球坐标系下MASNUM海浪数值模式的建立及其应用

为开展海浪对海洋上混合层的搅拌混合作用及其对海气界面通量的影响等研究,在LAGFD WAM区域海浪数值模式基础上建立了球坐标系下的全球海浪数值模式.重点导出了球坐标系下的海浪能量谱平衡方程及其复杂特征线方程,该组方程包含了背景流场对波动传播的调整、波动沿大圆传播的折射等.数值积分则采用复杂特征线嵌入计算格式.初步数值模拟结果表明,该海浪全球数值模式能够较为精确地刻画海浪的动力过程.

基于MASNUM海浪预报系统的北印度洋波浪特征模拟与预报分析

基于MASNUM海浪数值预报系统的全球10 a后报数据库资料,分析了北印度洋区域波浪分布特征。由于该地区受季风控制显著,夏季波浪大于冬季;在空间分布上,西部比东部风大、浪大,在亚丁湾、索马里外海波浪最大。基于Janson-1卫星高度计有效波高观测资料,对MASNUM海浪预报系统的预报性能进行了检验,检验结果表明,预报波高均方根误差在0.5 m左右,短期的24 h预报效果好于48 h和72 h,冬季好于夏季。另外,对预报误差进行了相应的概率分布分析。

海浪对海洋上层的动量与混合作用分析

分析了波浪影响海洋环流的3种机制,给出了波浪对海流的雷诺应力表示、搅拌混合系数表示以及对温盐扩散的搅拌混合系数表示;计算了东中国海区域的波浪动量作用、搅拌混合系数空间分布和时间演化,进而定量分析了波浪对表层海流的动量输送及对海洋上混合层与跃层形成的作用。

特征线计算格式下共轭方程两种导出途径的比较

共轭方程的导出是建立资料同化模型的关键,其导出方式有两种途径:AFD形式与FDA形式。在特征线计算格式基础上针对一类较广泛海洋动力控制方程分析了其两种共轭方程(AFD形式与FDA形式)之间的关系,并将理论结果应用于波谱共轭方程的讨论。

海浪同化预报模型理论基础(英文)

将共轭变分同化方法应用于 LAGFD- WAM海浪数值模式 ,导出了海浪谱能量平衡方程的共轭方程以及风输入、破碎、底摩擦、波波非线性相互作用和波流相互作用的相应共轭源函数 ,建立了海浪同化模型 ,数值计算仍采用特征线嵌入计算格式 。

利用海浪谱共轭方程进行东海敏感性区域分布研究

近岸局部范围内的波浪是由远处洋面上生成并传播过来的 ,它的生成发展源地 (敏感性海域 )对于所关注范围的波浪起决定性影响。共轭方程中的模式变量反映了物理参量的梯度变化 ,利用它可以达到精确确定敏感海域具体位置的目的。本文在 LAGFD- WAM海浪模式基础上建立了海浪谱共轭方程 ,提出了通过在关注点邻域加一小扰动作为逆向积分海浪谱共轭方程的驱动项 ,来计算出梯度极值分布的思想。将这一思想应用于东中国海区域 ,通过一系列试验来确定舟山及长江口附近海域的敏感性区域位置。试验结果符合物理意义 ,梯度极值分布结果为下一步的多源卫星观测资料复合分析及最优实测方案设计奠定了基础。

海浪外观波数谱与谱宽度最优确定

本文将外频谱转化为外观波数谱并设计了计算处理格式，提出了一种谱宽度参量的优化方法，为进一步研究海浪特征资料提取谱值和应用奠定基础。数值试验验证了此方法的可行性，但在高海况下风浪过程复杂，优化出的谱宽度偏大。

非线性波波相互作用共轭源函数守恒量的分析

海浪组成波中的四波共振时满足谱作用量、谱能量及动量守恒,在变分同化所建立的波谱共轭方程中,对应于非线性波波相互作用源函数Boltzman积分形式,本文建立了其共轭源函数满足的守恒关系;实际海浪计算时广泛采用Hasselmannetal.(1985)的参数化方法,本文给出其综合作用表示式,证明也满足谱作用量、谱能量及动量守恒,并进一步导出了其共轭源函数中存在的守恒量。所有的共轭源函数守恒量只是对共轭算子而言的,对于共轭波谱则不存在相应的守恒关系。

