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海洋要素计算及预报

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海洋要素计算与预报(海浪3)

海洋要素计算与预报(海浪3)


4

( 0 )2 exp 2 2 2 0
0.076~ x 0.22
~ x gx / U 2 ~ U / g
0 0
JONSWAP谱相对于风区的成长
文氏谱（1994）
~ 无因次化
0
j 1
S ( )0 ~ ~ S ( ) m0
H1/10 1 N10
H ,
i i 1
N10
T1/10
1 N10
T ,
i i 1
N10
N10 N / 10
H1/100
1 N100
N100 i 1
H ,
i
T1/100
1 N100
N100 i 1
T ,
i
N100 N / 100
H1% H i ,
H 4% H i ,
1 H F ( H ) exp
其中
2.126, 8.42

假定波动能量集中于谱重心频率附近（Longuet-Higgins,1975） ：

S ( )d
0
S ( )d
0
m1 m0
(t ) Re an expi(n t n )
n

(t ) Re ei exp(i t )
ei an exp{ i[(n )t n ]}
1
12 22 32 42 f (1 , 2 , 3 , 4 ) exp exp 2 (2 ) 0 2 2 0 22
其中
r
0
《海洋要素计算与预报》的课程特点与教学建议

《海洋要素计算与预报》的课程特点与教学建议

《海洋要素计算与预报》的课程特点与教学建议针对《海洋要素计算与预报》课程特点及教学实践中存在的问题，提高该课程教学质量和授课效果的对策主要为：加快正式教材的編辑出版，克服当前“无教材”可用的尴尬局面;通过理论内容物理图像化，增强学生课堂参与度，展示当前热点研究成果;积极保持良好的备课、授课态度，采用多种手段充分调动毕业班学生对该课程的学习积极性。

标签：《海洋要素计算与预报》;课程特点;教学方法;困境;对策《海洋要素计算与预报》（以下简称《海洋要素》）是绝大多数中国高等院校海洋科学类专业本科生培养方案中设置的一门重要的专业必修课程，其总学时一般不少于48个学时。

海洋要素的分析、计算与预报是各涉海专业和涉海行业在具体业务工作中共同关心的问题，也是海洋科学类专业本科生务必掌握的一门基本的专业技能。

随着中国海洋科技的迅猛发展，特别是近年来海洋强国战略的提出，使得海洋环境要素预报中应用的各种要素计算方法取得了长足的进步。

尽管如此，《海洋要素》课程内容有着其自身的特点和特殊性，在现阶段教学实践环节中也暴露出一些问题亟待合理有效地解决。

一、《海洋要素》课程特点与教学困境1、课程特点该课程重点介绍基本海洋环境要素包括潮汐、海流、温盐特征、海浪、海冰等的分析与预报方法，其与另一门海洋科学类专业必修课《物理海洋学》比较，前者重应用方法学习，后者重基本理论学习。

此外，每一种海洋要素的讲授都需要注意其各自的特点，结合我们自身教学经验归纳概括如下：潮汐部分主要讲授长期、中期、短期资料分析以及潮汐特征值计算，掌握这些分析、计算方法的前提就是要真正理解潮汐各引潮力势的理论导出及调和分析，亦即调和常数的物理含义，而这将涉及到大量且繁琐的理论推导，因此成为潮汐预报这一章的难点。

海流部分重点介绍各类海洋学问题对应的动力学方程（组）及其数值求解方法，其中数值求解方法将涉及到对动力学方程的差分近似和多种开边界条件的定义与设置，而这又将涉及较为复杂的数学推演过程，由此成为这一章的难点。

海洋要素计算(潮汐)

海洋要素计算(潮汐)

海洋要素计算作业之二——潮汐（威海2013年五月份）一．本次潮汐调和分析共选取了十三个分潮：MSf，Q1，O1，K1，P1，K2，N2，M2，S2，MK3，M4，MS4，M6为使您查看方便，将本次大作业的放在本文件夹各文件内，具体参考如下：1.原数据为：qd.dat;2.Fortran编程见该文件夹内：tide.f90文件；3.求各分潮调和常数H、g的值及其中间过程得到的各值见：qd_tide.dat文件；二．对比回报值和实测值：1. 回报1968年一月份的水位值见：huibao.dat；2. 用matlab绘制的潮汐过程曲线见：潮汐过程曲线.bmp3. 用给定的六个分潮求得的高潮和低潮发生的时刻及潮位值见—：gaodichao.dat;运行tide.f90后求得威海地区2013年5月份的平均潮差。

由图可知：由于只计算了一个月的潮汐数据，所以回报值和实测值相符的不是很好，如果计算一年的数据，应该会取得比较良好的结果。

三．程序%% 潮汐过程曲线图clear,clc%%huibao=load('G:\chaoxi\huibao.dat');% huibao=fread(fhuibao);shice=load('G:\chaoxi\qd.dat');% shice=fread(fshice);%huibao_y=zeros(1,12*62);%shice_y=zeros(1,12*62);huibao=double(huibao');huibao_y=double(huibao(:));%shice_y=reshape(shice',1,[])%for i=1:12;% for j=1:62% huibao_y(i)=huibao(i,j)% shice_y(i)=shice(i,j)%end%endshice=double(shice');shice_y=double(shice(:));x=linspace(1,31,length(huibao_y));plot(x,huibao_y,'r-')hold onplot(x,shice_y,'b-')title('威海(37°31′N ,122°08′E)2013年五月潮汐调和分析图') legend('回报值','实测值')xlabel('时间（2013年五月份）')ylabel('水位（m）')。

海洋水文气象要素.

