高风速作用下波龄与波陡的关系

利用WAVEWATCH-Ⅲ模式对台风玲玲、天鹅和达维期间南海海域风浪场进行了数值计算,利用最小二乘法对计算结果进行统计、分析,得出高风速作用下波高与周期的关系以及波龄与波陡的关系。

均方斜率与风速及波龄关系的研究

本文利用NOAA在太平洋的几个浮标站测得的风浪数据,研究了均方斜率s2与风速U10和波龄β的关系,发现s2随U10的增大而增大,s2=(0.4U102+5U10+2)×10-4;随β的增大而减小,s2=0.01β-0.8696。基于以上结论,建立了s2同时随风速和波龄变化的关系:s2=10-4×9(U10β-0.4348+1),这表明β以负幂指数的形式改变了s2随风速线性增长的斜率。波龄对s2的影响在风速较小时作用比较明显,在风速较大时影响比较微弱,但引起s2变化的最主要因素还是海面风速。本文的研究工作对于高度计准确地信息反演提供了重要的理论依据。

南麂海域风浪的平均波陡与平均波龄统计分布

利用南麂海洋站1981～1990年实测波浪资料,探讨了该海域风浪的平均波陡与平均波龄的统计分布特征.分析结果;当风浪平均波陡介于0.02～0.04时,其出现频率各季在82%以上;当风浪平均波龄介于0.5～1.2时,其出现频率各季在78%以上;当风浪的平均波陡与平均波龄介于0.02～0.04和0.5～1.0时,其出现频率为53.5%～69.6%、把风浪平均波龄大于等于1.0作为风浪充分成长的标志,则该区夏季偏NNE向风浪充分成长率最高.本文还推出了风浪的平均波陡与平均波龄的经验式以及波高和波长随波龄变化的经验式.

自然海况下波浪特性的初步研究

通过分析大量的外海浮标观测资料 ,发现波龄和无因次波高之间存在非常好的相关性 ,自然海况下的波浪场满足 3/ 5指数律 ,其波龄可达到几十 ,远远超过风浪波龄的上限 1 .4,说明波浪组成波之间波 -波共振非线性相互作用是波浪内部结构的主要调节机制 ,使波高和周期之间具有很好的相关性。

波面位移非对称性对风浪成长状态的依赖性

以二阶随机波动理论为基础 ,研究了刻画波面位移非对称性的偏度参量λ3 对风浪成长参量(反波龄ω和无因次风区 )的依赖性 ,得到了λ3 与ω和λ3 与的近似解析关系式 ,并利用实验宝水槽风浪成长实验的实测数据对这些关系式进行了检验。

第三讲 利用气象资料推求设计波浪

当海洋工程所在地附近有海洋水文站,该站有长期或远期的实测波浪资料,则可以利用上一讲介绍的方法,直接推求某一重现期的设计波浪。当海洋工程所在地附近没有实测波浪资料或实测资料较少的情况下,只有根据当地的历史气象资料来推算某一重现期设计波浪的尺度。首先依据气象资料来推求风场要素,然后再建立风场要素与波浪要素之间的关系。

考虑波浪运动影响的边界层风场特性研究

海上风场由于受动态波浪下垫面影响,粗糙度随着波龄、波陡、波高等状态发生变化,其特性较陆地风场更为复杂。为研究波龄对风场特性的影响,建立了正弦运动下垫面、自由滑移顶面计算模型,采用大涡模拟的方法,选取9种不同波龄取值,对海上风场环境进行模拟,分别对不同波龄下的风剖面等平均风特性及脉动风剖面进行了研究。研究发现,波浪的运动对上层流场有着显著的影响,给出了不同波龄下的平均风速剖面,分析了它们随波龄的变化规律,并通过雷诺应力分量的剖面计算,分析了波龄对于风场湍流特性的影响。