利用共轭方程研究海洋对于大气局域气温的作用

提出了利用共轭方程研究海洋对于局域大气平均气温的作用的方法。在现今海洋基本动力方程基础上导出了球坐标系下的海水温度共轭方程。分析了海水共轭温度的意义 ,其量值 (或垂直梯度量值 )表征了不同区域海洋对于局域气温的相应贡献 。

亚洲区域海—陆—气相互作用对全球和亚洲气候变化的作用研究进展

围绕全球变化研究国家重大研究计划项目"亚洲区域海—陆—气相互作用机理及其在全球变化中的作用"预定的总体研究内容和科学目标,项目执行两年多以来,取得了一系列阶段性科研成果。关于气候动力学方面,项目揭示了热带印度洋—西太平洋暖池的海温变化是全球热带气候年代际变化的重要驱动力,是全球尺度副热带干旱的重要调控器;发现热带东太平洋海温存在冷舌模态,它是一个海气耦合模态,阐明在全球变暖背景下其对ENSO型态变异的作用及影响东亚气候的机理;揭示了青藏高原热力强迫的异常特征及其气候效应;提出了水平非均匀基流中行星波传播的理论,研究了其在不同东亚夏季风背景下的传播特征。关于气候预测方法方面,提出了若干有物理基础的气候预测方法,如尺度分离的降尺度预测新方法、基于北大西洋涛动(NAO)—ENSO的东亚夏季风预测模型、基于南半球环状模的东亚气候预测模型等,为业务部门提供了重要参考。关于观测方面,项目在亚洲区域海气补充观测和海洋资料同化方面也取得突出进展,成功进行了南海18°N断面海洋综合观测,为形成我国第一条南海断面长期海气观测打下了基础。在国际合作方面,项目还继续推动和领导了"亚洲季风年"(AMY2007-2012)与"东亚气候模拟"国际计划,提升了我国在该领域的国际地位。

波浪和潮流混合对黄海、东海夏季温度垂直结构的影响研究

首先对影响垂向混合的物理过程进行了分类 ,进而讨论了波浪运动和潮流运动所造成的混合及其对温度垂直结构的影响 .基于 3种混合方案对黄海、东海温度垂直结构进行了数值模拟实验 ,结果表明 :夏季波浪的混合对黄海、东海上混合层起控制作用 ,潮流混合对 30m左右的近底层起控制作用 ,潮流混合是南黄海断面海温呈台状分布的主要成因 .南黄海东侧的温跃层通风是由于强波浪以及潮流对应的混合共同作用的结果 .同时考虑波浪混合和潮流混合所模拟的黄海、东海海洋温度垂直结构特征与实际观测基本一致 .对近海而言 ,波浪混合和潮流混合是进行温度跃层和密度跃层数值模拟的关键过程 .

大气-海浪-海洋环流耦合数值模式的建立及北太平洋SST模拟

该文在最新发展的波致运动混合理论框架的基础上,基于MASNUM海浪波数谱数值模式和大气-海洋环流耦合数值模式FGCM-0建立了大气-海浪-环流耦合数值模式,并进行了无通量调整数值试验。50年模拟结果平均SST的分析结果表明,建立的大气-海浪-海洋环流耦合数值模式比大气-海洋环流耦合数值模式在北太平洋海区SST的模拟上有较大的改善,能够模拟出更加合理的SST。

利用WaveWatch Ⅲ建立东中国海区域海浪同化系统

利用最优插值法建立了基于WaveWatch Ⅲ的东中国海区域海浪同化系统,它可以同化卫星高度计观测的有效波高.该系统对T/P高度计测得的有效波高的同化试验表明,海浪数据的同化能够改善整个区域的海浪预报效果.其中浮标验证结果表明,同化时效约1d,同化后波高预报的均方根误差减小了约10%,对涌浪区的改善尤其显著,均方根误差可以减至0.3以下.此系统运算量不大,对计算机硬件要求不高,在Linux,Windows操作系统上都可运行,易于推广应用.