海洋水文气象要素.





特殊情况的记录： 雾――全天无法辩明，总云量、低云量记10，低云栏记“三”； 部分天空可辨，总云量、低云量记10，低云栏记“ ” 加可见云状。 霾――全天无法辩明，总云量、低云量记－，低云栏记“∞”； 部分天空可辨，总云量、低云量记－，低云栏记“∞ ” 加可见云状。 夜间无月光时，若不能判断云状，估计天空被遮蔽而看不到星光的那部分作 为总云量，云状、低云量栏记“－”。 四、天气现象的观测 观测方法：现在天气现象是在定时观测时所观测到的天气现象，过去天气现 象是在定时观测之间六小时内所观测到的天气现象。 天气现象的符号： 霾――∞； 轻雾――＝； 龙卷――][； 雾――三； 毛毛雨――，； 雨―― ； 雪―― *； 雨夹雪―― ※ ； 五、风的观测 观测仪器：手持测风仪；综合数字气象仪。 注意事项：应选择在船上四周无障碍、不挡风处，风向传感器的0°应与船 头一致。仪器失灵或无法用仪器观测时，应根据海面状况目力测风。 数据记录：风向以度（°）为单位，取整数，风速以米/秒（m/s）为单位， 记到一位小数。 真风的求算：矢量三角形法。
第五节

风浪、涌浪和近岸浪
一、风浪（Wind Wave） 1、特征 ――周期短、波峰尖、波长短、波峰线短，波面不规则，易破碎。 方向（指来向）与风向较为一致。 2、影响风浪成长的三要素 1）几个概念 ① 风区――风速、风向近似一致的风作用的海域范围。 沿风吹的方向，从风区上沿至下沿的距离，称为风区长度或风程。 ② 风时――近似一致的风速和风向连续作用于风区的时间。 2）风速、风时、风区与风浪成长的关系――风浪的三种状态 ① 过渡状态――风区内各点波浪要素随风吹刮时间增加而增长（尤指波高）。 因此，在过渡状态，风时长短决定风浪的成长，风时越长，波高越大。 ② 定常状态――随风时的不断延长，风区内离风区上沿较近的点上的浪高不再 增长，这些点上的浪即进入定常状态。 离风区上沿越近，波浪进入定常状态的时间越早，波高也越低。因此，处于定 常状态的风浪的波高取决于该点离风区上沿的远近（即该点的风程长短）。
海洋要素计算与预报海浪6

海洋要素计算与预报海浪6


Z 1 E ck E
波动能量的每弧度增长率
Z a Uc w~c2 k W Uc 2
风浪的能量随时间指数地成长：
a 2 (t) a02eZt
2


W a

c U1

Z
2.3 Miles剪切流不稳定机制
U
U1
ln
z z0




c(k)


g 0
1
最大值
1/ 4
cm in


4g
W

1/ 4
c

c
os1

cm
in
U


c os1
4g
WU 4

Lc

2


W
g

二、风浪生成的初始阶段
S(k,t) (1, ) k 2(k)t 4 W2
S(k,t) k 2(k)t2
4 2 W2
Principal stage of development
S(k, t)

k 2t 2 2 W2
(k,)
c U cos Resonance condition:
2.3 Miles剪切流不稳定机制
U (z)
U (zc ) c

Lc 1.73cm
k 2(k)
极大值
S(k, t)
极大值
三、风浪生成的主要阶段
假定气流压力场为一平稳过程，经过推导得到波面谱的渐进值：
S(k,t)
k 2t
2 2 W2

