西北太平洋船载海面风速脉动资料校正及湍流特征分析
发布时间：2021-08-26 13:15
对西北太平洋海域2005年9—11月"东方红Ⅱ"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。校正方法数据处理步骤如下:在双对数坐标系下,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。观测期间西北太平洋海区大气多处于热力作用较强的弱不稳定及不稳定条件,无量纲风速标准差与稳定度参数z/L之间能很好地符合1/3次方定律;各方向湍流强度分别为0.091、0.076、0.043;拖曳系数约为（1.30±0.26）×10 3,与他人在该海域的观测结果类似。
【文章来源】：热带海洋学报. 2013,32(03)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
校正前后功率谱比较
12热带海洋学报Vol.32,No.3/May,2013长度:3*/vL=θuκgw′θ′,vθ为特征温度,κ为Karman常数,g为重力加速度,w′及θ′为垂直风速和温度的脉动值。通常认为在近地层内小尺度湍流运动是各向同性的,Foken和Wichura[21]提出标准偏差相似性关系图3无量纲风速标准差随稳定度的变化a.*/uσu；b.*/vσu；c.*/wσuFig.3Standarddeviationsofdimensionlesswindspeedversusstabilityparameter可作为涡动相关系统数据质量的检验标准。根据相似理论假设,在不稳定大气条件下无量纲风速标准差*/uσu、*/vσu、*/wσu正比于1/3(z/L)。航次期间,大气多处于近中性及热力作用较强的不稳定条件。由图3可见,近中性及弱不稳定条件下,无量纲风速标准差趋于常数,三个方向分别约为2.28、1.81、1.16。不稳定条件下无量纲风速标准差与稳定度参数z/L之间能很好地符合1/3次方定律,对数据进行1/3*/(/)iσu=CzL形式拟合,C为拟合系数。拟合系数分别为2.59、2.39、1.27。前人已有的研究大多是稳定层结下的结果,不稳定条件下得到的结果较少。表1为本文与其他研究的对比,其中Sad和Druilhet[1],Hedde和Durand[22]等给出的是利用飞机在海洋上空观测得到的分析结果；闫俊岳等[12]给出了近中性条件(z/L≈0)下在西沙永兴岛近海水泥平台上观测分析得到的计算结果,不稳定条件下各方向无量纲风速标准差随稳定度的变化与本文结果相似,但原文未给出拟合系数；马耀明等[23]给出了南沙渚碧礁近海水泥平台上短期观测的结果；可以看出,不同海域的结果与本文研究结果之间具有可比性。3.2湍流强度湍流强度为各方向风速脉动标准差(uσ,vσ,wσ)
王洁等:西北太平洋船载海面风速脉动资料校正及湍流特征分析13图4uσ、vσ、wσ随平均风速U的变化Fig.4uσ,vσ,wσversusaveragedwindvelocity1.096、0.066、0.045,日本Sagami湾[24]的结果为0.089、0.060、0.044；其中前者没有考虑风速小于2m·s1的情况,后者是在海洋观测塔6.14m高度处获得的结果。本航次观测持续时间较长,经过的海域面积非常大,既有人类活动频繁的大陆架海区,也有水深超过几千米的深海大洋,海面湍流特征具有一定的空间代表性,但航次中天气过程有较大的变化,因此具体到各海区的湍流强度可能还会有较大的变化。3.3动量通量及曳力系数海表大气通过湍应力向海洋输送动量从而驱动上层海洋的运动,动量通量(τ)代表海气边界层湍流交换的输送能力。由图5可以看出,动量通量对风速有强烈的依赖性,拟合关系为τ=0.00152U,图5中蓝线为闫俊岳等[25]2002年在西沙海区进行的第三次南海海-气通量观测试验资料得到的结果(τ=0.001852U0.00559U+0.01248),由图可见两者的拟合关系非常一致。比孙启振等[26]由COARE3.0算法计算得到的结果(τ=2u×1.7×103)相比略小,与马耀明等[27]南沙海域的计算结果类似。当风速小于4m·s1时,海面较为光滑,动量通量趋于一个常数,平均值约为0.0063。当风速大于4m·s1时,动量通量随风速增大,这是因为随着风速增大,海面粗糙度变大,动力湍流增加,大气向海洋输送的动量通量不断增加。图5动量通量τ随平均风速U的变化Fig.5Momentumflux(τ)versusaveragedwindvelocity(U)近海面层大气动量参数常用拖曳系数来表示,该参数是大气边界层模式中的重要参数之一,海气相互作用的动力学模式需要把曳力系数作为初始场输入,卫星遥
