下载文档原格式
基于CCMP卫星遥感海面风场数据的渤海风浪模拟研究张鹏;陈晓玲;陆建忠;田礼乔;刘海【摘要】Cross Calibrated Multi-Platform (CCMP) remotely sensed wind is a newly released ocean wind dataset which has much higher spatial and temporal resolution, and it can cover the entire ocean surface.After analyzing theirreliability, the CCMP wind datasets are used as the input to simulate wind-induced wave with the SWAN model, then the simulated significant wave height (SWH) is analyzed.The comparison between the model result and the data obtained by the radar altimeter shows that the simulated SWH meets the requirements of precision in the sea wave forecasting.%CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)风场数据是一种具有较高的时间、空间分辨率和全球海洋覆盖能力的新型卫星遥感资源.在充分分析CCMP海面风场数据可靠性的基础上,以该卫星遥感海面风场数据为强迫输入项,运用第三代浅水波浪模式SWAN对渤海一次风浪过程进行了模拟,将模拟的结果与T/P、Jason卫星高度计观测得到的有效浪高数据进行比较分析,发现两者相关性达到0.78,模拟结果平均偏高0.3 m.试验表明CCMP卫星遥感风场数据能满足海洋浪高预报需求,能在海洋数值预报和海洋环境研究中发挥重要作用.【期刊名称】《海洋通报》【年(卷),期】2011(030)003【总页数】6页(P266-271)【关键词】CCMP;SWAN;卫星高度计;风浪模拟;有效波高;渤海【作者】张鹏;陈晓玲;陆建忠;田礼乔;刘海【作者单位】武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉,430079;武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉,430079;江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室,江西南昌,330022;武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉,430079;武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉,430079;武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉,430079【正文语种】中文【中图分类】P731.33;P714+.2海浪在研究海洋动力环境和海气相互作用等领域有着重要地位，海浪数值模拟不仅是海浪研究的重要手段，也是海浪预报和分析的重要工具[1]。
东中国海波浪分布特征研究谢冬梅;陈永平;张长宽【摘要】以美国国家环境预报中心(NCEP)再分析气象资料作为驱动风场条件,运用第三代海浪模式WAM的第四版本(WAMC4)在西北太平洋海域建立二级嵌套波浪模型,利用连云港、冷家沙现场观测波浪资料对模型进行了验证,检验了该模型在东中国海波浪研究中的适用性.针对东中国海进行了连续60年(1950-2009)的波浪后报模拟,在此基础上开展了东中国海波浪时空分布特征研究.结果表明:四季的平均有效波高等值线与岸线形状基本保持一致,且由南向北逐渐递减；有效波高分布的季节差异显著,冬季浪高最大,其次为秋季,春季、夏季最小.通过对比分析平均波浪要素和5％累积频率波浪要素的定量关系发现,在渤海范围内,5％累积频率有效波高与平均有效波高之比约为2.75,黄海与东海大部该比值则分别约为2.50和2.35,而5％累积频率平均周期与平均周期的比值在整个东中国海范围内约为1.45.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2012(000)011【总页数】8页(P14-21)【关键词】东中国海;WAMC4;有效波高;平均周期;季节分布;累积频率【作者】谢冬梅;陈永平;张长宽【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】TV139.2波浪是重要的海洋动力因素之一，研究其时空分布特征在加深对海洋动力环境和海气相互作用机理的认识、防灾减灾、海洋能源开发利用等方面具有重要意义。
对于东中国海的波浪研究，不少学者基于实测资料分析[1-4]或者波浪数学模型[5-7]做了大量的工作。
在实测资料分析方面，受到海洋观测站台布设以及极端天气过程等限制和影响，基于该种方法开展的波浪分布特征研究往往具有区域性，通常无法满足开展大范围、长时间波浪分布特征研究的要求。
第53卷 第8期 2023年8月中国海洋大学学报P E R I O D I C A LO FO C E A N U N I V E R S I T YO FC H I N A53(8):008~015A u g.,2023WA V E WA T C H Ⅲ第三代海浪数值模式在中国东海的应用和改进❋曹赛超1,高志一2,赵栋梁1❋❋(1.中国海洋大学海洋与大气学院物理海洋教育部重点实验室,山东青岛266100;2.自然资源部国家海洋环境预报中心,北京100081)摘 要: 利用东海的浮标观测数据,比较了W A V E W A T C H Ⅲ第三代海浪数值模式的S T 2㊁S T 4和S T 6三种源函数方案在东海的适用性㊂结果表明,三种源函数方案在波高小于3m 中低风速情形下,模拟波高与观测波高符合的很好,而在波高大于3m 的高风速情形下,模拟波高偏大㊂在此基础上,提出了以波龄和波陡为参数的海面粗糙度参数化公式,以此来计算拖曳系数㊂该方案可以自动满足拖曳系数在临界风速达到饱和的观测事实,将上述拖曳系数计算方案应用于最新的S T 6源函数方案,在保持中低风速时的模拟精度的同时,可有效地改善高风速时模拟波高偏大问题,而且可使模拟周期与浮标观测结果更为一致㊂关键词: 海浪数值模式;源函数方案;拖曳系数;波龄;波陡中图法分类号: P 731.2 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)08-008-08D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20220118引用格式: 曹赛超,高志一,赵栋梁.W A V E W A T C H Ⅲ第三代海浪数值模式在中国东海的应用和改进[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(8):8-15.C