(k, )cos
0
海洋要素计算与预报

海洋要素计算与预报

海洋要素计算与预报 (1)第一部分数据预处理与统计分析方法 .............................................................. 1第一章数据预处理 ...................................................................................... 1一、数据质量控制 (1)1、异常数据的认定和排除 (1)2、数据系统性偏差的检查和修正 .............................................. 1二、不规则空间分布数据网格化 .. (1)1、数学插值法 (1)2、网格统计法 .............................................................................. 2三、要素统计特征 .. (3)1、要素数据标示 (3)2、均值与距平 (3)3、平均差 (3)4、方差 (3)5、协方差与相关系数 (3)6、自协方差与自相关系数 (3)7、落后协方差与相关系数 (4)8、经验分布 .................................................................................. 4第二章谱分析 (5)一、 Fourier 变换与谱分析 . (5)二、功率谱估计 (6)三、交叉谱分析 .................................................................................... 7第三章经验模态分解 . (8)一、前言 (8)二、 EMD 计算方法与 IMF 分量 (9)三、 EMD 方法中存在的问题 . ........................................................... 11 1、 EMD 方法在处理间歇信号时的不可分问题和产生的模态混合问题 .................................................................................................. 11 2、 EMD 分解方法的边界问题 . ................................................. 15四、应用实例 (17)1、 SST 资料处理 . (17)2、海平面数据处理 .................................................................... 17第四章回归分析 ........................................................................................ 18一、一元线性回归 (19)1、一元线性回归模型 (19)2、一元线性回归的方差分析 (19)3、回归方程的显著性检验 (20)4、预报值的置信区间 ................................................................ 20二、多元线性回归 (21)1、多元线性回归模型 (21)2、回归方程显著性检验 (22)3、预报值的置信区间 ................................................................ 22三、非线性回归 . (23)1、曲线函数线性化 (23)2、多项式回归 ............................................................................ 23第五章经验正交函数分解 ........................................................................ 23一、主成分的定义 (24)1、两个变量的主成分定义 (24)2、多变量的主成分定义 (25)二、主成分的导出 (26)三、主成分的性质 (27)四、主成分的计算 (28)五、经验正交函数分解 (EOF (28)六、时空转换 ...................................................................................... 29第六章最小二乘法潮汐调和分析与潮汐特征值 (30)一、分潮与潮汐调和常数 (30)二、最小二乘法潮汐调和分析方法 (32)1、任意时间间隔观测序列的方程组导出 (32)2、等时间间隔观测序列的方程组系数 (34)3、 Fourier 系数的计算 . (35)4、天文变量与调和常数计算 (36)三、潮流调和常数与潮流椭圆要素 (42)四、潮汐性质与潮汐特征值 (43)1、潮汐性质 (43)2、潮汐特征值 (43)3、平均海面、平均海平面与陆地高程,海图深度基准面与海图水深 .................................................................................................. 45 (4海图深度基准面与海图水深 ............................................ 45第七章海浪数据分析 (48)一、去倾向和去均值处理 (48)二、从波面高度序列中读取海浪的波高和周期 .............................. 48 1、跨零点波高、周期定义 .. (48)2、极值点波高、周期定义 ........................................................ 49三、波面高度分布、波高和周期的分布,波高和周期的联合分布 (49)1、波面高度分布 (49)2、波高和周期的分布 (50)四、各种波高计算 (51)五、海浪谱估计 (52)1、海浪谱估计方法 (52)2、谱矩的计算 (52)3、谱的零阶矩与各种波高的关系 (52)4、海浪谱的谱宽度计算 (52)5、谱峰频率与周期的关系 ........................................................ 53第二部分海洋数值预报 .................................................... 错误!未定义书签。

海洋要素计算与预报(海浪7)共21页

海洋要素计算与预报(海浪7)共21页


海浪在瞬变的流场和具有变化水位的海域传播:
F t (c g F ) (c F ) T : U S
其中
cg
k
k k
U
c
1dkU
kdm m
TF 2 2n(1n s ci2 o 2 n )s12n(1n ssii2 2 n n )1 ------------ 辐射应力张量
存在流场时的弥散关系为： kU
2
3
10
10
(Data from published literature)
§2 海浪数值计算
海浪谱传输方程:
F t (cgF) (cF)S
FF ( , ;x,y;t) --------------- 二维海浪谱
cg k
--------------- 群速度
c
d1d
dt kdm
---------------
其中
R(x)15.515xex5px x 6 4
深水情形不能发生三波相互作用
如果可以发生则应满足:
k1k2 k3
12 3
k 1 2 2 k 1 k 2co 1 s2 )( k 2 2 k 3 2
2 gk
cos1 (2)k322(kk112k2 k22)
cos1 (2)342(1214 2224)
§1 风浪成长的经验公式
gH/U2102 gH/U2102
102 101 100 10-1 101-20-1
100 gT/U
Mitsuyasu et al. Hasselmann et al. Davidan Kahma Donelan et al. Dobson et al. Evans et al. Babanin et al.
海洋要素计算与预报(海浪4)

海洋要素计算与预报(海浪4)


0 0
{H i }(i 1,2, , N )
将周期与其相应的波高一一对应得到新的周期序列： ，
{Ti }(i 1,2,, N )
H1 / 3 1 N3
H ,
i i 1
N3
T1/ 3
1 N3
T ,
i i 1
N3
N 3 N / 3
由实测波面资料进行海浪波要素统计的具体步骤