中等到强风条件下近海拖曳系数随风速变化的观测

利用位于海岸的风塔提供的四层风速观测数据,经过系统和严格的数据质量控制,采用风廓线法,研究了海上来风拖曳系数随风速的变化。观测数据共2 003 h,期间包括三个台风数据。（1）尽管风塔位于海岸,在风速较大时（u10〉5.5 m/s）,观测数据不受局部地形的影响,海上来风的下垫面具有近海海面的特征;（2）总体而言,在10~24 m/s之间,当风速小于21 m/s时,随风速的增大,拖曳系数增大,在风速达到21 m/s时,拖曳系数达到最大值,随风速的进一步增大,拖曳系数减小;（3）近海条件下,海况和波龄与风向密切相关,因此,在使用基于开阔海域海浪充分发展假设的拖曳系数风速参数化方案时,有必要考虑风向产生的影响。

利用卫星高度计与浮标数据分析世界大洋的风浪与涌浪分布

在分析了1996-1997,1999-2001年的T/P卫星遥感资料与浮标数据的基础上,根据准波龄与波龄的定义给出了世界大洋的风浪和涌浪的分布图像,得出其季节变化和年际变化,并与浮标资料进行对比分析,其结果显示世界大洋的风浪池和涌浪池具有比较明显的季节变化,从而为海浪场的分析提供了参考。

风浪对海-气界面动量通量估计的影响

利用实验室和有代表性的外海观测数据综合分析表明,海面粗糙度对波龄的依赖性与是否将实验室和外海数据一起考虑有关,而风应力拖曳系数与此无关,且随波龄增大而减小。利用Toba-3/2指数律和风浪成长关系的分析表明,风应力拖曳系数为常数或随波龄的增大而增大,与上述结果定性上相矛盾,说明风浪对风应力拖曳系数影响问题需要进一步研究。

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。

发展新型的海面空气动力学粗糙度参数化方案

由量纲分析导出无因次粗糙度长度与波龄有关,粗糙度长度无因次形式写为与有效波高有关,综合利用6个试验资料(HEXMAX试验、RASEX试验、BIO稳定平台试验、FETCH试验、CBLAST低风试验),共同验证Charnock参数zch与无因次粗糙度长度z0/hs对波龄的依赖性,建立粗糙度长度方案,并讨论其对摩擦速度和波龄的敏感度.把研制的海面粗糙度参数化方案引入COARE(V3.0)算法中,选择1985年12月在北海的FPN平台上的试验资料,检验海面粗糙度长度参数化方案与COARE算法中3种方案的适用性.结果表明:O02和TY01方案较高估计了摩擦速度,YT96方案略偏低估计了摩擦速度,而研制的方案计算结果与实测结果最接近.将研制的海面粗糙度方案应用于风浪耦合嵌套模式中,选取湛江港3次历史台风资料,计算硵洲岛海浪并与实测浪高相比较,验证该方案具有较好的适用性.

一种新的海面空气动力学粗糙度方案

综合利用6个国际海洋观测试验资料,共同验证Charnock参数与无因次粗糙度长度(z0/Hs)对波龄的依赖性,建立粗糙度回归模型,并对其进行显著性和适用性检验,从而导出粗糙度无因子形式与有效波高有关.利用研制的粗糙度方案(SP07)研究充分发展风浪与风区、风时和水深的关系,及粗糙度长度对摩擦速度和波龄的敏感度.把SP07方案引入国际上最先进的计算海气通量的COARE(V3.0)算法中,选择1985年12月在北海的FPN平台上的试验资料,进一步检验SP07方案的适用性.得出目前国际上最先进的O02和TY01方案较高估计了摩擦速度,YT96方案略偏低估计了摩擦速度,文中研制的方案计算结果与实测结果最接近.

两参量的海面阻力系数模式的探讨

从风浪的能量平衡方程出发，引进若干风要素与波要素以及波要素之间的定性关系，经演算可导出海面阻力系数（CD）或是风速（U）和波龄（β）或是U和波高（H）的函数，然后沿用最小二乘法，终将得出4组12个回归方程。当β（或）或Hs为某一给定值，惟有U为唯一参量时，所提各式均可简化为非线性方程:CD=a＋b·U＋c·U2;式中a，b和c为三个经验系数。就所检验的例子而言，本文的结果与实际的符合较前人的为好。