a o S a i c h a o ,G a o Z h i y i ,Z h a oD o n g l i a n g .A p p l i c a t i o n a n d i m p r o v e m e n t o fW a v e w a t c h Ⅲt h i r d g e n e r a t i o nw a v e n u m e r i c a l m o d e l i n t h eE a s t C h i n a S e a [J ].P e r i o d i c a l o fO c e a nU n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(8):8-15. ❋ 基金项目:国家自然科学基金项目(41876010)资助S u p p o r t e d b yt h eN a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a (41876010)收稿日期:2022-02-28;修订日期:2022-04-06作者简介:曹赛超(1995 ),男,硕士生㊂E -m a i l :c s c w e i m e n ge r b o @163.c o m ❋❋ 通讯作者:E -m a i l :d l z h a o 2013@163.c o m海浪是最常见的海上自然现象和自然灾害,大风引起的大浪会对船舶航行和海上及近岸建筑物造成非常大的损害,甚至人员伤亡㊂海浪在近岸破碎形成的沿岸流和离岸流对泥沙输运起着至关重要的作用,其长期效应可引起海岸线的变迁㊂海浪及其破碎会直接影响海-气界面的动量㊁热量和物质通量,进而影响海气相互作用强度以及全球气候变化㊂因此,海浪的准确模拟和预报有非常重要的实际应用和理论研究意义㊂目前最为成功的海浪数值预报模式为谱模式,海浪谱S (ω)随着时空的演变由能量平衡方程来表示,即d S (ω)d t=S i n +S d s +S n l ㊂(1)式中:S (ω)为海浪谱;ω为圆频率;右边各项为源函数项,分别为S i n :风输入;S d s :波浪破碎引起的能量耗散;S n l :非线性波-波相互作用㊂1988年,以K l a u sH a s s e l -m a n n 为首的W A M D I 研究团队[1]建立了第一个第三代海浪数值模式 W A M 模式,与之前的第二代海浪数值模式不同,W A M 模式不需要事先假定海浪谱形,而是通过直接计算风输入㊁破碎引起的耗散和非线性波-波相互作用等3个源函数项而得到㊂在第三代海浪数值模式W A M 的基础上,D e l f t 技术大学和美国航空航天局G o d d a r d 空间飞行中心分别开发了W A V E W A T C H Ⅰ海浪数值模式[2]和W A V -E W A T C H Ⅱ海浪数值模式[3],美国国家海洋和大气管理局/美国气象环境预报中心(N O A A /N C E P )环境模拟中心海洋模拟小组又开发了W A V E W A T C H Ⅲ海浪数值模式[4]㊂W A V E W A T C H Ⅲ第三代海浪数值模式(以后简称WW 3模式)考虑波-流相互作用,用波作用量N =S (ω)/ω来代替S (ω)来进行计算,对过去模式的控制方程㊁程序结构㊁数值和物理的处理方法等做了改进,有利于采用并行计算技术,从而提高模式的性能和效率㊂WW 3的源代码是公开的,之后很多研究者参与了模式中源函数的改进工作,提供了不同的源函数方案,迄今为止,主要源函数方案有S T 2㊁S T 3㊁S T 4和S T 6可供选择[5]㊂基于卫星和浮标观测数据,S t o p a 等[5]对上述4种源函数方案进行了评估,认为S T 2方案会高估涌浪波高,从而会整体上高估波高㊂S T 3方案的模拟波高比S T 2Copyright ©博看网. All Rights Reserved.8期曹赛超,等:W A V E W A T C H Ⅲ第三代海浪数值模式在中国东海的应用和改进要好,利用其高阶矩计算的S t o k e s 漂流速度和均方波陡与实测大体一致㊂S T 4方案给出的波高具有最小的误差,从全球角度上看,低于5%或30c m ,给出的均方波陡和高阶量与卫星观测一致性很好㊂S T 6方案的表现与S T 4方案相似,但S T 6会高估高阶量,如S t o k e s 漂流和均方波陡㊂以飓风I v a n 为例,L i u 等[6]对上述4种源函数方案进行了评估,发现S T 2方案会在整体上低估大浪,其表现较差,而其他3种方案的表现较好,彼此之间没有明显差异㊂而当浪向和风向不一致时,3种方案会高估波浪能量,得到的波高偏大㊂在S T 6方案中,适当增强涌浪引起的耗散,可以对此有所改善㊂国内的研究者针对WW 3对全球浪场的模拟能力也进行了评估[7]㊂基于WW 3模式,也有研究者开展了中国东海的海浪数值模拟工作[8-9],从不同角度讨论了WW 3在东海的模拟能力㊂然而,尚缺少对不同源函数方案在东海的全面评估㊂本文利用在东海的波浪浮标观测数据,评估S T 2㊁S T 4和S T 6三种源函数方案在东海的表现,在此基础上,通过改进S T 6方案中的拖曳系数计算方法,给出了以波龄和波陡为参数的计算方案,使高风速情形的模拟波高与观测符合得较好,整体提高了WW 3模式在东海的波浪模拟能力㊂1 数据和模式设置1.1所用数据为了对所使用的风场数据和模拟结果进行验证,本文使用了4个波浪浮标观测数据,观测数据包括每小时的风速㊁风向㊁有效波高㊁有效周期㊁波向㊁气温和水温等㊂浮标数据的时间段为2019年1月1日 2020年12月31日,图1为各个浮标具体位置㊂(颜色代表水深,自北向南各个浮标对应的水深依次为95㊁82㊁85和103m ㊂C o l o r r e p r e s e n t sw a t e rd e p t h .T h ec o r r e s p o n d i n g w a t e rd e pt h so f e a c h b u o y f r o mn o r t h t o S o u t h a r e 95,82,85a n d 103mr e s p e c t i v e l y.)