MASNUM海浪数值模式业务化预报与检验

介绍了MASNUM(Key Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling)海浪数值预报系统,并利用全球和西北太平洋的Jason-1卫星数据和NDBC浮标数据中的海浪波高观测,对该预报系统进行了自2007年8月1日-2007年12月31日5个月的24,48和72 h预报结果的比较检验。模式校验结果表明,有效波高预报与观测的绝均差在0.5 m左右,从夏季到冬季,预报精度不断提高,与风场冬季预报精度较高吻合。

高分辨率浪-潮-流耦合数值预报系统的业务化运行与检验分析

依据我国独立发展的浪致混合理论,基于MASNUM第三代海浪数值模式和三维POM海流数值模式,研制开发了高分辨率浪-潮-流耦合数值预报系统并进行了(准)业务化运行与预报产品精度检验。该浪-潮-流耦合数值预报系统能够提供全球、西北太平洋和中国近海三个海域不同分辨率的海浪、海流以及温度、盐度等数值预报产品。基于卫星遥感数据、浮标数据等海洋环境观测资料,实现了海洋数值预报产品检验功能,自动化生成预报产品精度的逐月检验报告。业务化运行及检验结果表明,该数值预报系统运行稳定,预报产品具有较高精度,达到业务化预报要求。

基于MPI的LAGFD-WAM海浪数值模式并行算法研究

在LAGFD-WAM海浪串行数值模式基础上,利用MPI信息传递机制实现其并行化。通过对模拟区域合理划分,对数据采取分块加载,实现了各个节点的负载平衡;通过对算法的改进实现了粗粒度计算,大幅度减少了通信量,从而提高了程序的执行效率。对串行计算和并行计算的效率比较表明,本文建立的方法能够得到较高的加速比。对全球海浪模式,加速比和CPU数目大致呈线性关系。对高分辨率的区域海浪模式,在128 CPU条件下加速比可以达到91.9。

长期极值统计理论及其在海洋环境参数统计分析中的应用

海洋环境极值参数(如风速、流速、波高、周期等)在海洋工程设计中具有重要意义。利用次序统计和极值理论方面的较新研究成果,从理论上证明了多种统计分布中Weibull分布是最优的,使长期极值统计建立在一个更坚实的基础上;同时引入基于序列统计的最大似然估计方法。利用大量数据,对最小二乘估计方法和最大似然估计法进行对比分析,指出最大似然估计法是精确估计,而最小二乘估计方法是保守估计。

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1.0～1.8 m,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6～11 kg/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.

Envisat ASAR海浪谱资料的最优插值同化试验

基于第三代海浪数值模式LAGFD-WAM,分别利用4种不同形式的各向同性背景误差相关函数进行了Envisat高级合成孔径雷达(ASAR)海浪谱资料的最优插值同化试验。与4个浮标实测数据的比较验证表明,ASAR海浪谱资料的最优插值能够有效地改进海浪模式有效波高的模拟。4种不同形式的各向同性背景误差相关函数的同化结果相差不大,决定同化效果好坏的关键是对相关距离尺度的选取。针对自回归形式的背景误差相关函数的试验结果表明,相关距离尺度的量级在400—500km时同化效果最好,此时同化后的模式有效波高均方根误差比未同化时相对减小了26%。

浅水环境下波浪能能流密度计算方法研究

本文列举了3种波浪能能流密度计算方法,通过实测资料和数值模拟的实验,分析了3种方法在浅水环境中的适用性。分析得知,定义方法对浅水环境中的海浪特征考虑最为周全,计算结果最准确,但强烈依赖海浪谱的存在,适用面较窄;经验方法仅依赖常规海浪参数,对各种基础资料几乎都适用,但对波能能流密度的估计往往偏低,且不能明显反应出地形抬升对波能能流密度的汇聚效应;修正方法考虑了浅水的影响,通过适当的选取参数,可以给出较准确的结果,但对于大的波能能流密度值存在过高估计的问题。3种计算方法各有优劣,可以根据实际需要适当选择。