海表风场的计算与分析【毕业论文】.doc

1、本科毕业论文（20 届）海表风场的计算与分析所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I目录1. 前言 .11.1. 风应力的概念 .21.2. 风应力计算 .31.3. 本文的研究工作 .42. 数据和分析 .42.1. 数据来源 .42.2. Matlab 的介绍 .52.3. 处理过程 .63. 海表风场的分析结果 .73.1. 风应力变化结果分析 .73.2. 台风 .123.3. El-Nino 导致风应力异常现象 .144. 结论与讨论 .16参考文献 .17外文原文 .18中文翻译 .52致谢 .64II摘要海洋风场的计算和预报日益重要，是海

2、洋工程设计和海洋预报的重要依据之一。海表风场不仅决定了上层环流的平均状态，而且在环流季节和年际变化中起到了重要的作用。风应力纬向和经向分布的变化是研究风场的基础。海面风应力测量是比较困难的，但可以利用 QuikSCAT 卫星监测全球气候和海洋环境，对风场与风应力进行测量。为了让人们增加对风应力的了解，本文通过获取 20002005 年间逐月的卫星遥感海表风场资料，用数值模拟加上编程呈现图像的形式，形象的把风应力在海洋中的运动展现给大家，并结合每年各种海洋现象，分析东中国海月平均海表风场的分布特征。东中国海存在的各种海洋现象均可在风应力图中得到体现，本文重点分析风应力年际间的变化，2000 年2

3、005 年间黑潮、台风现象造成风应力异常，并得出了如下结论：1. 冬季时，东中国海纬向风应力值大于经向风应力值。2. 东中国海海域近年来整体上海表风应力处于增大的趋势中，风应力增大最大的区域出现在台湾东侧海域黑潮流经区域。3. 黑潮、台风的季节变化及 El-Nino 的年际变化使流经区海表面风场具有较强的变化特征；关键词：海表风场；风应力；Matlab；QuikSCAT；IIICalculation And Analysis Of Wind Field On The Sea SurfaceAbstructThe calculation and forecast of Oceanic wind

4、field become increasingly important. Wind field is one important basis of the ocean engineering design and the Marine forecast. Surface wind field not only decides the average state of the upper circulation, but also plays an important role in seasonal circulation and interannual variability.It is t

5、he important factor of the east ocean circulation that Wind stress distribution of zonally and warp direction have many changes .The wind stress distribution can be used to study the ocean field. The sea wind stress measurement is difficult. People know wind stress very little, but can use QuikSCAT

6、satellite to monitor global climate and the Marine environment and measure wind stress and wind field.Through obtaining 2000-2005 the satellite remote sensing surface monthly wind field material, this article used Matlab to process bined yearly various marine phenomenan ,I analysis the wind field di

7、stribution characteristics. All kinds of Marine phenomenan show in the this picture.During 2000-2005, the kuroshioandtyphoonand may caused abnormal phenomenon on wind stress, and draw a conclusion that:1. During the winter, the zonal wind stress values is greater than the warp wind stress value.2. I

8、n recent years, wind stress in the east China sea is increasing.It happends in the east of Taiwan through the kuroshio area. 3. The variation of kuroshio, typhoon season and El-Nino interannual variability make sea surface wind field change characteristics.key：Sea surface wind field;Wind stress;Matl

9、ab; QuikSCAT；11. 前言本文所定义的东中国海是指朝鲜半岛、九州岛、琉球群岛岛链以及台湾岛所构成的长弧形以内的渤海、黄海和东海。东中国海在南北方向上呈狭长状，从 24 N 左右到 41N 东中国海跨越了约 17 个纬度，面积约为 1.22 106km2 是典型的边缘陆架海，其中黄海和东海的陆架是世界上最宽的陆架之一。东中国海有着很独特的地域性，其水文特征深受海底地形的影响，这是造成它与其它近海有着不同环流系统的重要原因。东中国海的环流系统从总体上来说是由两个流系构成，包括黑潮及其分支组成的外来流系和沿岸水流系。流经东海的黑潮是黄、东海总环流的主干，其主要流向指向东北。东海黑潮的流轴