图1 位于东海的波浪浮标位置及模式计算区域F i g .1 L o c a t i o n o fw a v e b u o yi n t h eE a s t C h i n a S e a a n d m o d e l c a l c u l a t i o n a re a下文中所用观测数据为上述4个浮标在2020年8和9月的全部数据㊂为了驱动海浪模式,所使用的风场为气候预报系统再分析资料(C l i m a t ef o r e c a s ts y s t e m r e a n a l ys i s ,C F S R )(h t t p ://c f s .n c e p .n o a a .go v ),时间分辨率为1h ,空间分辨率为0.2ʎˑ0.2ʎ[10]㊂为了验证C F S P 风场数据在东海的适用性,将C F S R 风场数据与浮标观测风速U 10进行了比较(见图2),图2中b 为平均偏差,ε为均方根误差,r 为相关系数,U 10为海面上10m 高度处的风速㊂从图2可以看到,两者的相关系数达到了0.81,偏差和均方根误差分别为0.32和2.73m /s ,证明C F S R 风场可以用来驱动海浪数值模式㊂图2 波浪浮标观测风速与C F S R 风速在东海的比较F i g .2 C o m p a r i s o n b e t w e e nw a v e b u o y o b s e r v e dw i n d s pe e d a n d C F S Rw i n d s p e e d i n t h eE a s t C h i n a S e a 1.2模式设置本文所用的WW 3为当前最新的V 6.07版本,为了保证模拟结果的可靠性,采用了两层嵌套计算方式,大区域的范围为117.0ʎE 131.0ʎE ,23.0ʎN 33.0ʎN ,小区域的范围为120.0ʎE 129.0ʎE ,24.0ʎN 31.0ʎN ,计算区域如图1所示,其中红色框内为小区域计算范围㊂采用规则网格进行计算,所使用的水深数据为e t o -po 2数据,波-波非线性相互作用采用D I A 算法,计算大区域的空间分辨率设为0.1ʎ,时间步长为900s,小区域的空间分辨率设为0.05ʎ,时间步长为600s ,每小时输出一次结果㊂初始场由J O N S W A P -谱提供,对方向谱频率做了35分离散,初始频率为0.0375H z ,下一个离散化频率为上一个的1.1倍㊂计算时间为2020年8㊁9月的全部天数,模式预热时间为每月第一天,数据从每月的第二天开始输出㊂之所以选取这两个月份,9Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年是因为在此期间均有台风经过研究区域,旨在验证大风情形下模式的模拟能力㊂2 不同源函数方案的模拟结果比较2.1所用参数化方案针对东海区域,本文将评估WW 3模式的S T 2㊁S T 4㊁S T 6源函数方案㊂S T 2采用T o l m a n a n dC h a l i k -o v [11]提出的风输入项S i n 和耗散项S d s ,S T 4采用A r d h u i n 等[12-13]给出的风输入和耗散项,S T 6采用D o n e l a n 等[14]㊁B a b a n i n 等[15]㊁R o g e r s 等[16]和Z i e g e r 等[17]改进的方案[18]㊂在这些源函数项中,其中最为关键的问题之一就是风应力的计算㊂作为海-气界面湍流通量的风应力通常采用块体公式进行计算,即τ=ρa C D U 210㊂(2)式中:ρa 为空气密度;C D 为拖曳系数;其定义为:C D =u 2*/U 210㊂(3)式中u *为空气摩擦速度㊂在大气中性稳定条件下,海面上方的不同高度处平均风速U 可以表示为对数分布U =u *k l n zz 0㊂(4)式中:U 为海面上方高度z 处的平均风速;k =0.4,为卡曼常数;z 0为海面粗糙度,代表海面对风的阻碍效应㊂显然拖曳系数(C D )与海面粗糙度之间存在一一对应关系,即C D =(k /l n (10/z 0)2㊂(5)在早期的研究中,由于高风速情形下的条件恶劣和观测困难,几乎所有的观测都是在风速小于20m /s进行,发现拖曳系数随风速增加而线性增大,并将这一结果推广到高风速情形,直到2003年,P o w e l l 等[19]利用飓风情形下的探空气球数据,得到高风速情形下的风速廓形分布,进而得到拖曳系数㊂发现拖曳系数C D并非随风速增大而单调增大,而是当风速大于临界值30m /s 时,拖曳系数达到饱和,开始随风速增大而减小㊂之后很多实验室和外海的观测证实了拖曳系数达到饱和的临界风速的存在,但临界风速的变动很大,从20~40m /s 不等㊂为了应对这一新发现,避免高风速情形拖曳系数过大,使风输入项增大,造成模拟波高偏大,WW 3模式对上述3种方案中的拖曳系数C D 做出了上限限制㊂S T 2方案直接将C D 上限设置为2.5ˑ10-3,S T 4方案通过给海面粗糙度z 0设置最大值来防止C D 过大㊂S T 6方案采用了由H w a n g [20]提出,又经R o ge r s 等[16]对更高风速情形进行了修正的拖曳系数公式:C D =-0.016U 210+0.967U 10+8.058()ˑ10-4, U 10<50.33m /s u C */U 10()2,U 10ȡ50.33m /s ìîíïïïï㊂(6)式中u C *=2.206m /s ㊂根据(6)式,拖曳系数在风速30.2m /s 左右达到最大值2.27ˑ10-3,之后随着风速增大而减小㊂2.2模拟结果图3为S T 2㊁S T 4和S T 6方案模拟的有效波高与浮标观测波高的比较,统计参量包括平均偏差b ㊁均方根误差ε和相关系数r ㊂整体而言,3个方案的模拟结果与观测符合得很好,最大偏差为0.287m /s,最大的均方误差为0.724m /s ,均为S T 4方案的模拟情形㊂3个方案在东海同时达到最大相关系数0.94,S T 2方案整体表现最优㊂同时由文献[21]可知,3个参数化方案在东海模拟效果整体可观,但还有一定的提升空间㊂我们还发现,当波高小于3m ,3个方案的模拟结果与观测符合得非常好,没有系统性偏离,当波高大于3m 时,所有的方案均高估了波高,这很可能是高风速情形下,3个方案中的拖曳系数过大所致㊂01Copyright ©博看网. All Rights Reserved.8期曹赛超,等:W A V E W A T C H Ⅲ第三代海浪数值模式在中国东海的应用和改进((a )S T 2结果;(b )S T 4结果;(c )S T 6结果;(d )整体结果㊂(a )S T 2r e s u l t s ;(b )S T 4r e s u l t s ;(c )S T 6r e s u l t s ;(d )O v e r a l l r e s u l t s .)图3 三个参数化方案有效波高模拟结果F i g .3 S i m u l a t i o n r e s u l t s o f s i g n i f i c a n tw a v e h e i gh t o f t h r e e p a r a m e t e r i z e d s c h e m e s 浮标数据仅提供了有效周期T s ,而模式输出的是平均周期(T 0,1㊁T 0,2)㊂有研究表明,模式输出的一阶矩周期T 0,1与浮标观测的有效周期T s 较为接近㊂图4为3种方案模拟得到的一阶矩周期T 0,1与波浪浮标观测得到的有效周期T s 的比较㊂因为一阶矩周期T 0,1及二阶矩周期T 0,2更多反映短波的效应,而有效周期((a )S T 2结果;(b )S T 4结果;(c )S T 6结果;(d )整体结果㊂(a )S T 2r e s u l t s ;(b )S T 4r e s u l t s ;(c )S T 6r e s u l t s ;(d )O v e r a l l r e s u l t s .)