精度,结果表明在单一波向正常海浪谱情况下,有效波高、波向与浮标数据一致性较好,存在180°方向模糊的对称海浪谱仅有效波高精度较高,谱型杂乱的海浪谱海浪有效波高和波向反演结果均较差。     

长江口附近海域周年波浪特征分析

本文利用长江口附近海域2011年1月—2011年12月长达1年的海浪实测资料,对海浪基本要素及大浪过程与热带气旋活动的关系进行统计分析,并选取一个典型台风过程的波浪进行研究。研究结果表明：观测点年有效波高H_s平均值为1.2 m, 1月平均有效波高H_s值最大,受台风影响,最大有效波高出现在8月,达7.4 m;观测期间,有效波高H_s多集中在2 m以下范围内,有效周期T_s在3～14 s之间;本地区的有效波高H_1/3和风速U₁₀具有较好的指数关系;强台风“梅花”活动期间,波型变化与一般台风浪波型的演变规律较为一致。     

基于HY-2 卫星观测分析南海风浪关系

海面有效波高(H1/3)是表征海浪的重要参数,随着卫星遥感技术的发展,雷达高度计已成为获取海面有效波高的重要手段,但也只能对卫星星下点轨迹处进行有效观测,远无法满足大范围应用的需求.本研究结合2013年10月HY-2雷达高度计观测的海面有效波高和微波散射计观测的海面风场资料,分别对高、低风速下风浪数据进行拟合,建立了适用于0~40 m/s风速范围内的南海海域风浪关系模型,经模型比对和结果验证,结果表明,基于HY-2卫星数据分析建立的南海海域风浪关系模型是可信的,特别是低风速的风浪模型与实测数据建立的风浪模型具有很好的一致性;根据建立的风浪关系模型,从卫星散射计大面观测的海面风场出发,能推算出风浪条件下海面有效波高的大面信息,数据覆盖远高于卫星高度计的星下点观测,能为分析和预报海浪、风暴潮灾害提供大范围的海面有效波高信息.     

支持向量回归的机器学习方法在海浪预测中的应用

基于支持向量回归(SVR)方法,建立了渤海海域近岸海浪有效波高短期预测模型,并设计了多组风浪信息组合输入方案,开展了有效波高预测敏感性试验。研究发现:综合考虑当前风浪信息作为模型的输入,对3 h和6 h有效波高预测具有较高的预报技巧,但随着预测时效的延长其预测准确性迅速降低;若此时引入未来预测风速信息作为模型输入,则可极大提高对12 h和24 h有效波高的预测能力;此外,若输入信息与预测对象之间不存在显著相关,多个信息的输入对有效波高预测效果提高无显著作用。建立的机器学习模型对小样本数据集具有良好的适应能力,能够有效解决海浪预报中的非线性问题,可为近岸海浪有效波高短期预测提供合理的技术参考。     

基于X波段雷达海面波高估计的改进方法

船用X波段导航雷达凹波形成的海杂波图像中包含丰富的海浪、海表层流信息.借鉴合成孔径雷达(SAR)估计有效波高的方法,假设有效波高与雷达回波强度信噪比的平方根成线性关系,可由X波段雷达图像估计得到海浪的有效波高.用此方法主要分析小麦岛海域实验数据,结果显示,直流滤波后计算的信噪比估计的有效波高比不进行直流滤波结果符合得好;而按波浪浮标测得有效波高数据的高低,分两段分别进行线性拟合获取校准系数,估测的有效波高更加准确.     

X-波段雷达近海海浪频谱反演的神经网络模型

X-波段雷达作为国内海浪观测的一种新工具,在海浪频谱获取和有效波高反演方面仍存在较多问题.本文利用非线性回归方法,将现场实测浮标数据频谱和雷达一维图像谱分别与标准频谱模型进行拟合,发现浮标频谱和一维图像谱具有标准频谱的特征,能够较准确地获取相应的谱参数.提出了建立由雷达一维图像谱参数反演海浪频谱参数的神经网络模型,同时在模型中加入影像序列信噪比,进而反演有效波高,并将反演结果与现场实测数据和传统算法(建立影像序列信噪比与有效波高之间的线性回归方程)进行了对比,结果表明,获取谱参数的误差和反演有效波高的平均误差在20％以内,而传统算法计算有效波高平均误差在20％以上.     

