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降雨对表面波结构影响的实验研究

李明明  
【摘要】: 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。


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