图4 三个参数化方案周期模拟结果F i g .4 S i m u l a t i o n r e s u l t s o f pe r i o d of t h r e e p a r a m e t e r i z e d s c h e m e s 11Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年T s则是1/3大波周期的平均,所以一般而言,有效周期T s 要大于一阶矩周期T0,1及二阶矩周期T0,2,这一点可以从平均偏差中看到㊂T a y l o r图及统计结果均显示3种方案对中国近海周期有较好模拟能力,但是相关性没有有效波高好,这一点有望通过接下来的方案调整得到改善㊂从上述分析可以看到,S T2方案在东海对有效波高表现最好,S T6方案次之,对周期而言S T2方案模拟效果不如其它两个方案㊂上文已提及,S T2方案风应力拖曳系数计算方案涉及波龄参量,而S T6风应力拖曳系数是拟合最新观测数据的结果,仅和风速有关,而在台风状况下,只考虑风速的拖曳系数计算方案不能满足模式需求[22-23]㊂因此有望通过改善S T6方案拖曳系数计算方案来提高WW3数值模式的精度㊂3拖曳系数新参数化方案从上述的分析可以看到,3个参数化方案在东海模拟结果存在一个共同问题,就是高风速时模拟的波高偏大,这显然与风输入项中的拖曳系数公式有关㊂在S T6方案中,拖曳系数是风速的函数,与波浪状态无关㊂虽然考虑了拖曳系数饱和现象,但是否适用于东海区域值得商榷㊂另一方面,对于拖曳系数饱和或减小的原因,有很多工作对此进行了探讨,但尚没有统一的结论,但所有的工作都认为波浪及其破碎过程有关㊂如波浪破碎形成白冠覆盖于海面,会使海面 光滑 ,产生的海洋飞沫会被风加速而降低风应力效果,海洋飞沫会提高大气边界层的稳定性,从而抑制动量通量,波峰附近发生波流分离会掩盖波谷,导致海面光滑等㊂显然所有这些原因均与波浪有关,而描述波浪不同状态最常用的两个量为波龄和波陡㊂波龄反映了波浪和大气之间的相互作用状态,波龄越小,代表海-气相互作用越强㊂波陡则反映了波浪自身的稳定性,波陡越大,波浪越不稳定而破碎[24]㊂T a k a g a k i等[25]将实验室测得的高风速的结果与外海中低风速的观测数据相结合,认为在风浪情形下,拖曳系数或海面粗糙长度仅与波浪有关,与海上风速没有直接关系,给出了海面粗糙长度(z0)与波高和周期的函数,可表示为波陡和波龄的函数:z0=68.35(H s/L p)4(g T p/2πU10)2U210/g㊂(7)式中:g为重力加速度;H s/L p为波陡;L p为谱峰对应的波长;g T p/(2πU10)为波龄;T p为谱峰周期㊂在通常情况下,波龄和波陡均基于谱峰所对应的波长和周期进行定义,在实际应用中,谱峰有时很难确定,特别是存在混合浪的情形,此时得到的谱峰周期会有非常大的变动,不利于计算的稳定性㊂与谱峰周期相比,二阶矩周期T0,2的稳定性较好,因此,用二阶矩周期T0,2来计算波龄和波陡,以此定义的波龄β和波陡δ分别为:β=g T0,22πU10;δ=2πH sg T20,2㊂(8)基于前人的工作及(7)式,为了在保证低风速情形模拟精度同时,提高高风速时的模拟精度,作者试图建立类似的适用于东海区域的拖曳系数公式㊂利用S T6输出的波浪数据(T0,2及H s)计算波龄及波陡,通过对公式(9)中参数调整使得其计算的拖曳系数在风速小于15m/s时,趋势与S T6方案相同,在风速大于15m/s 时,趋势小于S T6方案㊂将此时的公式替代S T6原始计算方案称为S T6a方案,反复带入模式验证结果,最终得到本文公式(9)中参数㊂图5散点为S T6a方案输出的波浪数据计算所得拖曳系数,同时增加了Z i j l e m a等[26]文献资料作为对比,可以发现新拖曳系数方案基本符合以往结果的变化趋势,不同的是,该方案可以自动达到饱和㊂C D=0.65ˑ10-3+κ/l n10/z0()[]2,z0=120δ6β4U210/g,β=m i n(g T0,22πU10,0.9)㊂(9)式中m i n代表取其后括号内两者的较小值㊂(图中实线为公式(6)结果,虚线为文献结果对比㊂T h e s o l i d l i n e i n t h e f i g u r e i s t h e r e s u l t o f f o r m u l a(6);T h e d o t t e d l i n e i s t h e l i t e r a t u r e c o m-p a r i s o n r e s u l t.)图5S T6a方案给出的拖曳系数与公式(6)对比F i g.5C o m p a r i s o n b e t w e e n t h e d r a g c o e f f i c i e n t g i v e n b yS T6a s c h e m e a n d f o r m u l a(6)对于上面的海面粗糙度计算公式,我们仅对波龄做出了限制,因为波龄原则上仅适用于风浪情形,对应的波龄较小,而当波龄很大时,对应的为涌浪情形,此时波龄没有任何意义,不能代表海-气相互作用的强度,因此我们对波龄的上限做出了限制㊂在实际应用中,也经常用波龄的大小来区分风浪和涌浪㊂相反,对于波陡没有做限制,由于波浪破碎,波陡自身具有上限值,风浪的波陡通常会大于涌浪波陡㊂21Copyright©博看网. All Rights Reserved.8期曹赛超,等:W A V E W A T C H Ⅲ第三代海浪数值模式在中国东海的应用和改进从图5还可以看到,以波龄和波陡为参数的拖曳系数会自动达到饱和,即在某一临界风速时,拖曳系数达到最大,之后随着风速继续增大而减小,这也是近年来被很多观测所证实的现象㊂从图5中可以看到,该临界风速大约为20m /s ,与S T 6原有的公式(6)相比,临界风速明显减少㊂再次强调的是,对于S T 6a 方案,本文并没有人为地设定临界风速,而是由于波龄和波陡的变化给出的自然结果㊂一般而言,随着风速增大,波龄会减小,而波陡由于存在上限不会增大,此时拖曳系数主要随波龄减小而减小㊂4 新方案的应用图6为新公式用于S T 6源函数方案得到的模拟波高与浮标波高的比较㊂从图中可以看到,新方案偏差绝对值及均方根误差均有明显降低㊂图6同时给出了新方案在东海模拟结果的T a yl o r图及各个浮标处大波((a ~b ):S T 6a 方案整体结果;(c ~f ):S T 6a 方案在各个浮标处连续24h 结果;(c )㊁(d )㊁(e )㊁(f )分别为自北向南单个浮标;(c )㊁(f )时间段为8月27日全天;(d )㊁(e )时间段为8月2日全天㊂(a ~b ):O v e r a l l r e s u l t s o f S T 6a s c h e m e ;(c ~f ):T h e r e s u l t s o f S T 6a s c h e m e a t e a c h b u o y f o r 24h o u r s ;(c ),(d ),(e )a n d (f ):As i n g l e b u o y f r o mN o r t h t o S o u t h ;(c ),(f ):T h e t i m e r a n g e i s t h ew h o l e d a y o f A u g u s t 27;(d ),(e ):T h e t i m e r a n g e i s t h ew h o l e d a y o f A u gu s t 2.)