基于实测数据的台湾海峡中部波浪特征分析 *

利用台湾海峡中部2号大浮标2017年全年的实测波浪资料, 对海浪的基本波要素及其与风的相关性、波谱特性进行统计分析, 得出了重要特征波参数之间的回归关系和适合台湾海峡中部的海浪谱形式。研究结果显示: 1) 台湾海峡中部的常浪向是NE向, 强浪向是NNE向, 月均有效波高的变化范围为0.87~2.98m, 7月波高最小, 12月波高最大, 波周期与波高有着相似的月际变化趋势; 2) 主要波浪类型是以风浪为主的混合浪, 谱型上以单峰为主, 波高与风速整体上呈正相关关系, 大浪主要由台风和强劲的东北季风引起; 3) 波浪的平均周期与大部分特征波周期之间具有良好的线性相关性, NNE、NE方向的波浪有效波高和有效波周期线性相关性较强; 4) 相比于Jonswap谱, 规范谱一是更符合本区域的海浪谱模式, 给出了基于有效波高和谱峰周期拟合的规范谱一形式。这些研究成果可为海洋工程设计和波浪数值模拟提供参考。     

热带气旋风场非对称性对表面海浪场的影响

用WAVEWATCHIII海浪模拟了5个不同风场结构的热带气旋下海浪平均要素和海浪方向谱来研究其对风场非对称性的响应。结果表明热带气旋诱发的海浪场对风场的非对称性很敏感。随着风场非对称性加强,有效波高除了左前象限增加以外在其他所有象限内都减小,且有效波高场的非对称性增强,并且非对称轴逆时针旋转,同时,有效波高最大值的位置向前移动。风场的非对称性对其他平均要素也有影响,尤其在左后象限最明显,例如平均波长,平均波向,波峰方向等。风场的非对称性对海浪谱的多峰性以及主导波的频率和传播方向都有很重要的影响。     

石岛海域海浪数值模拟及特征分析

本文基于SWAN(Simulating Waves Nearshore)模式研究了2001～2016年石岛海浪有效波高的季节和年际变化特征,评估了不同区域风场对其贡献,并探讨了其与ENSO的关系。结果表明,石岛有效波高受黄海季风系统的影响呈现显著的季节变化:12月份最大, 6月份最小, 1%大波有效波高季节变化不显著。石岛有效波高年际变化信号显著,其与风速年际变化之间的关系存在季节性差异:石岛有效波高和石岛、黄海区域平均风速不同月份的年际异常分别在7、10月份相关性较高,而石岛1%大波有效波高和石岛、黄海区域平均1%大风风速不同月份的年际异常则在8月份左右相关性最高。不同区域风场对石岛有效波高场的影响也呈现了季节性差异:夏季,黄海南部区域风场对石岛海浪的贡献较大,而石岛风场的贡献较小;冬季,石岛风场的贡献较大。ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)事件会对石岛有效波高的年际变化产生一定的影响,但影响比较小。本研究旨在对石岛海浪在季节和年际尺度上的变化特征以及风场等影响因素进行研究,对该海域海浪场进行了详细的认识,对了解该海域海浪有重要意义。     

卫星高度计波高数据同化对西北太平洋海浪数值预报的影响评估

通过数值试验验证卫星高度计波高数据同化对西北太平洋3 d海浪预报的改进效果。驱动海浪模式的强迫场采用国家海洋环境预报中心基于MM5模式预报的风场,波高数据同化使用的观测数据是Jason-1卫星高度计有效波高。用最优插值数据同化方法获得海浪有效波高的最优估计并重构相应的海浪方向谱,以此为初始场进行为期3 d的数值预报试验。与没有同化的预报进行了比较和分析,结果表明卫星高度计海浪数据同化对0~72 h预报有不同程度的明显改善,改进程度随预报时效的增加而减少。