2
0
极大值
2 ( 1) 2 2 f ( , ) exp 1 1/ 2 2 8( 2 ) 8
其中

H

T T
波高与周期联合分布理论与观测比较
(Goda, 1977)
§1.4 谱与海浪要素间的关系
(1 , 2 , 3 , 4 ) 2 , ) ( , ,
波高的分布
2 2 2 2 2 , ) f ( , , exp exp 2 (2 ) 0 2 2 2 0 2
-------------正态分布
实际上波面的分布为非正态的，在高海况下尤为显著。非线性海 浪模型（Longuet-Higgins，1963） ：
ii ijij ijkijk
由随机量 的特征函数可以导出其 概率分布函数为约化的GramCharlier级数。

波高的分布
1/ 2
H
T
谱与周期间的关系
谱宽度
2 m m m 2 2 0 4 m0 m4
m2 m4 2 1 m0 m2
T2,4 1 T 0,2
2
2
海浪周期的经验关系：
海洋要素计算与预报(海浪3)

海洋要素计算与预报(海浪3)


海浪要素及统计分布（短期分布） §1.3 海浪要素及统计分布（短期分布） 海浪要素及特征波要素
通常需要对波面记录进行预处理。 通常需要对波面记录进行预处理。 上（下）跨零点法 。 谷法。 峰-谷法。 谷法 由波面记录读取的波高和周期均为随机量。 由波面记录读取的波高和周期均为随机量。
海浪要素及特征波要素 （1）部分大波平均波 ）
B exp − q ωp ω A
S (ω ) =
Pierson-Moscowitz（P-M）谱（1964） （ ） ） 从北大西洋的460组风浪观测资料中挑选出 组属于充分 组风浪观测资料中挑选出54组属于充分 从北大西洋的 组风浪观测资料中挑选出 成长情形的数据，依风速分成 组并将各组谱进行平均 组并将各组谱进行平均， 成长情形的数据，依风速分成5组并将各组谱进行平均， 发现它们有良好的相似性。 发现它们有良好的相似性。 采用Kitaigorodskii的相似定律对 个平均的谱进行因次 的相似定律对5个平均的谱进行因次 采用 的相似定律对
~ ~ S (ω )dω = 1
1~ ∑ j cj =1 j =1
~ jc j e − j = 0 ∑
j =1
n
n
~ ~ dS (ω ) =0 ~ dω ω =1 ~
n
ω R= ω0
ω = ( m 2 / m 0 )1 / 2
∑
j =1
1 ~ 1 2 c = R 3 j j 2
文氏谱（ 文氏谱（1994） ）
1 H p = ∫ Hf ( H )dH p H0
概率密度分布函数
∞
p=
∞
∫ f ( H )dH
H0
p = 1 / 100, 1 / 10, 1 / 3, 1
海洋要素计算及预报

海洋要素计算及预报


3.温度方程 TD TUD TVD T K H T R FT t x y D 4.盐度方程 SD SUD SVD S K H S FS t x y D 5.湍流动能方程
海底条件3模拟过程选取渤海冬夏季风场分别为夏季为南风5ms冬季为西北风8ms模拟时间层作为海表面9层作为底层分别模拟计算渤海冬夏季海水从表层到底层的流场海表面高度场并假定平均水深下的渤海冬夏季海水从表层到底层的流场利用matlab软件处理数据作图包括
基于 POM 的渤海冬夏季 风海流数值模拟报告
学院：海洋学院 专业：海洋科学 姓名：贺芊菡 学号：1429205 指导老师：刘浩
K M U Fx D VD UVD V 2 D V gD 2 0 ' ' D ' K M V d ' Fy fUD gD o t x y y D y D y '
1.2 渤海海洋要素简介
（1）水深
渤海整个海区水深较浅，平均深度只有 20 米左右，但是中部深度较大，最深处达 70 多米。 （2）风场 渤海盛行季风，冬夏季风风向交替，是以亚欧大尺度天气系统为背景。冬季主要受制于 大陆高压，高空槽后的冷空气频繁南下造成本区较强的偏北风，每年十月持续到次年三月， 平均风力 4-5 级，6 级以上强风出现频率多达 20%以上。夏季，渤海季风受我国东南部低压 和西北太平洋高压的控制，形成了 7-8 月份偏南风，平均风力 3 级，6 级以上强风频率约占 15%[1]。但是对于中、小尺度的边缘海，海面风不仅决定于大尺度系统而且还受海陆分布和 地形的很大影响，特别是像渤海这样深入大陆的内海，地方风效应尤为显著。
南通洋口港海洋气象要素分析和预报