图6 S T 6a 新参数化方案在东海对有效波高模拟精度状况F i g .6 T h e s i m u l a t i o n a c c u r a c y o f S T 6a n e w p a r a m e t e r i z e d s c h e m e f o r t h e s i g n i f i c a n tw a v e h e i gh t i n t h eE a s t C h i n a S e a 31Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年高情形下连续24h的时间序列图㊂从图中可以看到,原始方案模拟波高过大的问题得到了改善㊂具体而言,相比之前表现最好的S T2方案,S T6a方案的平均偏差绝对值比原始值降低91.8%,相应的均方根误差比原始方案分别降低6.9%,即考虑波龄和波陡对拖曳系数进行参数化,可以得到较好的模拟结果㊂当然,这需要有更多的数据进行验证㊂图7为S T6a新方案模拟得到的一阶矩周期T0,1与波浪浮标观测得到的有效周期T s的比较㊂可以看到,新方案的模拟周期也得到了改善,整体相关性有了提升㊂((a~b)S T6a方案整体结果㊂(a~b)o v e r a l l r e s u l t s o f S T6a s c h e m e.)图7S T6a新参数化方案在东海对周期模拟精度状况F i g.7 T h e s i m u l a t i o n a c c u r a c y o f S T6a n e w p a r a m e t e r i z e d s c h e m e f o r t h e p e r i o d i n t h eE a s t C h i n a S e a5结语准确预报中国海的海浪一直是一个非常重要的课题㊂利用中国东海的波浪浮标观测数据,分析比较了第三代海浪数值模式WW3的三种源函数参数化方案S T2㊁S T4㊁S T6在东海的表现㊂结果表明,对于波高小于3m的中低风速情形,三种方案的模拟波高与浮标观测波高大体一致,而对于波高大于3m的高风速情形下,三种方案的模拟波高均明显大于浮标观测波高,即在大风情形下,WW3模拟的波高偏大㊂为了解决高风速情形下WW3模拟波高偏大问题,本文提出了以波龄和波陡为参数的海面粗糙度计算公式,以此来计算拖曳系数,其重要特征就是拖曳系数随着风速增大自动趋于饱和状态,即当风速达到临界风速20m/s左右时,拖曳系数达到最大值,之后随风速增大而减小㊂将上述拖曳系数公式用于S T6源函数方案中,既保证了中低风速时的模拟精度,又有效改善了高风速情形模拟波高偏大的问题㊂具体而言,相对于S T2方案,有效波高平均偏差降低91.81%,相对于S T4方案,有效波高平均偏差降低95.12%;相对于S T6方案,有效波高平均偏差降低93.66%,同时使模拟周期与附表观测结果相关性更强,从整体上提高了WW3在中国东海的海浪模拟能力㊂参考文献:[1] W A M D IG r o u p.T h eW A M m o d e l a t h i r d g e n e r a t i o n o c e a nw a v ep r e d i c t i o nm o d e l[J].J o u r n a l o f P h y s i c a l O c e a n o g r a p h y,1988,18:1775-1810.[2] T o l m a nH L.At h i r d-g e n e r a t i o nm o d e l f o rw i n dw a v e s o n s l o w l yv a r y i n g,u n s t e a d y,a n di n h o m o g e n e o u sd e p t h sa n dc u r r e n t s[J].J o u r n a l o f P h y s i c a l O c e a n o g r a p h y,1991,21(6):782-797.[3] T o l m a nHL.E f f e c t s o f n u m e r i c s o n t h e p h y s i c s i n a t h i r d-g e n e r a-t i o n w i n d-w a v e m o d e l[J].J o u r n a lo fP h y s i c a l O c e a n o g r a p h y,1992,22(10):1095-1111.[4] T o l m a nH L.U s e rM a n u a l a n dS y s t e m D o c u m e n t a t i o no fW A V-E W A T C HⅢV e r s i o n1.18[R].W a s h i n g t o nD C:N a t i o n a l O c e a n-i c a n dA t m o s p h e r i cA d m i n i s t r a t i o n,1999:110.[5]S t o p a J,A r d h u i nF,B a b a n i nA,e t a l.C o m p a r i s o n a n dv a l i d a t i o no f p h y s i c a lw a v e p a r a m e t e r i z a t i o n s i ns p e c t r a lw a v e m o d e l s[J].O c e a nM o d e l l i n g,2016,103:2-17.[6]L i uQ,B a b a n i nAV,F a nY,e t a l.N u m e r i c a l s i m u l a t i o n s o f o c e a ns u r f a c ew a v e s u n d e r h u r r i c a n e c o n d i t i o n s:A s s e s s m e n t o f e x i s t i n gm o d e l p e r f o r m a n c e[J].O c e a n M o d e l l i n g,2017,118:73-93,h t-t p s://d o i.o r g/10.1016/j.o c e m o d.2017.08.005.[7]吴萌萌,王毅,万莉颖,等.W A V E W A T C HⅢ模式在全球海域的数值模拟试验及结果分析[J].海洋预报,2016,33(5):31-40.W uM,W a n g Y,W a nL,e t a l.N u m e r i c a l s i m u l a t i o n t e s t a n d r e-s u l t a n a l y s i so f W A V E W A T C HⅢm o d e l i n g l o b a lw a t e r s[J].O c e a nF o r e c a s t,2016,33(5):31-40.