10、比较稳定，流向和流幅变化不大，但是流量和流速却有着明显的季节变化。近年来风场数据的获取多采用定点连续观测、走航观测等先进的调查方法，取得大量的现场调查资料，并结合多年卫星遥感海面水温资料与适用的模式进行分析。卫星散射计资料在许多领域得到了应用，例如天气预报、海洋风暴观测、船舶航行路线选择等方面显示出良好的应用前景。由 QuikSCAT 提取海面风场技术也发展得越来越成熟。目前国家卫星中心正积极的尝试洋面风场探测技术 1，并探索将其引入到应用气象分析的过程中。1.1. 风应力的概念风应力是海洋动力要素之一，海洋动力环境要素可通过海洋动力环境卫星获取，海洋动力环境卫星是对海面风场、海面高度、浪场、

11、流场以及温度场等协动力环境要素探测的卫星，有效载荷通常是微波散射计、微波辐射计、雷达高度计等，并具有多种模式和多种分辨率。发展海洋动力环境系列卫星的主要目的是：利用微波散射计监控全球海洋表面风场，得到全球海洋上的风矢量场和表面风应力数据。目前，大部分的研究的风应力资料来自于 NCEP 再分析资料、QuikSCAT、 NOPP/ECCO、NSF/SODA 和 NCEP 与 QSCAT 混合场等的全天候的海洋探测卫星数据。上面所述几种风产品数据都被广泛应用于各种海洋特性的研究，其中 NCEP 再分析数据风资料以高时间分辨率、覆盖全球范围和网格化等优点被广泛应用。张帆等人和国外一些学者都提出通过 Q

12、SCAT 的散射计数据对海平面气压场进行了反演，包括台风、热带气旋和风暴 2-6等；徐艳清等人基于目前广泛使用的WAVEWATCH III 海浪数值模式，以 NCEP 和 NCEP 与 QSCAT 的混合风场资料为输入,模拟了两个时间段的东中国海海域的海面风浪场进行分析比较 7；闫晓勇等人采用 ECMWF1980 年1989 年逐月风应力资料来研究热带印度洋上层环流演变的基2本特征，还重点分析了 1982 年印度洋偶极子事件 8。前人利用这些风产品数据对各种海洋上的现象环境进行研究，都取得了一定的研究成果。海面风应力是大气通过海面直接向海洋输送动量的唯一方式，它密切联系海洋动力要素（海流、海浪

13、、风暴潮等）的发生和发展。因此无论从动力海洋学和海洋气象学的理论或是实用预报角度来看，风应力的研究历来是个十分重要的课题。由于海上测风资料十分匮乏，广义的风应力的研究应该包括两方面的问题：（1）海面风应力和海面测风高度上风速的关系；（2）海面测风高度上的风速和海面地转风的关系。风应力直接取决于海面大气边界层内风速的铅直结构，由于复杂的海面结构以及海- 气相互作用的影响，致使海面风应力的正确表达和精确计算遇到不少困难。目前为止已提出了不少计算海面风应力的经验的或半经验半理论公式 9。由于不同的研究人员采用的方法和现测或实验条件的不同，所得出的结果存在较大的差异,因为没有确定的统一的计算公式可循，

14、这就势必导致海洋动力要素的计算和预报存在很大的误差，风应力计算公式的现有结果进行归类，提出不同条件下的相应公式10，并根据简单的海气边界层模式从理论上发展了已被经验证明有效的海面风应力线性计算公式海面。Sverdrup、Stommel、Munk 等早期理论研究表明 11-13，风应力及其涡度在大洋环流的形成和变化中有着重要作用。假设风应力是无旋的，海洋环流将消失。因此，风应力是大尺度海洋运动特别是上层海洋运动的主要驱动外力。目前很多海洋环流的基础模式中，都把海洋的运动完全归因于风的作用，尤其是加于海表面的风应力，一旦给定风应力，就可完整地提出海洋环流问题。正因为如此，人在过去几十年里，对海面风

15、应力场的气候平均结构作了大量的分析工作。早在 1948 年，斯瑞普斯海洋研究所就第一次计算了北太平洋的大尺度风应力，进而对北大西洋作了计算。但由于以前观测资料缺乏，研究受到很大的限制。风应力计算的经验公式如下：adaVC|其中 为空气密度，V a 为风矢量， |Va|为风速；C d 为大气对海面的拖曳系数，一般视为风速的函数，其数值约在（1.02.5）10 -3 的范围。拖曳系数的大小以及海面风的取值会直接影响到海表面风应力的大小，从而影响到海洋环流模式对海流、海温的模拟结果。1.2. 风应力计算海面拖曳系数 Cd 和风应力是描述海洋和大气动力学以及海气相互作用的重要参数，由于传统测量范围小、

