海洋环流与波动重点实验室知识库

        由台风所产生的涌浪因其携带能量高、影响范围广、观测难度大等特点，在大气科学、海洋科学和海洋工程等方面备受关注。同时，台风的非对称结构及其变化常伴随着台风强度的变化，并影响台风浪的生成和发展。这使得利用真实观测对台风所产生的涌浪进行追踪和分析显得极为重要。本文通过星载合成孔径雷达（SAR）波模式（WaVe mode，WV）产品的涌浪观测数据，追踪台风所产生的涌浪，对台风涌浪场的空间结构、形成机制、台风与涌浪场波长之间的关系以及涌浪波长的预报方法进行了初步探索。
        利用Sentinel-1A&B卫星观测的涌浪波长、波向、波高，IBTrACS最佳路径数据集提供的台风观测数据、最优路径信息以及ECMWF的海面风场数据，建立基于SAR波模式数据的台风涌浪追踪方案，追踪了2015年至2018年间太平洋海域台风所产生的涌浪，并按照台风数据划分为6小时分辨率的涌浪场数据集。结果显示，共有126个台风的2373个6小时台风点获取了较完整的涌浪场观测数据。随后，Sentinel-1波模式数据与浮标数据的涌浪波长和波向对比结果显示，波长和波向的均值偏差分别小于-10.06和9.08，均方根误差分别小于35.44米和15.21度，且其统计特征随涌浪传播距离的变化较小。而与WW3对比的统计结果显示，涌浪波长、波向和有效波高的均值偏差分别为-19.51，-10.34和-0.29，均方根误差分别为83.91米，91.30度和0.81米，WW3模拟的台风涌浪参数存在明显的误差。
        在Sentinel-1A&B波模式获取的台风涌浪场数据集的基础上，对台风强度、移动速度与台风涌浪场波长之间的关系以及涌浪场波长进行统计分析。结果显示，台风前和台风后涌浪场波长存在着明显的非对称特征。其中，台风前涌浪决定着非对称特征的强度，并且受台风风场强度、大小以及台风移动速度影响。在中等移动速度下，台风前和台风后涌浪波长最大差值可达约200米。在台风左侧和台风右侧的涌浪波长并没有明显的非对称特征。此外，涌浪波长的非对称强度可以通过台风下海浪发展程度进行解释，并符合风时-风区理论，与等效风区呈线性关系。在不同的移动速度下，积分动能（IKE）越大，台风前涌浪波长越长，涌浪场非对称特征越明显。同时也对WW3台风涌浪数据误差较大的原因进行了分析。该结果有助于修正台风海浪数值模型参数，提高台风浪数值预报能力。
        此外，本文还通过Kudryavtsev等（2015）的海浪成长模型对台风KILO（2015）和台风HECTOR（2018）的4个示例的台风外涌浪场波长进行模拟分析。该模型能够较好的模拟出台风RF象限和LR象限的回传涌浪波长特征。通过敏感性分析发现，在台风强风区下涌浪的无量纲风区长度、逆波龄、涌浪生成位置和10米风速决定着涌浪离开台风强风区时的状态。其中，在RF象限内台风涌浪波长与无量纲风区长度成正比，与逆波龄成反比。并且当逆波龄值趋于1时，涌浪在离开台风强风区时将会获得充分发展，而在LR象限则相反。当无量纲风区长度( χ) ̃为10^3~10^5或回传路径到台风中心平均距离r与台风最大风速半径比值为2～5时涌浪波长可获得最佳模拟效果，波长均方根误差约为50米。上述取值范围可作为台风涌浪参数化方案的参考。
        本文进一步对西地中海海域高度计海面高度计产品中非潮汐混叠误差进行校正。在此研究中，分别采用空间均值法和EOF分析法对15个验潮站记录的高频振荡信号进行提取，然后对Jason-1和Envisat的SLA观测值中的混叠误差进行校正。结果表明，在高度计数据校正中，EOF分析方法明显优于空间均值方法。经过EOF校正后，Jason-1的长周期SLA与验潮站观测值的相关性（COR）在90％站位增加了约5％，与Envisat的SLA增加了约3％。对于空间均值法校正后，在验潮站位置，只有约70％的Jason-1和Envisat数据的相关性增加了约2％。EOF方法校正将平均误差百分比（PEL）降低了约30％，而空间均值法校正使PEL的平均百分比反而提高了约20％。经EOF方法校正后，高度计观测结果与西地中海强流和涡流的分布更加一致。结果表明，所提出的EOF方法对于非潮汐混叠校正更为有效和准确。