[8]李明悝,侯一筠.利用Q u i k S C A T/N C E混合风场及W A V E W A T C H模拟东中国海风浪场[J].海洋科学,2005,29(6):9-12.L iM,H o u Y.Q u i k S C A T/N C E m i x e d w i n df i e l da n d W A V-E W A T C Ha r e u s e d t o s i m u l a t e t h ew i n d a n dw a v e f i e l d i n t h e E a s tC h i n a S e a[J].M a r i n e S c i e n c e,2005,29(6):9-12.[9]徐艳清.东中国海海浪数值模拟及波候统计分析[D].北京:中国科学院研究生院,2005.X uY.N u m e r i c a l S i m u l a t i o na n dS t a t i s t i c a lA n a l y s i s o fW a v eC l i-41Copyright©博看网. All Rights Reserved.8期曹赛超,等:W A V E W A T C HⅢ第三代海浪数值模式在中国东海的应用和改进m a t e i n t h eE a s t C h i n aS e a[D].B e i j i n g:G r a d u a t eS c h o o l o fC h i-n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,2005.[10]S a h a S,M o o r t h i S,W uX,e t a l.T h eN C E P c l i m a t e f o r e c a s t s y s-t e mv e r s i o n2[J].J o u r n a l o f C l i m a t e,2014,27(6):2185-2208.[11] T o l m a nHL,C h a l i k o v D.S o u r c e t e r m s i n a t h i r d-g e n e r a t i o nw i n dw a v em o d e l[J].J o u r n a lo fP h y s i c a lO c e a n o g r a p h y,1996,26: 2497-2518.[12] A r d h u i nF,C h a p r o nB,C o l l a r dF.O b s e r v a t i o no f s w e l l d i s s i p a-t i o n a c r o s s o c e a n s[J].G e o p h y s i c a lR e s e a r c hL e t t e r s,2009,36, L06607,d o i:10.1029/2008G L037030.[13] A r d h u i n F,R o g e r s E,B a b a n i nA,e t a l.S e m i e m p i r i c a l d i s s i p a t i o ns o u r c e f u n c t i o n s f o r o c e a nw a v e s,P a r tⅠ,d e f i n i t i o n,c a l i b r a t i o na n d v a l i d a t i o n[J].J o u r n a l o fP h y s i c a lO c e a n o g r a p h y,2010,40(9):1917-1941.[14] D o n e l a nM A,B a b a n i nA V,Y o u n g IR,e t a l.W a v e-f o l l o w e r f i e l dm e a s u r e m e n t s o f t h e w i n d-i n p u t s p e c t r a l f u n c t i o n.P a r tⅡ:P a r a m e t e r-i z a t i o n o f t h e w i n d i n p u t[J].J o u r n a l o f P h y s i c a l O c e a n o g r a p h y,2006,36:1672-1689.[15] B a b a n i nA V.B r e a k i n g a n dD i s s i p a t i o no fO c e a nS u r f a c eW a v e s[M].C a m b r i d g e:C a m b r i d g eU n i v e r s i t y P r e s s,2011:480.[16] R o g e r sW E,B a b a n i nA V,W a n g D W.O b s e r v a t i o nc o n s i s t e n ti n p u t a n dw h i t e c a p p i n g d i s s i p a t i o n i nam o d e l f o rw i n d-g e n e r a t e ds u r f a c ew a v e s:D e s c r i p t i o n a n d s i m p l e c a l c u l a t i o n s[J].J o u r n a l o fA t m o s p h e r i c a n dO c e a n i cT e c h n o l o g y,2012,29:1329-1346.[17] Z i e g e rS,B a b a n i nA V,R o g e r sW E,e t a l.O b s e r v a t i o nb a s e ds o u r c e t e r m s i n t h e t h i r d-g e n e r a t i o nw a v em o d e lW A V E W A T C H[J].O c e a nM o d e l l i n g,2015,96:2-25.[18] L i u Q,R o g e r s W E,B a b a n i n A V,e ta l.O b s e r v a t i o n-b a s e ds o u r c e t e r m s i n t h e t h i r d-g e n e r a t i o nw a v em o d e lW A V E W A T C HⅢ:U p d a t e s a n dv e r i f i c a t i o n[J].J o u r n a l o fP h y s i c a lO c e a n o g r a-p h y,2019,49:489-517.