西北太平洋船载海面风速脉动资料校正及湍流特征分析

论文摘要

当今全球天气气候变化愈演愈烈，地球表面70%以上被海洋覆盖，大气与陆地和海洋等其它系统的相互作用日益引起人们的重视。海洋与上层大气之间通过海气边界层内的湍流运动实现物质和能量的交换，海气边界层内的通量输送是研究海-气相互作用规律的关键所在。本文利用东方红II在2005年9月-11月西北太平洋海域的通量观测数据，通过对风速脉动资料校正方法的探讨以及对大气湍流特征的分析，可以得到以下主要结论：（1）对西北太平洋航次的船载风速脉动资料的功率谱分析发现，在频率区间0.06-0.26Hz普遍存在一个由于船体晃动而产生的异常峰值，本文提出了一种消除船体晃动干扰的滤波校正改进方法。处理步骤如下：根据双对数坐标系下惯性区功率谱密度和频率呈线性关系的特点，利用受干扰频率区间前后的功率谱密度值，线性拟合得到该区间内的功率谱趋势线；然后利用原始功率谱和趋势线反演得到受干扰频率区间的校正功率谱；最后通过傅里叶逆变换得到校正后的海面风速脉动资料序列。通过滤波校正方法结果与船体运动姿态校正系统结果的对比，以及对校正后风速脉动资料湍流特征量的分析表明了该方法用于校正船体晃动对船载海面风速脉动观测影响的可行性。（2）本文西北太平洋航次期间，大气多处于弱不稳定及不稳定状态。利用校正后的资料计算得到的无量纲风速标准差与大气稳定度相似性关系均符合Monin-Obukhov相似理论的“1/3”次方定律；本航次中三个方向的平均湍流强度Iu、Iv、Iw分别为0.091、0.076、0.043；摩擦速度随平均风速的增大而增大，线性拟合关系为：u*=0.0375*U0.0278。动量通量与平均风速关系密切，风速小于4m/s时，海面较为光滑，动量通量趋于一个常数，平均值为0.0063；风速大于4m/s时，随着近海面层风速增大，海面粗糙度变大，动量通量增大；拟合关系为：τ=0.0015U2。本航次西北太平洋海域近中性及不稳定条件下拖曳系数约为（1.30±0.26）×10-3，与他人在西北太平洋不同海域的结果类似，具有一定的空间代表性。（3）走航过程中，三维风速脉动观测的影响因素包括船体运动包括船体的行进、上下沉浮、船体摆动；影响脉动风速观测的因素更为复杂，如走航过程中主导风向不可能始终正对船头方向，所测流场不可避免的受到船体障碍物的影响本文采取如下数据处理步骤来校正三维风速：①去野点；②船体运动姿态校正；③滤波校正；④坐标转换；⑤剔除经过处理后风速脉动序列中出现的量级偏大的极大值；⑥线性拟合去除平均趋势。经过本文校正步骤的一系列处理，走航资料无量纲风速标准差σ u/u*，σ v/u*，σ w/u*随稳定度参数（ζ）的变化，湍流强度，动量通量τ与拖曳系数等湍流特征与停船资料非常一致；通过本文数据处理步骤，走航数据具备了较高的数据质量，能够运用涡动相关技术进行各湍流通量的估计。（4）本文西北太平洋航次感热通量和潜热通量的平均值分别为6.8W/m2和107.6W/m2，该航次的鲍文比平均值约为0.063，热通量结果多为正值表明热量输送主要是由海洋输送给大气，以潜热输送为主。感热通量与潜热通量的日平均变化均不明显；同时白天由于太阳辐射使得海表温度略微上升，使得潜热通量总体上呈现白天略高于晚上。（5）本文将西北太平洋的观测结果与西北太平洋海区2005年9月-11月ECMWF和OAFlux平均热通量结果进行了对比分析，其中ECMWF感热通量预报结果与实测资料相比偏大；OAFlux的资料结果与本文西北太平洋航次运用涡动相关法的到的感热通量和潜热通量的量级更为相似，该海域鲍文比在0.050.09之间，与本文及他人过去在西北太平洋海区的实测结果比较接近。OAFlux通量计算中采取了最佳的海面气象学参数和最佳的整体参数估计方法提高了感热通量和潜热通量的估计精度，该方法适用于0–20m/s风速范围，在风速0-10m/s内计算误差在5%以内，10-20m/s范围内误差在10%以内。×

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 涡动相关法简介
• 1.4 论文研究内容
• 2 数据说明及观测海区概况
• 2.1 数据来源及观测海区的气候概况
• 2.2 样本处理
• 3 涡动相关法观测系统
• 3.1 观测系统的基本构成
• 3.2 仪器安装
• 4 数据处理步骤
• 4.1 野点剔除
• 4.2 坐标旋转校正
• 4.3 线性趋势去除
• 4.4 超声虚温校正
• 4.5 带通滤波校正改进方法去除船体晃动的干扰
• 4.5.1 带通滤波校正改进方法介绍
• 4.5.2 校正方法的效果检验
• 4.6 运用船体运动姿态数据校正三维风速
• 4.7 计算公式
• 5 资料处理与结果分析
• 5.1 停船资料处理资料处理及结果分析
• 5.1.1 停船资料前期处理步骤
• 5.1.2 停船资料结果分析
• 5.1.2.1 无量纲风速标准差
• 5.1.2.2 湍流强度
• 5.1.2.3 摩擦速度
• 5.1.2.4 动量通量与曳力系数
• 5.2 行船过程中资料处理及结果分析
• 5.2.1 走航资料前期处理
• 5.2.2 走航资料与停船资料湍流特征对比
• 5.3 各通量结果讨论
• 5.3.1 走航资料数据处理方法对各通量结果的影响
• 5.3.2 感热通量和潜热通量
• 5.3.3 各通量结果与西太平洋邻近海域观测试验结果的比较
• 5.4 本文观测资料与 ECMWF 和 OAFLUX再分析通量资料的对比分析
• 5.4.1 西北太平洋海区 2005 年 9 月-11 月 ECMWF 和 OAFLUX平均热通量结果
• 5.4.2 OAFLUX再分析通量资料处理方法简介
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望与不足
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文