降雨对表面波结构影响的实验研究

发布时间：2020-11-02 06:19

　　 降雨是常见的大气现象,在海表面特征量的研究中,降雨的影响不可忽略,特别是对卫星高度计数据反演海面风速的研究中,海面粗糙度的变化会影响雷达返回数据从而影响风速估算的准确性。自然界中,由于风场和重力的作用,雨滴对海-气界面会产生水平和铅直方向上的动量和质量输入,因此降雨过程必然会对海面粗糙度、海面风应力等产生影响。早期的海洋学家认为,降雨可以让海面趋于平静,之后的研究发现,降雨对海面波浪的影响是双重的:在重力波频段,降雨使波浪衰减,但在毛细波/毛细重力波频段,降雨则促进波浪成长。然而降雨如何影响海面粗糙度和海面应力还存在着很大争议,对海浪谱微结构的影响机制还不清楚。 本文通过实验室实验的方法,对降雨对海面粗糙度以及风浪和涌浪成长的影响进行了初步的分析。实验中在风浪槽内采用造波板制造单频的机械造波,用不同的风速吹风形成风浪,以及在降雨区前将风从导出水槽的方式形成涌浪三种方式模拟海面波浪;将人工降雨模拟装置安装在水槽中部的上方模拟自然条件下的降雨。为了探讨不同降雨区长度和降雨强度对波浪的影响,实验时首先固定降雨强度,将降雨区长度设定为2m、4m和6m三种情形,然后将雨区长度固定为4m,将降雨强度设定为90,112.5,135 mm hr~(-1)三种情况,分别用高频多普勒流速仪ADV、钽丝波高计以及皮托管测量分别测量三维流动、波面位移和水面上不同高度的风速,对降雨前后波浪谱形、波浪总能量和海面粗糙度的变化进行了分析。 作者根据波高计记录的波面位移数据计算了海浪谱,初步讨论了降雨对波浪成长的影响,对同一频率的机械波、同风速下的涌浪和风浪在不同降雨情况下的变化进行了比较,分析结果表明:在低风速下降雨对波浪谱形有较为明显的影响,而在高风速下降雨对风浪和涌浪的成长影响不明显。从总体来看,低风速时降雨对高频波有增强效应,而对低频波有抑制作用。对单位面积内波浪总能量和有效波高的分析发现:机械波部分,降雨使波浪总能量增加,波浪总能量和平均波高随雨区长度的增大而增大;对于涌浪,波浪总能量在降雨时减小,且随雨区长度的增加和降雨强度的增大而减小;风浪部分降雨强度较大时,中低风速下波浪总能量增大,高风速时则相反;降雨强度较小时风浪总能量在低风速下变化不大,高风速时随降雨强度的增大而减小。利用海浪功率谱计算海面均方波陡从而对海面粗糙度的分析发现,涌浪部分降雨使海面粗糙度减小,而风浪的情形风速较大时粗糙度的变化很小。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2009
【中图分类】：P426;P731.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
第一章 绪论
    1.1 研究意义
    1.2 关于降雨影响的研究
    1.3 本文研究内容和方法
第二章 降雨对表面波结构的影响及机制
    2.1 降雨引起的垂向混合
        2.1.1 混合作用的理论分析
        2.1.2 关于混合深度的研究
        2.1.3 各参量对波浪衰减的影响
    2.2 雨滴与表面波的动量交换
        2.2.1 垂向动量交换
        2.2.2 降雨产生的水平应力
    2.3 毛细波的产生与粗糙度
    2.4 降雨对雷达数据反演风速的影响
        2.4.1 高度计对海面波高的测量
        2.4.2 高度计对海表风速的反演
        2.4.3 降雨对高度计测量结果及风速反演的影响
第三章 数据处理方法
    3.1 风应力的定义与风速数据的处理
        3.1.1 海面风应力的原始定义
        3.1.2 测量海面风应力的三种方法
        3.1.3 风速数据的处理
    3.2 波浪数据的处理
        3.2.1 相关函数法
        3.2.2 周期图法
        3.2.3 与谱相关的特征量的计算
    3.3 海面粗糙度与相关参量的计算
        3.3.1 海面粗糙度的计算方法
        3.3.2 均方波陡的计算
    3.4 海浪波组分间的非线性相互作用
第四章 实验结果分析
    4.1 实验简介
        4.1.1 实验仪器设备
        4.1.2 实验数据的采集
        4.1.3 观测数据说明
    4.2 降雨对海浪谱的影响
        4.2.1 同频率机械波功率谱的比较
        4.2.2 同风速下涌浪功率谱的比较
        4.2.3 同风速下风浪功率谱的比较
    4.3 降雨对波浪总能量的影响
        4.3.1 降雨对机械波的影响
        4.3.2 降雨对涌浪的影响
        4.3.3 降雨对风浪的影响
    4.4 降雨对海面粗糙度的影响
        4.4.1 雨区长度的影响
        4.4.2 降雨强度的影响
    4.5 实验分析中的干扰因素
        4.5.1 两测点处观测值的不同
        4.5.2 波组分间的非线性相互作用
        4.5.3 Doppler效应的影响
第五章 结论与展望
    5.1 降雨对表面波影响的总结
        5.1.1 降雨对海浪谱的影响
        5.1.2 降雨对波浪总能量的影响
        5.1.3 降雨对表面粗糙度的影响
    5.2 本文不足与展望
参考文献
致谢
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本文编号：2866680