【参考文献】：
期刊论文
[1]2008年南海季风爆发前后西沙海域海气通量变化特征[J]. 孙启振,陈锦年,闫俊岳,张秀芝,黄磊,王长科,姚华栋,赵学华,陈长丘. 海洋学报(中文版). 2010(04)
[2]北黄海秋季海表面热量通量与能量收支的观测研究[J]. 王仁磊,高会旺,顾明,薛宇欢. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2009(S1)
[3]北黄海海域大气湍流强度特征及风速标准差相似性分析[J]. 高会旺,顾明,王仁磊,薛宇欢. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2009(04)
[4]南海蒸发和净淡水通量的季节和年际变化[J]. 曾丽丽,施平,王东晓,陈举. 地球物理学报. 2009(04)
[5]南海海—气通量交换研究进展[J]. 闫俊岳,刘久萌,蒋国荣,王辉,柳艳菊,姚华栋. 地球科学进展. 2007(07)
[6]由船载超声风速仪数据计算U*的一种方法[J]. 李曜,徐德伦. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2006(S2)
[7]2002年南海季风爆发前后西沙海区海-气通量交换及其变化[J]. 闫俊岳,唐志毅,姚华栋,李江龙,肖义国,陈弈德. 地球物理学报. 2005(05)
[8]2002年南海夏季风爆发期间南海北部海气通量分析与比较[J]. 陈奕德,蒋国荣,张韧,闫俊岳,姚华栋,唐志毅. 大气科学. 2005(05)
[9]1998年南海季风爆发期间近海面层大气湍流结构和通量输送的观测研究[J]. 闫俊岳,姚华栋,李江龙,王强,杨志勇. 气候与环境研究. 2000(04)
[10]1998年SCSMEX期间南海夏季风海气交换的主要特征[J]. 曲绍厚,胡非,李亚秋. 气候与环境研究. 2000(04)
本文编号：3364308
【文章来源】：热带海洋学报. 2013,32(03)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
校正前后功率谱比较
12热带海洋学报Vol.32,No.3/May,2013长度:3*/vL=θuκgw′θ′,vθ为特征温度,κ为Karman常数,g为重力加速度,w′及θ′为垂直风速和温度的脉动值。通常认为在近地层内小尺度湍流运动是各向同性的,Foken和Wichura[21]提出标准偏差相似性关系图3无量纲风速标准差随稳定度的变化a.*/uσu；b.*/vσu；c.*/wσuFig.3Standarddeviationsofdimensionlesswindspeedversusstabilityparameter可作为涡动相关系统数据质量的检验标准。根据相似理论假设,在不稳定大气条件下无量纲风速标准差*/uσu、*/vσu、*/wσu正比于1/3(z/L)。航次期间,大气多处于近中性及热力作用较强的不稳定条件。由图3可见,近中性及弱不稳定条件下,无量纲风速标准差趋于常数,三个方向分别约为2.28、1.81、1.16。不稳定条件下无量纲风速标准差与稳定度参数z/L之间能很好地符合1/3次方定律,对数据进行1/3*/(/)iσu=CzL形式拟合,C为拟合系数。拟合系数分别为2.59、2.39、1.27。前人已有的研究大多是稳定层结下的结果,不稳定条件下得到的结果较少。表1为本文与其他研究的对比,其中Sad和Druilhet[1],Hedde和Durand[22]等给出的是利用飞机在海洋上空观测得到的分析结果；闫俊岳等[12]给出了近中性条件(z/L≈0)下在西沙永兴岛近海水泥平台上观测分析得到的计算结果,不稳定条件下各方向无量纲风速标准差随稳定度的变化与本文结果相似,但原文未给出拟合系数；马耀明等[23]给出了南沙渚碧礁近海水泥平台上短期观测的结果；可以看出,不同海域的结果与本文研究结果之间具有可比性。3.2湍流强度湍流强度为各方向风速脉动标准差(uσ,vσ,wσ)