16、测点少，随着遥感技术的发展，人们越来越注重卫星对海洋和大气的动力特性进行测量，遥感技术能连续地、可重复的对同一海区进行3监测，利用它对海气界面特性进行大范围同时测量，很大程度能够弥补传统测量的不足。拖曳系数对海面粗糙度水平十分敏感。例如海面粗糙度值介于 0.01 厘米到 0.8厘米之间,拖曳系数值相差最大可以达到三倍,因此海面粗糙度的取值对拖曳系数的正确选取是重要的,海面粗糙度的真正物理意义迄未了解清楚,其值只能用实验方法确定。尽管强风情况下的海上观测资料较少,但已有的结果表明,风速对拖曳系数的影响不容忽视。通过研究 9表明:(1) 当|V a|10 米/秒时，Cd=（0.8699-0.059

17、9|V a|）10 -3。式中用以计算的样本容量为 84，相关系数为0.52，剩余标准差为 0.326810-3。(2) 当|V a|10 米/秒时，1) Cd=（0.5178+0.0704|V a|）10 -3。式中用以计算的样本容量为 141，相关系数为 0.46，剩余标准差为 1.252210-3。2) Cd=（0.8719+0.0704|V a|）10 -3。式中用以计算的样本容量为 121，相关系数为 0.56，剩余标准差为 0.643410-3。3) Cd=（1.1002+0.046|V a|）10 -3。式中用以计算的样本容量为 99，相关系数为 0.56，剩余标准差为 0.41

18、2010-3。1.3. 本文的研究工作风应力现象是海气相互作用研究的热点问题，而风应力的变化将会给全球的天气，气候状况带来巨大的影响。为了更好的认识风应力，本文将结合季风、黑潮等相关知识，分析风应力的变化情况。通过获取 20002005 年间逐月的卫星遥感海表风场资料，用数值模拟加上编程呈现图像的形式，形象的把风应力在海洋中的运动展现给大家，并结合每年各种海洋现象，分析东中国海月平均海表风场的分布特征。东中国海存在的各种海洋现象均可在风应力图中得到体现。本文通过下载QuikSCAT 卫星遥感数据，对风应力进行处理和分析，分析风应力年际间的变化。42. 数据和分析2.1. 数据来源2.1.1.

19、NCEP-NCAR 再分析全球资料再分析是美国国家环境预测中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)的合作项目，并已作为原美国国家气象中心(NMC)气候资料同化系统(CDAS)的一重要部分。其研究动力来自 10 年来 NMC 业务全球资料中出现了异常的“气候变化”现象，它可能是全球资料同化系统(GDAS)中诸多变化引起的。NCEP-NCAR 再分析项目使用一个预报系统完成同化以前 1948 年到至今的数据。该再分析系统包含 NCEP 全球谱模式，拥有 28 个 sigma 垂向标准和一个水平 62 球面谐波的三角断面，可以解决210 球面范围的问题。该动力模式和同化系统在再分析时期将保持不

20、变。这样就避免了在操作同化系统数据时气候变动导致的变化，即使它仍受到观测系统的影响尤其是卫星观测的出现。同化数据包括陆地表面、船舶、探测器、飞机和人造卫星观测。四维网格模式可以超过 30 个变量，每天四次暂时的决议等同于每天和每月的组成。再分析观测资料的收集大部分在 NCAR 进行。它们是：全球无线电测风资料、综合海气资料(COADS)、飞机观测资料、陆面天气观测资料、卫星探测资料、微波特殊探测图像(SSMI)资料和卫星观测风(云的移动)资料等。NCEP-NCAR 再分析场有两个理由被选中。首先，固定模式方法用于计算再分析场从 1948.1 直至现在。其次，NCEP-NCAR 风应力的每月成分

21、是有效的，可用于 8 年的 SCOW。SCOW 气象学包含大量多样风的季节性特征，比如风速、风速的平方,风速的立方、纬向中尺度风成分，风涡旋和副散等。该研究中，我们重点在于风应力。2.1.2. QuikSCATQuikSCAT 通过 8 年（1999.92007.8）对风场与风应力进行测量，风场与风应力的全球季风循环现象得到评估并展示出来。虽然 ECMWF 和 NCEP 运行模式能够提供全球的空间范围，但是他们是有限的两种方式。相比于 QuikSCAT 能解决 25 千米的问题，ECMWF 和 NCEP 操作预报模式有大约是 35 千米的网格空间。在模式领域，实际的特征分析大约是 10 倍大的