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究进展 4

1.2.1台风浪观测现状 4

1.2.1.1现场观测 4

1.2.1.2卫星大面观测 5

1.2.2台风浪研究进展 8

1.2.3台风浪计算模型/台风风区参数化模型 10

1.2.4高度计观测混叠现象的研究现状 12

1.3 研究内容 13

1.3.1拟解决的关键问题 13

1.3.2主要内容与组织框架 13

第2章 海浪基本理论与SAR海浪观测 15

2.1海浪基本理论 15

2.1.1线性波浪（艾里）理论 16

2.1.2海浪的传播 17

2.1.3海浪描述 19

2.2 SAR海浪观测 21

2.2.1 SAR海面成像机制 21

2.2.2 SAR海浪成像机制 24

2.2.3 SAR海浪反演方法 28

2.2.3.1 SAR非线性变换 29

2.2.3.2 SAR方位向截止波数 31

2.2.3.3 海浪参数计算 32

2.3 本章小节 32

第3章 台风海浪数据集构建和校正 33

3.1数据描述 33

3.1.1 Sentinel-1数据介绍 33

3.1.1.1 Sentinel-1卫星简介 33

3.1.1.2 Sentinel-1卫星数据产品 34

3.1.2 台风数据 36

3.1.3 WAVEWATCH III海浪模式数据 37

3.1.4 浮标数据 38

3.2 数据匹配及验证指标 39

3.2.1 涌浪数据时-空匹配方法 39

3.2.2 涌浪的一致性判定方法 40

3.2.3 验证指标 41

3.3数据集构建方法 42

3.3.1 初始台风涌浪场获取 42

3.3.2 初始台风涌浪场数据质量控制 44

3.3.3 台风浪场数据集总述 48

3.4 SAR与台风涌浪数据校验 49

3.4.1 SAR波模式数据与浮标数据的比较 49

3.4.2 SAR与WW3数据的比较 51

3.5本章小节 52

第4章 台风涌浪场特征及其机制分析 55

4.1台风涌浪场空间结构及其影响因子 55

4.1.1分析设定 55

4.1.2台风涌浪场的非对称 57

4.1.3台风强度、移动速度与涌浪场非对称 60

4.1.4主要结论 62

4.2台风风场对涌浪场的影响 63

4.2.1台风等效风区计算方法 64

4.2.2台风风区的影响 66

4.3台风能量的影响 67

4.4数值模式台风涌浪场数据分析 70

4.4.1WW3获取台风涌浪场分布 70

4.4.2 WW3模拟结果分析 72

4.5本章小节 73

第5章 台风外涌浪成长条件模拟与印证 77

5.1引言 77

5.2个例概况 78

5.3台风下海浪模拟 80

5.3.1模拟方案设置 80

5.3.2海浪成长模型 81

5.3.3台风风场模型 84

5.4涌浪传播个例研究结果 86

5.4.1涌浪发展过程验证 86

5.4.2风区、波龄对涌浪波长的影响 88

5.4.3观测涌浪波长与模型模拟波长对比 90

5.5本章小结 94

第6章 高度计去混叠方法研究 95

6.1引言 95

6.2数据描述及处理方法 98

6.2.1验潮站数据 98

6.2.2高度计数据 100

6.3高频混叠信号在地中海产生机制 101

6.4两种混叠校正方法 102

6.4.1EOF分析方法校正 102

6.4.2空间均值法校正 103

6.5混叠结果分析与校验方法 104

6.5.1沿轨SLA插值 104

6.5.2混叠信号周期分析方法 104

6.5.3混叠校正的校验方式 105

6.6混叠校正结果比较与分析 105

6.6.1非线性混叠信号分析 105

6.6.2 Jason-1和Envisat去混叠结果 108

6.6.3两种去混叠方法比较 110

6.7本章小结 111

第7章 总结与展望 113

7.1 研究工作总结 113

7.2 创新点 115

7.3 今后工作展望 116

参考文献 119

致 谢 137

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 139