王洁等:西北太平洋船载海面风速脉动资料校正及湍流特征分析13图4uσ、vσ、wσ随平均风速U的变化Fig.4uσ,vσ,wσversusaveragedwindvelocity1.096、0.066、0.045,日本Sagami湾[24]的结果为0.089、0.060、0.044；其中前者没有考虑风速小于2m·s1的情况,后者是在海洋观测塔6.14m高度处获得的结果。本航次观测持续时间较长,经过的海域面积非常大,既有人类活动频繁的大陆架海区,也有水深超过几千米的深海大洋,海面湍流特征具有一定的空间代表性,但航次中天气过程有较大的变化,因此具体到各海区的湍流强度可能还会有较大的变化。3.3动量通量及曳力系数海表大气通过湍应力向海洋输送动量从而驱动上层海洋的运动,动量通量(τ)代表海气边界层湍流交换的输送能力。由图5可以看出,动量通量对风速有强烈的依赖性,拟合关系为τ=0.00152U,图5中蓝线为闫俊岳等[25]2002年在西沙海区进行的第三次南海海-气通量观测试验资料得到的结果(τ=0.001852U0.00559U+0.01248),由图可见两者的拟合关系非常一致。比孙启振等[26]由COARE3.0算法计算得到的结果(τ=2u×1.7×103)相比略小,与马耀明等[27]南沙海域的计算结果类似。当风速小于4m·s1时,海面较为光滑,动量通量趋于一个常数,平均值约为0.0063。当风速大于4m·s1时,动量通量随风速增大,这是因为随着风速增大,海面粗糙度变大,动力湍流增加,大气向海洋输送的动量通量不断增加。图5动量通量τ随平均风速U的变化Fig.5Momentumflux(τ)versusaveragedwindvelocity(U)近海面层大气动量参数常用拖曳系数来表示,该参数是大气边界层模式中的重要参数之一,海气相互作用的动力学模式需要把曳力系数作为初始场输入,卫星遥
【参考文献】：
期刊论文
[1]2008年南海季风爆发前后西沙海域海气通量变化特征[J]. 孙启振,陈锦年,闫俊岳,张秀芝,黄磊,王长科,姚华栋,赵学华,陈长丘. 海洋学报(中文版). 2010(04)
[2]北黄海秋季海表面热量通量与能量收支的观测研究[J]. 王仁磊,高会旺,顾明,薛宇欢. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2009(S1)
[3]北黄海海域大气湍流强度特征及风速标准差相似性分析[J]. 高会旺,顾明,王仁磊,薛宇欢. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2009(04)
[4]南海蒸发和净淡水通量的季节和年际变化[J]. 曾丽丽,施平,王东晓,陈举. 地球物理学报. 2009(04)
[5]南海海—气通量交换研究进展[J]. 闫俊岳,刘久萌,蒋国荣,王辉,柳艳菊,姚华栋. 地球科学进展. 2007(07)
[6]由船载超声风速仪数据计算U*的一种方法[J]. 李曜,徐德伦. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2006(S2)
[7]2002年南海季风爆发前后西沙海区海-气通量交换及其变化[J]. 闫俊岳,唐志毅,姚华栋,李江龙,肖义国,陈弈德. 地球物理学报. 2005(05)
[8]2002年南海夏季风爆发期间南海北部海气通量分析与比较[J]. 陈奕德,蒋国荣,张韧,闫俊岳,姚华栋,唐志毅. 大气科学. 2005(05)
[9]1998年南海季风爆发期间近海面层大气湍流结构和通量输送的观测研究[J]. 闫俊岳,姚华栋,李江龙,王强,杨志勇. 气候与环境研究. 2000(04)
[10]1998年SCSMEX期间南海夏季风海气交换的主要特征[J]. 曲绍厚,胡非,李亚秋. 气候与环境研究. 2000(04)
本文编号：3364308
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