22、粗糙。再分析模式不能解决小尺度风特征，这些特征在海洋和大气中非常重要的。另外准确的模式在物理模式中是有限的。QuikSCAT 地理数据从 1999.7 开始记录。8 年的数据记录从 1999.9-2007.8。矩阵的方法补充和平滑了以 0.25纬度和 0.25经度的网格，使得 70 千米的波宽削减一半，近似等同于 40 千米。平滑和插入利用测量在一个半径为 70 千米，圆心为每个 0.25的网格点的圆内。除了在赤道副聚带，于影响数据通常与离散测量单位或小测量单位群组成。缓和了在副散和涡旋领域的误差。栅格和平滑应力的结果使8 年的数据矢量化，平均化。每月平均风应力副聚和副散测量的计算在纬度 0.

23、25 度经度 0.25 度的网格中，作为每月平均风应力场。与精准标度的浮标观测相比，单独QuikSCAT 观测的精度在顺风区是 0.75 米/秒，在逆风区是 1.50 米/秒。风向精确度5在低风速中是一个敏感的因素，但也迅速地增加风速。为了风速超过 6 米/秒，非匀质的成分误差符合方向的精度大约 14左右。QuikSCAT 卫星操作在同步卫星轨道运行，环绕地球 803 千米。环绕一周的时间是 101 分钟，QuikSCAT 能够抽样监测 90%的全球海洋状况。QuikSCAT 卫星作为扫描微波雷达测量从粗糙的风海表到内部风应力大小和副散的脉冲回波。散射计从根本上看是一个应力测量器。然而，直接测

24、量应力是不准确的，雷达反射能用于校正等量的稳定风高于海表 10 米之上。在其后相对稳定的条件下 这种风产生观测需要的风应力。提出散射计测得的风代替等量稳定风的原因是，直接测量应力是数据库是不齐全的。然而，转化浮标风测量到在 10 米得等价的稳定风是简明的，基于同时采用浮标测量实际风场和大气和海表温度。更大的数据库能取得用于模式功能的发展，将雷达截面联系到稳定风。描述散射计方法为等价稳定风已经为气象学的应用增添散射计有效数据的优势。通常要求风而不是风应力。因为 QuikSCAT 风等同于 10 米高的等价稳定风，可使用块体公式求得风应力的值，只需要得到稳定状态下的拖曳系数，忽视测量时实际稳定性。

25、因此，等价稳定风的优势是使用者能应用优先选择的稳定拖曳系数的公式。这里，我们已经确定了稳定环境下的拖曳系数的选取，公式中将大量运用到散射计的数据。2.1.3. 下载数据再分析资料内容丰富，涉及的气象要素范围广；而且历时较长，对研究工作非常有用。本文针对该逐月资料的应用进行研究。本文获取的途径是 NCEP/NCAR 再分析，数据来源： http:/dss.ucar.edu/datasets/ds744.4/matrix.html ，选取了 2000-2005 年风应力纬向和经向的月平均数据。下图为该网站的截图：图 2-12.2. Matlab 的介绍Matlab 是矩阵实验室的简称，用于算法开发

26、、数据可视化、数据分析以及数值6计算的高级技术计算语言和交互式环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。Matlab 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用Matlab 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多，并且Matlab 也吸收了像 Maple 等软

27、件的优点,使 Matlab 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C，FORTRAN，C+ ，JAVA 的支持。Matlab 具有出色的图形处理功能，可用于科学计算和工程绘图。目前 Matlab的版本有很多，较新版本的功能在不断的更新中，本论文只需较简单的数据处理，图形绘制功能，因此本人选择安装 Matlab7.0 版本即可，2.3. 处理过程利用目前最新的风场数据资料，计算 2000 年2005 年近 6 年平均网格为 2.52.5的东中国海海域逐月风应力场，分析了各纬度带平均纬向和经向风应力的逐年变化、逐月变化及 1、4、7、10 月的风应力场的分布特征。（1） 建立研究区域的网格网格（246x264）