论文摘要
海面微尺度波主要是指毛细波和毛细重力波,通常骑行在长重力波上,它是影响海-气界面动量、热量和物质交换的重要因素。国家海洋局第一海洋研究所在国家863项目的支持下研制出基于颜色编码原理的“海面微结构光学测量装置”,并进行了大型动力实验水槽和海洋现场实验,获取了大量的海面微结构图像数据。本文利用“微结构光学测量装置”获取的图像数据开展了数据处理方法研究,给出了微结构图像波面斜率校准、斜率波数谱提取和频率谱提取方法。首先进行了海面微结构图像的波面斜率校准研究,分析了标准定标小球两次折射的影响,给出了利用净水面图像提取微尺度波斜率时系统误差修正方法。在此基础上,指出标准小球定标过程中噪声点对定标结果的影响不可忽视,实际处理时必须将噪声点滤除,并给出滤除阈值。其次,利用校准后的斜率计算得到微尺度波的有效波高,进而计算微尺度波的斜率波数谱和频率谱。但由于海面微结构图像大小有限,这样长重力波被有限截断,导致在谱分析时出现频率混叠,即Gibbs现象。因此本文引入二维EMD（经验模态分解）方法滤除造成频率混叠的长重力波,然后进行傅立叶变换,得到海面微尺度波谱,进一步处理得到斜率波数谱和频率谱。斜率波数谱提取结果表明:波数在约小于37rad/cm时,波数谱以波数的-3次方下降;在波数约为3rad/cm时,出现了“dip”现象,此现象与国外已有结果一致。频率谱提取结果表明:频率谱按照频率的幂指数率下降,但利用实验计算结果和半经验模式结果的幂指数的值有差异。再次,分析了微尺度波斜率波数谱以及频率谱对风速的依赖性,得到了共同的变化特征:谱值随风速的增加而增加,但增加的幅度随风速增加而减小。最后,将上述算法集成为“海面局部微尺度图像数据处理系统”。