[19]P o w e l lMD,V i c k e r y P J,R e i n h o l dTA.R e d u c e d d r a g c o e f f i c i e n tf o r h ig hw i n d s p e e d s i n t r o p i c a l c y c l o n e s[J].N a t u r e,2003,422:279-283.[20] H w a n g PA.An o t e o n t h e o c e a n s u r f a c e r o u g h n e s s s p e c t r u m[J].J o u r n a l o fA t m o s p h e r i c a n dO c e a n i cT e c h n o l o g y,2011,28(3): 436-443.d o i:10.1175/2010J T E C H O812.1.[21] T a y l o r,K a r l E.S u m m a r i z i n g m u l t i p l e a s p e c t s o fm o d e l p e r f o r m-a n c e i n a s i n g l e d i a g r a m[J].J o u r n a l o fG e o p h y s i c a l R e s e a r c hA t-m o s p h e r e s,2001,106(D7):7183-7192.[22]C h i a n g TL,W uCR,O e y LY.T y p h o o nK a i-T a k:A no c e a n sp e r f e c t s t o r m[J].J o u r n a l o fP h y s i c a lO c e a n o g r a p h y,2011,41: 221-233.[23]S a n f o r dTB,P r i c e J F,G i r t o n J B,e t a l.H i g h l y r e s o l v e d o b s e r-v a t i o n s a n d s i m u l a t i o n s o f t h eo c e a nr e s p o n s e t oah u r r i c a n e[J].G e o p h y s i c a l R e s e a r c hL e t t e r s,2007,34:L13604.[24]Z h a oD,L iM.D e p e n d e n c e o fw i n d s t r e s s a c r o s s a n a i r-s e a i n t e r-f a c e o nw a v e s t a t e s[J].J o u r n a l o fO c e a n og r a ph y,2019,75(3):207-223.[25] T a k a g a k i N,K o m o r i S,S u z u k iN,e t a l.S t r o n g c o r r e l a t i o nb e-t w e e n t h e d r a g c o e f f i c i e n t a n d t h e s h a p e o f t h ew i n d s e a s p e c t r u mo v e r a b r o a d r a n g e o fw i n d s p e e d s[J].G e o p h y s i c a l R e s e a r c hL e t-t e r s,2012,39:L23604.[26]Z i j l e m aM,V l e d d e rG,H o l t h u i j s e nL.B o t t o mf r i c t i o na n dw i n dd r a g f o rw a v em o de l s[J].C o a s t a l E n g i n e e r i n g,2012,65:19-26.A p p l i c a t i o n a n d I m p r o v e m e n t o fW a v e w a t c hⅢT h i r dG e n e r a t i o nW a v eN u m e r i c a l M o d e l i n t h eE a s t C h i n aS e aC a o S a i c h a o1,G a oZ h i y i2,Z h a oD o n g l i a n g1(1.T h eK e y L a b o r a t o r y o f P h y s i c a lO c e a n o g r a p h y,M i n i s t r y o fE d u c a t i o n,C o l l e g e o fO c e a n i c a n dA t m o s p h e r i c S c i e n c e s, O c e a nU n i v e r s i t y o fC h i n a,Q i n g d a o266100,C h i n a;2.N a t i o n a lM a r i n eE n v i r o n m e n t a lF o r e c a s t i n g C e n t e r,M i n i s t r y o f N a t u r a l R e s o u r c e s,B e i j i n g100081,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e d o n t h e b u o y o b s e r v a t i o nd a t a o f t h eE a s tC h i n aS e a,t h e a p p l i c a b i l i t y o f t h r e e s o u r c e f u n c t i o n s c h e m e s S T2,S T4a n dS T6o fW A V E W A T C HⅢi n t h eE a s t C h i n a S e a i s c o m p a r e d.T h e r e-s u l t s s h o wt h a t t h e s i m u l a t e dw a v e h e i g h t a g r e e sw e l l w i t h t h e o b s e r v e dw a v e h e i g h t i n t h e c a s e o f l o w a n dm e d i u mw i n d s p e e dw i t hw a v e h e i g h t l e s s t h a n3m,w h i l e t h e s i m u l a t e