南通洋口港海洋气象要素分析和预报

南通洋口港海洋气象要素分析和预报曹书涛;商兆堂;翟伶俐;朱同生;冯芝祥;陈祥甫【摘要】本文主要内容是南通洋口港海洋气象几种环境要素的分析和预报.选取国内外数值预报产品为预报因子,采用0,1回归方法,建立了四个关于海洋表面上的风力等级预报方程;采用三个简明的数学表达式反映海水表层温度的变化规律;采用投票法作出近海最大波高预报;采用统计分析方法,做出全年逐日、逐月高(低)潮时客观预报;采用误差分析法预测潮水到达紫菜养殖区或港口施工区的时间;实现了洋口港海洋气象4个要素的定量预报,并投入到紫菜养殖生产和洋口港海上施工气象科技服务工作中应用,其预报可信度受到了用户和海事等相关部门的认可与肯定.【期刊名称】《海洋预报》【年(卷),期】2010(027)003【总页数】4页(P7-10)【关键词】海洋;气象;要素;预报【作者】曹书涛;商兆堂;翟伶俐;朱同生;冯芝祥;陈祥甫【作者单位】江苏省如东县气象局,江苏,如东,226400;江苏省气象局,江苏,南京,210009;江苏省如东县气象局,江苏,如东,226400;江苏省如东县气象局,江苏,如东,226400;江苏省如东县气象局,江苏,如东,226400;江苏省如东县气象局,江苏,如东,226400【正文语种】中文【中图分类】P457南通洋口港位于如东县沿海，该县有全省九分之一的海岸线，七分之一的滩涂面积。

海洋捕捞，紫菜、文蛤、对虾等养殖业正成为支柱产业。

紫菜养殖的旺季，每天在滩涂上作业的渔民多达4～5万人。

由于遭受海洋不规则潮汐和不利气象条件的影响，近几年来，重特大海难事故的发生率有明显增加趋势。

如2001年以来，一次死亡7人以上海难事故就有4起，其中2007年4月15日发生了一次死亡19人的重大海难事故，使人民群众生命财产遭受严重损失。

本文重点研究和开发海面大风、大浪、潮汐涨、落时间和潮水到达养殖区和施工区的时间预报等内容，并把研究成果及时通过先进的通讯手段传送到渔民和施工作业人员手中，从而科学安全地从事海洋渔业生产和洋口港海上施工作业。

海洋要素计算实验报告(3篇)

