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基于散射计数据的南极周边海域海面风场特征研究

马艳辉  
【摘要】:海面风场是海洋学中的重要物理参数。气象学中行星下边界层的边界条件之一就是海面风场。它在气候模式中也占据重要的地位。在海洋动力过程中,形成海上波浪的直接动力就是海面风场。海面风场对全球和区域海洋环流也是关键性的动力。在海洋-大气动力系统中,风场就是一个非常重要的因素。例如,海流、风暴潮和海浪等数值模型要有输入因子,一般都需要先确定风场作为数值模型的输入因子。此外,海面温度、全球生化过程及水文循环等也受海面风场的影响。可以看出,在海洋动力过程的研究中,海面风场的观测与分析是其重要基础。 微波遥感有很多突出的优点。它能够全天候的工作,不受云、雨、雾的影响,也可在夜间工作。微波遥感能透过植被、冰雪和干沙土,以获得近地面以下的信息。微波遥感广泛应用于海洋研究、陆地资源调查和地图制图,已经成为观测和研究海洋的主要手段之一。星载微波散射计是唯一能够同时测量海面风速和风向的传感器。它可以提供全天候、全球、高精度和高分辨率的海面风场数据。利用星载微波散射计,不仅能实现对全球海洋的实时监测,还可以获取大范围、长时间序列的海洋观测资料。本文的工作是基于散射计数据对南极周边海域海面风场做统计特征分析。 本文的主要研究内容与结论如下: 1.检验ASCAT散射计海面风场观测数据的精度,开展浮标与ASCAT散射计海面风场数据的检验与修正,将ASCAT散射计数据与NDBC、TAO、PIRATA和RAMA浮标所测风速风向进行比较,数据比对的时空窗口为12.5km和5分钟,共匹配21426个数据点,计算得到ASCAT散射计数据与浮标数据误差为:风速绝对平均误差为0.69m/s,风速平均偏差为0.10m/s,风速均方根误差为0.99m/s;风向绝对平均误差为19.34°,风向平均偏差为1.52°,风向均方根误差为45.04°。 2.ASCAT散射计海面风场数据的网格化,基于检验后的ASCAT散射计数据,利用最优插值网格化方法实现ASCAT散射计沿轨数据的网格化,得到每天的网格化海面风场数据。 3.进行南极周边海域海面风场统计特征分析,以2000至2009年的QuikSCAT散射计网格数据和2010至2011年的ASCAT网格化后的数据为基础,利用长时间序列的南极周边海域海面风场网格化数据,结合基本统计分析方法和经验正交函数EOF统计分析方法,分析海面风场的空间分布与时间变化规律。由基本统计分析方法可知,对于2000至2009年南极周边海域全区域,区域平均风速主要在7-9m/s之间,每年全年出现的天数大于300天。对于2010年南极周边海域全区域,区域平均风速主要在9.5-10.5m/s之间,每年全年出现这个范围内风速的天数大于250天。对于2011年南极周边海域全区域,区域平均风速主要在7.7-8.5m/s之间,每年全年出现这个范围内风速的天数大于200天。南极周边海域海面风速在60°S以南区域风速较小,一年中日平均风速大于6m/s发生的频率较低,在0°E-120°E、60°S以北周边海域海面风速相对较大。海面风速大于6m/s发生的频率在春季60°S以南区域小于0.6;在夏季65°S以南区域,所占比例小于0.6;在秋季,海冰外缘线以北区域,所占比例大于0.6;在冬季,60°W-120°E范围中65°S以北区域所占比例大于0.6,其它区域中60°S以北区域所占比例大于0.6,南极周边海域600W-120°E区域海面风速大于其它周边区域。由经验正交函数EOF统计分析方法可知,前两个模态的累积贡献率为43.4%,这很好的解释了风速总偏差的主要部分,南极周边海域夏季海面风速明显大于冬季的。前两个模态主要以年变化为主,后四个模态则以季节变化为主。 4.以QuikSCAT散射计网格数据为基础,利用长时间序列南极周边海域海面风场网格化数据,结合南方涛动指数SOI数据,开展南极周边海域海面风场变化与全球变化的相关性分析。分析得到,海面风速异常值和SOl的变化特征具有一致性,它们之间的同步相关系数约为-0.2022,表现出了相位相反变化的特征。低通滤波后得到海面风速异常值序列和SOI的低频分量间的变化关系,同步相关系数达到0.3067,南极周边海域海面风速异常值和南方涛动指数在低频波动分量的相位变化上几乎一致,这就意味着南极周边海域海面风速显著地受到南方涛动的调制。南方涛动的长周期振荡就会造成南极周边海域海面风速的准同步响应。第一时间主分量与SOI指数的相关系数为0.4668,是关于SOI的模态,反应了SOI从发生到消亡的整个过程。南极周边海域海面风速和南方涛动指数有相似的变化特征,那么也可以利用南极周边海域海面风速的变化来描述南方涛动事件。


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