基于拟层流风波生成机制的海浪谱模型

海浪谱的能量可以视为由具有不同相速度的谐波携带的能量所组成。基于对风波形成、发展过程的认识,认为各组成谐波的能量由谐波自平均风摄取而来,由此根据拟层流模型推导出谐波能量密度的计算公式,建立以等效风速和峰值频率等为基本参数的海浪谱模型——随机Fourier函数模型,并给出了确定谐波频率、波长、相速度、振幅以及等效风速等模型参数的原则和计算方法。在59个实测样本谱基础上,采用随机建模方法确定模型参数的取值及其概率分布。结果表明,海浪谱模型可以很好地预测谱能,所计算的物理谱与实测谱均值吻合良好。     

一种改进的随机起伏海面的仿真方法

根据线性滤波器模型的基本原理,提出了一种改进的基于高阶滤波器的随机起伏海面仿真方法.利用Pierson的半经验海浪谱模型,得到了各种不同风速条件下海面随机起伏的仿真结果,并且对仿真结果进行了比较和讨论,结果表明,利用高阶滤波器方法能更加准确地仿真不同风速下的实际海面、更好地再现随机起伏海面的海浪谱特征.这一方法的提出为海浪的物理模拟实验提供了更为准确的数值计算方法,也为研究目标与海面共存条件下高频地波雷达信号的回波特性提供了更好的数值仿真平台.     

旋转层化二维海洋波动连续谱的波包特征分析

对旋转层化二维海洋波动中重力惯性波和涡旋波连续谱波包的结构以及演变特征作了计算和分析,并得到以下结论:这两类波动的结构与演变各不相同。连续谱波包的演变不但依赖基本场的分布,而且还依赖初始扰动的结构。根据初始场的不同,扰动可衰减,也可先增长、再衰减,有时增长还很大,但其最终是衰减的。连续谱波包的结构随时间变化,然而构成该波包的连续谱其结构则不随时间变化,这是两者的最大差异。连续谱波包的上述演变特性表明,在有限时段扰动的演变中连续谱是不能被忽略的,在海洋波动演变中连续谱和离散谱的作用均须予以考虑和重视。     

北极海域海面风场和海浪遥感观测能力分析

卫星遥感是开展北极海域海面风场和海浪分布特征与变化规律研究的重要手段。本文基于在轨多源卫星遥感数据,从遥感观测空间覆盖、时间覆盖和多源卫星遥感数据融合等方面开展北极海域海面风场与海浪遥感观测能力分析,研究主要结果为:基于ASCAT和HY-2A散射计可实现北极海域海面风场遥感观测,通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于12 h和0.1°的海面风场遥感融合数据;基于HY-2A、CryoSat-2、SARAL和Sentinel-3高度计可实现北极海域海浪遥感观测,同样通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于1 d和0.25°的海浪有效波高遥感融合数据;基于2016年北极海面风场和海浪遥感融合数据,分析得出北极海域海面风场和海浪在2月处于极大值,然后逐渐减小,7月最小,随后开始逐渐增大。本研究表明,基于多源散射计和高度计遥感观测可实现北极海域海面风场和海浪的高时空分辨率遥感业务化监测。     

机载波谱仪海浪谱反演方法及其验证

为了验证波谱仪反演二维海浪谱的功能,根据海浪波谱仪的信号形成机制,总结了机载波谱仪反演海浪的流程。利用机载波谱仪回波数据,通过自相关和互相关两种功率谱估计方法,反演了二维海浪谱。最后通过与浮标测量的二维海浪谱进行对比,验证了该机载波谱仪探测二维海浪谱的有效性。结果表明,无论采用自相关函数还是互相关函数进行功率谱估计,得到的主波波长和有效波高与实际二维海浪谱基本一致。互相关函数法得到的交叉谱能去除180°模糊现象,其在计算有效波高时相对于自相关函数会稍微偏小。在计算斜率方差时可以采用5°~12°入射角范围的后向散射系数进行公式拟合,因此定标与否并不影响最后的二维海浪谱结果,未来星载波谱仪只有靠多波束联合才能实现。     

Satellite-based RAR performance simulation for measuring directional ocean wave spectrum based on SAR inversion spectrum

Some missions have been carried out to measure wave directional spectrum by synthetic aperture radar (SAR) and airborne real aperture radar (RAR) at a low incidence. Both them have their own advantages and limitations. Scientists hope that SAR and satellite-based RAR can complement each other for the research on wave properties in the future. For this study, the authors aim to simulate the satellite-based RAR system to validate performance for measuring the directional wave spectrum. The principal measurements are introduced and the simulation methods based on the one developed by Hauser are adopted and slightly modified. To enhance the authenticity of input spectrum and the wave spectrum measuring consistency for SAR and satellite-based RAR, the wave height spectrum inversed from Envisat ASAR data by cross spectrum technology is used as the input spectrum of the simulation system. In the process of simulation, the sea surface, backscattering signal, modulation spectrum and the estimated wave height spectrum are simulated in each look direction. Directional wave spectrum are measured based on the simulated observations from 0° to 360°. From the estimated wave spectrum, it has an 180° ambiguity like SAR, but it has no special high wave number cut off in all the direction. Finally, the estimated spectrum is compared with the input one in terms of the dominant wave wavelength, direction and SWH and the results are promising. The simulation shows that satellite-based RAR should be capable of measuring the directional wave properties. Moreover, it indicates satellite-based RAR basically can measure waves that SAR can measure.     