第1篇一、实验目的本次实验旨在使学生掌握海洋要素计算的基本原理和方法，了解海洋物理、化学和生物等要素在海洋环境监测和海洋资源开发中的应用。

通过实验，学生能够学会使用相关软件进行海洋要素的计算，并分析计算结果。

二、实验原理海洋要素计算涉及多个学科领域，主要包括海洋物理、海洋化学和海洋生物学等。

以下简要介绍几个主要海洋要素的计算原理：1. 温度和盐度计算：根据海水密度、压力和温度之间的关系，利用海洋物理学中的状态方程进行计算。

2. 溶解氧计算：基于溶解氧在水中的溶解度与温度、压力和盐度之间的关系，利用相关公式进行计算。

3. 叶绿素a浓度计算：通过分析海水中的叶绿素a含量，可以间接反映海洋浮游植物的生物量，进而评估海洋生态系统的健康状况。

三、实验仪器与材料1. 仪器：实验室计算机、数据采集器、溶解氧测定仪、叶绿素a测定仪等。

2. 材料：海水样品、温度计、盐度计、pH计等。

四、实验步骤1. 采集海水样品：根据实验要求，采集不同深度、不同位置的海水样品。

2. 测量海水样品的物理和化学参数：使用温度计、盐度计、pH计等仪器测量海水样品的温度、盐度、pH值等参数。

3. 溶解氧和叶绿素a测定：使用溶解氧测定仪和叶绿素a测定仪分别测定海水样品中的溶解氧和叶绿素a含量。

4. 数据输入与计算：将采集到的数据输入相关软件，进行海洋要素的计算。

5. 结果分析：对计算结果进行分析，评估海洋环境状况和生态系统健康状况。

五、实验结果与分析1. 温度和盐度计算：根据实验数据，计算得到海水样品的温度和盐度分布图，分析其变化规律。

2. 溶解氧计算：根据实验数据，计算得到海水样品的溶解氧分布图，分析其与温度、盐度和pH值之间的关系。

3. 叶绿素a浓度计算：根据实验数据，计算得到海水样品的叶绿素a浓度分布图，分析其与海洋生态系统健康状况之间的关系。

六、实验结论1. 通过本次实验，掌握了海洋要素计算的基本原理和方法，了解了海洋物理、化学和生物等要素在海洋环境监测和海洋资源开发中的应用。

《海洋要素计算与预报》课程教学初探


性 ， 此 在 考 核 时 不 是 以 考 察 学 生 的 记 忆 因 为 主 ， 是 检 验 学 生 对 所 学 知 识 的 掌 握 程 而 度 和 应 用 技 巧 ， 其 是 借 助参 考 书 和 计 算 尤 机 解 决 实 际问 题 的 能 力 。
３结语
本 文 主 要 介 绍 了 在 海 洋 科 学 专 业 新 开 课 程 《 洋 要 素计 算 与 预 报 》 教学 内容 和 海 的 课 程 特 点 ， 此 基 础上 提 出 了 作者 对 该 课 在 程 教 学 的 一 些 思 考 ， 望 籍 此 推 动 该 课 程 希
一
单介绍外 ， 更加 测 重 各种 要 素 的 计算 和 预 报 。 学 生 掌 握Байду номын сангаас引潮 力 和 引 潮 势 的 展 开 的 在 基 础 上 ， 重 研 究 潮 汐 潮 流 的 分 析 方 法 和 着 预 报手段 ， 以及 和 港 口海 岸 工 程 相 关 的 潮 汐特 征 值 的计 算 方 法和 潮 汐 频 率 分 布 的应 用ｌ； 引导 学生 学 会 海 洋 观 测 数据 的主 要 获 ３ ＿
取 方 法 、 征 方 法 及 数 据 分 析 基 本原 理 ， 表 重
置 一 定量 的文 献 阅 读 ， 撰 写读 书 报 告 等 ， 并 进行课堂讨 论 ， 旨在 加 深 学 生 对 所 学 知 识 的理解 、 用 ， 宽学生的知识面 ， 运 拓 了解 本 门学科的最新进展 。 在 教 学 方 法 上借 助ＭＯＤＩ 星 图片 和 Ｓ卫
境 中的 物 理 要素 ， 了解 其 长 期 的 变 化 规 律 。 针 对 各 种 海 洋 动 力过 程 ， 门 课 程 除 本 了对主要 物理 海洋要 素如 潮汐 、 流 、 潮 海 流 、 度 、 度 以 及 海 浪 的 基本 概 念 进 行 简 温 盐

海洋要素计算与预报(海浪8)讲解

( x, y) a( x, y)eis( x,y)
(ccg) k 2ccg 0
s

k2

1 ccg a
(ccga)
------------ 绕射方程
(a2ccgs) 0 ------------- 能量方程
s 0 ------------- 折射方程
能量方程 x 方向用中差， y 方向用前差。
j 1
绕射方程 x 方向用中差， y 方向用后差。
j
j 1
x
缓坡方程的改进
注意到能量方程源自于虚部。
(a2ccgs) 0
波浪在近岸会由于浅水破碎和底摩擦而损耗能量。可以将缓坡方程加以改进，从而 反映能量耗散的作用。
改进的缓坡方程的一般形式为：
刈幅
方位方向 距离方向
§2 定点站海浪观测资料的统计分析
风速修正： 对于海浪一般取10分钟内的平均风速。
V10 0.056lnt 0.64 Vt
海浪玫瑰图： 波向是指来向。通常分成16个方位。 波高的统计分析。海浪依波高大小分为10个波级。 频率统计。
海浪波高、周期散射图 波高持续时间图
§3 近岸波的计算——折绕射
缓坡方程的建立（Berkhoff, 1972）
缓坡方程的适用条件：
d
1
kd
z y
x
d (x, y)
线性理论框架内的控制方程及边界条件为：
2

2 z 2


0,
d (x, y) z 0
g 0 t z0

z z0 t
(ccg) 2

cg c
iW

海洋要素计算与预报(海浪5)


作业 假定大气稳定度为中性，海面风速剖面为：
z U zn ln z0
利用Wu (1982) 的拖曳系数公式：
u*
103 Cd 0.8 0.065U10
将 U19.5 25 m/s 订正到10 m高度的风速。
U z u* z u* a
海面风应力：
au*2 aCdU 2
海面拖曳系数
C
1/ 2 d
1 z10 ln z 0
1
海面拖曳系数与海面粗糙度是一一对应的关系。 通常以线性函数拟合海面拖曳系数与风速的关系：
Cd (a bU) 103
波面附近气流中的压力分布
水平气流速度均匀，其值为 U 0 且忽略粘性，则于高度
z 波动
a exp[ik ( x ct)]
于气流内产生的压力起伏为：
U0 kz pa a g 1 e c
海上的风具有湍流性质，平均速度随高度增大，因此实际观测表明 波面附近的压力变化与上式有差异。此种情形的压力变化表示为：
ui p 1 2 ui ~~ uj uiuj (ui u j ) x j xi Re x j x j x j x j
波面附近气流中的湍流运动
湍流Reynolds应力起伏:
~ rij uiu j uiu j
将三个动量方程化成三个能量方程得到:
~w ~ w a u
波面附近气流中的湍流运动
无因次的Navier-Stokes方程和连续性方程为：
ui ui p 1 2ui uj t x j xi Re x j x j
ui 0 xi
将气流的运动分解为: ~ u ui ui u i i p p ~ p p 先进行相位平均，然后进行时间平均,得到平均运动的动量方程：
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K M U Fx D VD UVD V 2 D V gD 2 0 ' ' D ' K M V d ' Fy fUD gD o t x y y D y D y '
二．数值分析
（1）POM 模型简介
POM 是 Princeton Ocean Model 的简称,是由美国普林斯顿大学大气和海洋科学实验 室 Alan Blumberg 和 George L. Mellor 研制发展起来的一类海洋数值计算模式。其 主要特征为： （1）垂直方向的σ坐标变换。 （2）水平网格采用正交曲线坐标和 ArakawaC 差分格式。 （3）水平时间差分采用显格式，而垂直差分为隐格式 （4）自由表面可以模拟水位变化。 （5） 垂直和水平方向的混合扩散分别采用 2.5 阶的 Mellor-Yamada 湍流闭合模 式和 Smagorinski 模式。 （6） 内外模态分别处理速度较慢的内重力波和速度较快的外重力波以提高整个 模式计算效率。