基于ERA5海浪再分析数据的风浪涌浪分离方法

为了探究和分析海浪中的主要成分,本文基于ERA5海浪再分析数据,依据能量因子分离风、涌浪的原理,研究了风、涌浪的平均波周期与风速的分布规律。利用最小二乘拟合方法,提出了一种分离风、涌浪的方法,并将其命名为TU方法。通过将TU方法与波龄方法进行比较分析,验证TU方法的可行性和可靠性。结果显示:在本文的研究区域中,TU方法与波龄方法识别风浪的正确率为98.57%和98.55%,TU方法与波龄方法识别涌浪的正确率为78.9%和65.1%,表明根据风速与平均波周期2个参数识别涌浪,TU方法效果比波龄方法更好。对高度计等缺少风向信息情况下分离风浪与涌浪有着重要的意义。

白浪覆盖率模式中参量的研究

在波面位移为正态过程的假定下,推导出一种以平均周期和风速为参量的白浪覆盖率公式W=1-Φ〔5.11094〔T/U10〕0.7576〕。依据摩擦风速和U10的表达式,进一步推导出白浪覆盖率依赖于摩擦风速的形式W=1-Φ〔0.5227〔T/U*〕0.7576〕。考虑到在实际应用中,经常需要用波龄描述波浪的状态,将白浪覆盖率表示成一种形式简单的波龄的函数W=1-Φ(3.6496ξ0.7576),与Monahan等的海上测量数据符合良好。

风浪谱模型在高度计风速反演中的应用

依据粗糙海面电磁波镜面散射理论,将根据全波数范围内的风浪谱模型计算的标准化雷达后向散射截面与T/P卫星高度计测得的雷达后向散射截面（Ku波段）进行比较,实现了对高度计风速的反演.研究表明,在所选浮标附近海域,波龄因子对高度计风速反演存在较大影响.与目前高度计业务化算法相比,考虑波龄因子影响后,根据谱模型反演获得的风速与中国近海浮标风速之间均方根误差和平均偏差更小.由于波龄因子可以根据高度计测得有效波高以及业务化算法获得的风速得到,因此根据风浪谱模型反演获得的风速具有广泛的适用性.

考虑非线性频散效应的风浪关系及其应用

随着我国沿海地区海洋经济的快速发展，相关海域的风浪规律的研究越来越受到人们的重视。依据 Toba 的风浪3/2指数律和非线性频散关系推导得到一个新的波陡波龄关系式，简化获得适用于深水情况下的波陡波龄关系式；基于考虑非线性频散效应的波龄波陡深水关系式，并结合有效波能量平衡方程，进一步推导出包含非线性频散效应的深水海域风浪公式。利用新的深水风浪公式，并结合 Mitsuyasu 开阔海域风区、风速经验公式，研究了江苏沿海海域的风浪规律，且与 NCEP 再分析风浪数据以及其他公式结果进行对比分析。分析结果表明所获得的新深水风浪公式适用范围更广，且在只考虑风速这个单一参数条件下计算得到的江苏外海波浪要素与 NCEP 再分析风浪数据吻合程度最好，且更接近其他学者的研究成果。计算过程可避免开阔海域风区长度推算的不确定性和人为因素所产生的误差，可为我国风浪成长规律的理论研究和海洋工程深海风浪要素推算提供参考。

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。

区域海-气耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性研究

回顾了近年来海表粗糙度参数化研究成果,借助COARE算法对四种粗糙度参数化方案下海浪对海气界面通量及大气底层运动的影响进行分析,并对高海况条件下,区域海-气耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性进行了初步的探讨。研究表明:海表粗糙度受海面波浪状态的影响,在其参数化方案中考虑波龄的作用后,在高风速、低波龄区,波浪作用使海气界面上的动量和热量通量显著增加;波浪通过参与海气界面上的动力和热力作用影响低层大气运动,低波龄条件下,波浪作用使大气运动减弱,高波龄条件下,波浪作用较小;区域海-气耦合模式对海表粗糙度参数化方案较敏感,不同的参数化方案对台风路径影响不大,对台风强度影响显著,从个例来看,采用Smith92和Liu07方案的模拟结果更接近实测值。研究结果为更合理的参数化海气界面的物理过程,提高耦合模式的模拟准确率提供了一定的参考。