星载合成孔径雷达海浪图像谱仿真研究

利用Hasselm ann 的完全非线性积分方法对文氏海浪谱的星载合成孔径雷达(SAR)图像谱进行了仿真研究。结果表明: (1) 在星载SAR海浪成像过程中, 速度聚束调制远比水动力调制、倾斜调制和距离向聚束调制重要;(2) 图像谱有180°的方向模糊和方位向的高波数截断,距离向传播海浪的图像谱存在双峰现象; (3) 不同极化方式和雷达视向的选取对图像谱无明显影响, 因而对于海浪的星载SAR遥感而言, 可以采用单一极化和单一视向。对于不同成长状态的风浪而言, 以上结果保持不变。     

基于波谱密度特性的海浪仿真研究

基于密闭液体的体积变化导致压力变化的特性,研制出了一种高响应、高精度的海浪仿真器,能够模拟海浪对任意水深处的影响作用。在保持微小频率段内总能量相等的条件下,通过规则波的合成,获得了描述已知波谱密度的海浪,并由海浪仿真器模拟出了任意水深处所受到的海浪作用,频谱分析表明模拟海浪具有与真实海浪相一致的波谱密度特性。     

基于高频地波雷达的多时间尺度海流研究

近海海流受多种动力过程及岸线岛屿的作用呈现空间和时间尺度上的复杂变化,而地波雷达由于其探测面积广、时间分辨率高的特点成为研究这些变化的有效手段。本文利用舟山海域多年高频地波雷达资料,通过潮流调和分析、低通滤波和相关性分析对该海域海流潮周期、极端事件、季节、年际尺度的动力过程进行了解译。研究表明,舟山海域属于正规半日潮,潮流运动形式以顺时针旋转流为主,流速大小在空间上为东北方向较大,往西南方向逐渐减小,并在近岸处得到增强。余流的年际变化并不显著,但存在着明显的季节变化,例如冬季为南向流,流速减小,空间分布上近岸较外海大,而夏季与之反向,为北向流,流速较大,空间分布较为均匀。进一步分析了风与余流之间的相关性,在大风期间,风与余流的速度相关系数在0.48～0.90之间,方向相关系数在0.55～0.68之间。极端事件发生时,速度、方向的相关系数分别高达0.92与0.91。总体而言,通过分析高频地波雷达数据能够较好地反映舟山海域海流的时空特征,为海洋灾害监测和污染物、藻华的输运研究提供依据。     

风浪状态对海面风应力影响的初步研究

利用新近提出的海面风应力系数线性参数化理论,定性地分析了已有风应力和风浪的观测数据。分析发现这些观测数据表明在小波陡的情形下海面风应力系数随风速的变化较大波陡的情形更加迅速。结果定性地倾向于支持Toba等的结果,即成熟的风浪较年轻的风浪更加粗糙。     

台风背景下海浪对海表流场和海表温度的影响

海浪作为海-气界面中重要的物理过程,对海洋上混合层的近表面分布具有重要作用。本文以台风"威马逊"和"麦德姆"为背景,基于FVCOM耦合模式模拟了台风浪及上层海洋的响应过程,探讨了海浪对海表流场和海表温度的影响。结果表明耦合模式能够较准确地模拟出有效波高,台风过境后海表流场在海浪的作用下反映出与台风相对应的气旋性特性,改变的流场量级可达0.4 m/s;海表温度出现不同程度的下降,最大降温约4℃,最大降温中心与流场变化区域相对应,且降温区相对台风路径呈显著的"右偏性"。最大降温滞后台风中心过境2 d左右,恢复时间一般超过10 d,与实况相吻合。     

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。     

基于海面多普勒谱模型的海浪反演精度分析

Microwave remote sensing is one of the most useful methods for observing the ocean parameters. The Doppler frequency or interferometric phase of the radar echoes can be used for an ocean surface current speed retrieval,which is widely used in spaceborne and airborne radars. While the effect of the ocean currents and waves is interactional. It is impossible to retrieve the ocean surface current speed from Doppler frequency shift directly. In order to study the relationship between the ocean surface current speed and the Doppler frequency shift, a numerical ocean surface Doppler spectrum model is established and validated with a reference. The input parameters of ocean Doppler spectrum include an ocean wave elevation model, a directional distribution function, and wind speed and direction. The suitable ocean wave elevation spectrum and the directional distribution function are selected by comparing the ocean Doppler spectrum in C band with an empirical geophysical model function(CDOP). What is more, the error sensitivities of ocean surface current speed to the wind speed and direction are analyzed. All these simulations are in Ku band. The simulation results show that the ocean surface current speed error is sensitive to the wind speed and direction errors. With VV polarization, the ocean surface current speed error is about 0.15 m/s when the wind speed error is 2 m/s, and the ocean surface current speed error is smaller than 0.3 m/s when the wind direction error is within 20° in the cross wind direction.     