K K q q 2l E1 M D D Dq3 g U 2 V 2 ( ) ( ) E K Fl W 3 H o B1
7.海面条件，
8.海底条件
（3）模拟过程
关键词:POM 模型，风海流，渤海，数值模型，物理海洋
一．背景概括
1.1 渤海地理位置
渤海位于北纬 37°7′～41°N，东经 117°35′～121°10′E 之间，深深的嵌入中国 大陆内部，仅以渤海海峡与北黄海相通，属于内陆海，可分为以下几部分。 辽东湾 位于长兴岛与秦皇岛一线以北。处于两条大断裂之间的地堑型凹陷，中部地势 平坦，东西两侧比较复杂。 渤海湾和莱州湾 是渤海西、 南部的两个凹陷区， 之间被黄河三角洲隔开。 地形平缓单调。 渤海海峡 位于辽东半岛南端的老铁山角与山东半岛北端的蓬莱角之间，南北宽约 106 公里。海峡北部的老铁山水道，是黄海海水进入渤海的主要通道。由于过水断面窄，束水流 急，海底被冲刷出一条 U 形深槽。 中央盆地 位于辽东湾、渤海湾、莱州湾和渤海海峡之间，是一个北窄南宽、近似三角形 的盆地，中部低而东北部稍高，构造上是一个地堑型凹陷。
五．参考文献
[1]. 窦振兴，张存智，张砚峰. 渤海风海流的数值计算[J]. 海洋学报(中文版). 1986 (05)：527-533. [2]. 王宗山，龚滨，李繁华，等. 黄渤海风海流的数值计算[J]. 黄渤海海洋. 1992 (02)：12-18. [3]渤海环流季节变化及机制分析研究_毕聪聪
渤海冬季水平流场第 3 层
渤海冬季水平流场第 4 层
渤海冬季水平流场第 5 层
渤海冬季水平流场第 6 层渤海冬季水平流场第 7 层来自渤海冬季水平流场第 8 层
渤海冬季水平流场第 9 层
结果分析：
比较夏、 冬第 1 层水平流场图， 渤海夏季风海流比相应的冬季的风海流要弱， 主要原因是由于夏季风的强度低于冬季风，流场方向基本与风场方向一致。 冬季 风在近岸水域形成了独特的带状沿岸流， 自渤海湾西部大致沿着等深线走向逆时 针流动，经过莱州湾到达渤海海峡。随着层数的增加，流向基本向表层流向的右 方偏移，第六层水平流场图，出现了较明显的转流现象，流速出现最小值，流向 基本与第一层流向垂直这在平均水生情况下尤为明显。 在底层第九层水平流场图，流向基本反向，流速普遍减弱，这在平均水深的 情况下更为明显；而在实际水深情况下，底层流速的最大值甚至超过了表层，这 是中下层存在补偿流的显著证据。 渤海环流的基本形态与渤海的岸线、地形，潮波系统有关，同时受到风、沿 岸径流、海表面热通量及淡水通量等有明显季节变化的因素的影响,总环流结构 发生改变,产生了较有规律的年内变化。
1.2 渤海海洋要素简介
（1）水深
渤海整个海区水深较浅，平均深度只有 20 米左右，但是中部深度较大，最深处达 70 多米。 （2）风场 渤海盛行季风，冬夏季风风向交替，是以亚欧大尺度天气系统为背景。冬季主要受制于 大陆高压，高空槽后的冷空气频繁南下造成本区较强的偏北风，每年十月持续到次年三月， 平均风力 4-5 级，6 级以上强风出现频率多达 20%以上。夏季，渤海季风受我国东南部低压 和西北太平洋高压的控制，形成了 7-8 月份偏南风，平均风力 3 级，6 级以上强风频率约占 15%[1]。但是对于中、小尺度的边缘海，海面风不仅决定于大尺度系统而且还受海陆分布和 地形的很大影响，特别是像渤海这样深入大陆的内海，地方风效应尤为显著。
3.2 根据海水深度情况，画出从表层到底层的流速矢量图
夏季（38.917°N,119.1663°E）点流速矢量图
冬季（38.917°N,119.1663°E）点流速矢量图
夏季（38.917°N,119.583°E）点流速矢量图
冬季（38.917°N,119.583°E）点流速矢量图
夏季（38.500°N,119.583°E）点流速矢量图
三．实验结果以及分析
3.1 夏，冬季从表层到底层的水平流场图
渤海夏季水平流场第 1 层
渤海夏季水平流场流第 2 层
渤海夏季水平流场第 3 层
渤海夏季水平流场第 4 层
渤海夏季水平流场第 5 层
渤海夏季水平流场第 6 层
渤海夏季水平流场 8 层
渤海水平流场第 9 层