dw a v e h e i g h t i s l a r g e r i n t h e c a s e o f h i g hw i n d s p e e dw i t hw a v e h e i g h t g r e a t e r t h a n3m.O n t h i s b a s i s,a p a r a m e t e r i z e d f o r m u l a o f s e a s u r f a c e r o u g h n e s sw i t hw a v e a g e a n dw a v e s t e e p n e s s a s p a r a m e t e r s i s p r o p o s e d t o c a l c u l a t e t h e d r a g c o e f f i c i e n t.T h e p a r a m e t e r i z a t i o n s c h e m e c a n a u t o m a t i c a l l y m e e t t h e o b s e r v a t i o n f a c t t h a t t h e d r a g c o e f-f i c i e n t r e a c h e s s a t u r a t i o n a t t h e c r i t i c a l w i n d s p e e d.T h e a b o v e d r a g c o e f f i c i e n t c a l c u l a t i o n s c h e m e i s a p-p l i e d t o t h e l a t e s t S T6s o u r c e f u n c t i o n s c h e m e,w h i c h n o t o n l y m a i n t a i n s t h e s i m u l a t i o n a c c u r a c y a tm e-d i u ma n d l o ww i n d s p e e d,b u t a l s o e f f e c t i v e l y i m p r o v e s t h e p r o b l e mo f l a r g e s i m u l a t i o nw a v e h e i g h t a t h i g hw i n d s p e e d,m o r e o v e r,t h e s i m u l a t i o n p e r i o d i sm o r e c o n s i s t e n tw i t h t h e b u o y o b s e r v a t i o n r e s u l t s. K e y w o r d s: w a v e n u m e r i c a lm o d e l;s o u r c e f u n c t i o n s c h e m e;d r a g c o e f f i c i e n t;w a v e a g e;w a v e s t e e p n e s s责任编辑庞旻51Copyright©博看网. All Rights Reserved.。
浅谈几种海浪观测法的优缺点作者：陈泽鸿李衍森来源：《科技创新与应用》2014年第32期摘要：海浪观测对经济发展有着积极的推动作用。
文章针对几种常见的海浪观测方法分析其优缺点，意在为海浪观测工作提供借鉴。
关键词：纯人工目测法；光学测波仪法；海浪浮标观测仪法；地波雷达波浪观测仪法海浪是发生在海洋中的一种波动，是海水运动的主要形式之一。
海浪形成的主要原因是由于海洋水体受外力作用时，水质点离开平衡位置而往复运动，并向一定的方向传播，此种运动称为波动。
海浪是主要包括风浪、涌浪和近岸浪，其周期一般界于1～20秒之间。
根据现行的《海滨观测规范》（GB/T14914-2006）规定，海浪的主要的观测要素是波高、周期、波型、波向和海况。
规范对海浪观测点的选择，海浪的观测与记录都作出了详细的规定，既是对过去几十年我国传统近海海浪观测的继承和延续，也是为适应了目前海洋观测技术和形势的发展。
海浪观测已经有悠久的历史，目前我国的波浪观测数据主要应用于海洋预报、海洋工程。
目前我国从事海浪观测工作的主要单位是国家海洋局所属的海洋站点和一些海洋工程建设单位。
海浪观测方法的分类，按照安装位置，可以分为水面上测波仪器（航空测波、地波雷达测波）、水面附近测波仪（测波杆、光学测波、重力测波）、水面下测波仪（水压式测波、声学式测波）。
文章只挑选目前比较常用的海浪观测方法，谈谈其观测过程中的优缺点。
1 纯人工目测法我国沿海海洋系统的最早的观测方法，采用秒表、望远镜等辅助器材，几乎用全人工的方法观测海浪要素，在我国海洋观测史上沿用了几十年。
这种方法的优点是不用过于依赖于外界环境因素（电力、仪器），数据的持续性非常好。
缺点是虽然观测人员上岗之前都经过了严格的培训考核，但是，由于是纯人工观测，不同人之间的观测误差比较大，数据的可比性比较差，可信度也不够高。
2 光学测波仪法光学测波仪主要由望远镜瞄准机构、俯仰微调机构、方位指示机构、调平机构和浮筒等组成。
唐山南部近海海浪特征及风浪预报方法分析研究龙强;王锋;项青霞;孟艳静【摘要】利用唐山南部近海浮标站的观测资料,对该海域的海浪特征、风浪浪高预报方法及主要海区风浪成长时有效波高与风速、风区、风时之间的关系做了分析.结果表明:(1)唐山南部海域海浪类型以风浪为主,风速大于12.4 m/s的浅水波均为风浪,低于12.4 m/s风速的深水波存在30％比例的涌浪;(2)波高≥2m的风浪多由具有较长风区的NE、ENE风产生,二者占总数的76.9％,且多出现在秋冬季,所占比例高达83.4％;(3)受风区长度限制,NE、ENE方向上风力大于5级时,该海区内的风浪不能达到充分成长状态;(4)整体而言,“苏联法”对唐山南部近海1.5-2.0 m的风浪波高计算表现出明显的优越性,“海大法”更适合2.0 m以上浪高的计算;(5)不同海区、不同波高范围的计算方法检验显示,对于有效波高≥2 m的风浪,“海大法”对NE、ENE、E方向上的计算效果最佳,SE、SSE方向上大浪出现的几率较低,对于其他方向的海区和波高范围,“苏联法”仍然表现出了理想的适用性.【期刊名称】《海洋预报》【年(卷),期】2016(033)003【总页数】7页(P27-33)【关键词】风浪;浪高;预报方法;风区;检验【作者】龙强;王锋;项青霞;孟艳静【作者单位】曹妃甸工业区气象局,河北唐山063015;曹妃甸工业区气象局,河北唐山063015;唐山市气象局,河北唐山063000;曹妃甸工业区气象局,河北唐山063015;曹妃甸工业区气象局,河北唐山063015【正文语种】中文【中图分类】P731.22随着海上石油、天然气、渔业等资源的开发利用和航运事业的发展，海上作业安全保障越来越得到关注。
波浪作为重要的海洋动力因素之一，是一种随机性较强的水体运动，其生成、发展、传播等会给航运、港口、码头及水上建筑物等带来安全威胁，人们对各海区海浪状态的掌握和预报预测也越来越重视。