X波段雷达海面回波谱宽特征研究

海面电磁回波频谱宽度与海浪波高密切相关,可应用频谱宽度进行海浪有效波高反演。本文应用线性滤波法仿真出了海表散射面元在雷达视向上的投影速度,建立了回波谱宽模型,分析了雷达空间分辨率、回波时间序列长度及海洋环境参数等因素对频谱宽度的影响,同时还针对如何在实际观测过程中选择回波时间序列长度、观测方位角等参数进行了讨论。最后还将理论结果与CSIR-X波段雷达实测数据谱宽估计结果进行了比较。结果表明,剔除雷达噪声以及频率泄露的影响后,基于高斯分布标准偏差的谱宽估计方法所得结果与理论结果吻合很好,这从而证明了理论结果的可靠性。本文所得结果对海浪有效波高反演具有一定参考价值。     

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。     

基于海浪谱的沉箱式防波堤动力分析方法

利用海浪谱JONSWAP谱生成随机波浪,并结合改进的波浪力时程模型生成一个连续的、持续时间相对较长的随机波浪力作用过程。假设五十年设计基准期内防波堤每年遭受一次风暴,利用波浪谱随机生成五十次风暴波浪作用过程,对防波堤五十年设计基准期的响应过程进行一次随机模拟,以此作为一个样本。经过对大量随机模拟产生的样本进行统计分析,实现对防波堤整个设计基准期内的安全度进行概率评估。最后,通过算例对该方法的应用进行了演示。     

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。     

高频地波雷达观测的苏北辐射沙洲南部海域夏季表层海流特征

本文利用高频地波雷达获得的江苏如东海域大范围长期海流观测资料对苏北辐射沙洲南部烂沙洋海域夏季表层海流特征进行了分析。分析结果表明:研究海域表层海流靠近近岸一侧为往复流,流向总体上呈西北-东南向,靠近外海一侧为旋转流;海域潮流动力较为强劲,夏季表层海流实测最大流速达1.47 m/s,涨潮平均流速介于0.44~0.55 m/s,落潮平均流速介于0.38~0.52 m/s,海域西北部区域涨落潮平均流速明显大于其他区域;表层潮流为正规半日潮流,M₂分潮为最主要分潮,其潮流椭圆长轴范围为0.57~0.71 m/s,远大于其他分潮,其次为S₂分潮;该海域夏季表层余流呈现近岸大离岸小的分布趋势,余流流向基本指向近岸方向,从离岸到近岸余流流向呈现逆时针偏转。     

An analysis on the error structure and mechanism of soil moisture and ocean salinity remotely sensed sea surface salinity products

For the application of soil moisture and ocean salinity（SMOS） remotely sensed sea surface salinity（SSS） products,SMOS SSS global maps and error characteristics have been investigated based on quality control information.The results show that the errors of SMOS SSS products are distributed zonally,i.e.,relatively small in the tropical oceans,but much greater in the southern oceans in the Southern Hemisphere（negative bias） and along the southern,northern and some other oceanic margins（positive or negative bias）.The physical elements responsible for these errors include wind,temperature,and coastal terrain and so on.Errors in the southern oceans are due to the bias in an SSS retrieval algorithm caused by the coexisting high wind speed and low temperature; errors along the oceanic margins are due to the bias in a brightness temperature（TB） reconstruction caused by the high contrast between L-band emissivities from ice or land and from ocean; in addition,some other systematic errors are due to the bias in TB observation caused by a radio frequency interference and a radiometer receivers drift,etc.The findings will contribute to the scientific correction and appropriate application of the SMOS SSS products.     

包含温度因子的海水地球物理模型函数建模研究

以SeaWinds散射计为例,利用其L2A卫星测量数据和相应的海面浮标测量数据,以温度作为独立变量,借助人工神经网络首次尝试建立了包含温度因子的海水地球物理模型函数。建模实验结果表明,在3—15m.s-1风速范围内,对于两种极化方式,后向散射系数先随温度的升高而增大,当风速大于某一数值后,又随温度的升高而减小,但两种极化方式的转折风速存在差异。该研究结果为海面微波散射机理认识的进一步深入和模型函数精度的进一步提高展示了潜在的可能途径。