渤海冬季水平流场第 1 层
渤海冬季水平流场第 2 层
（7）包含海水热力学方程
垂向 sigma 坐标系 （2）控制方程：
1.连续方程
DU DV 0 x y t
水平 Arakawa C 网格
2.海水运动方程 UD U 2 D UVD U gD 2 fVD gD o t x y x
选取渤海冬夏季风场分别为夏季为南风 5m/s，冬季为西北风 8m/s，模拟 时间 5 天，海水分为 9 层，其中 1 层作为海表面，9 层作为底层，分别模拟 计算渤海冬夏季海水从表层到底层的流场、海表面高度场， 并假定平均水深下的 渤海冬夏季海水从表层到底层的流场，利用 matlab 软件处理数据作图，包括： 实际水深下渤海冬夏季海水从表层到底层的水平流场，三点处冬、夏季 Ekman 螺旋线示意图；18m 平均水深下渤海冬夏季海水从表层到底层的水平流场图； 渤海冬夏季理想风场作用下的海面高度分布示意图，并以此作对照分析。
3.3 夏季和冬季理想风场作用下的海面高度分布图
夏季海面平均高度分布图
夏季海面实际高度分布图
冬季海面平均高度分布图
冬季海面实际高度分布图
结果分析：
从实际高度分布可以看出，夏季水体输运整体自南向北输运，与风向一致， 水体在渤海北部堆积，水位升高，而在渤海南部水位降低，但从数值来看，水位 变化并不明显。 冬季也有相似的现象， 水体自西北向东南方向输运， 与风向一致。 这说明水体输运主要受海面风场影响。
夏季（38.500°N,119.583°E）点流速矢量图
结果分析：
海面风力对海水的搅拌混合，使风的动量通过海面传给表面的海水后， 因海 水的粘滞性，依次传给下层的海水，使下层海水也流动起来。由于地转偏向力的 作用，在北半球，埃克曼漂流的表面流速，偏于风向右方 45°。表层以下的海 水随着深度的增加，流向不断右偏，流速也不断减小。以上六图在水平面上的投 影便称为埃克曼螺线。 以上六图中，夏季很好的与埃克曼理论相吻合，流速随水深主机逐渐减小， 并且方向发生改变， 而在冬季出现了下层流速没有逐渐减小的现象。 反而在中下 层有增强的趋势，此现象能说明下层可能存在一股补偿流。
四．总结 1.渤海环流情况，春冬季有明显的变化，冬季强夏季弱。 2.渤海环流上层受风应力影响，中层受地转偏向力影响，底层具有补偿流。 3.渤海地区从表层到底层流速的变化趋势基本与 Ekman 理论吻合， 在冬季底 层会受到补偿流的影响，使得中下层流速增大。 4.在理想风场下渤海内部水体输送较弱，冬季强于夏季，传输方向受风场影 响较大，整体水体输送仍以黄海向渤海输送为主。
x
0
' ' D ' d ' D x '
6.湍流混合长度方程 v q 2lD Uq 2lD Vq 2lD q 2l
t x y
2 Dq3 q 2 D Uq 2 D Vq 2 D q 2 K q q 2 2 K M U 2 V 2 2 g D ( ) ( ) K H B l Fq t x y D o 1
基于 POM 的渤海冬夏季 风海流数值模拟报告
学院：海洋学院 专业：海洋科学 姓名：贺芊菡 学号：1429205 指导老师：刘浩
摘要：利用 POM 模型以及给定的渤海冬季西北风（8m/s） ，夏季南风（5m/s） 风场,模拟渤海冬夏理想风场下的风海流场，海面高度分布情况，画出冬季和夏 季两个季节从表层到底层的水平流场图； 根据水深任取点画出从表层到底层流速 矢量端的连线；针对某一断面（等纬度） ，画出该断面的流速矢量图结合物理海 洋知识进行分析。
3.温度方程 TD TUD TVD T K H T R FT t x y D 4.盐度方程 SD SUD SVD S K H S FS t x y D 5.湍流动能方程
3.4 等经度断面的流速矢量图
夏季纬度为 38.417°的断面流量矢量图
冬季纬度为 38.417°的断面流量矢量图
结果分析： 等纬度断面的流速分布图中我们可以看出，水体流速随深度的增加而减小， 夏季 流速比冬季较强些。冬季与夏季水体传输方向相反。水体流速方向受地形影响， 会沿着地形传输。 随着深度的增加，可以发现箭头也逐渐趋于水平化。这说明在中下层水体 传输主要以水平传输为主，而在表层存在水平与垂直方向的传输。