一种新的风浪谱模型及其在高度计风速反演中的应用

摘要

风浪谱模型被广泛应用于海洋研究的诸多领域，例如海一气相互作用、上层海洋动力学、海浪预报、海洋微波遥感和海洋工程等。在风浪出现的一个很宽的频率范围，风浪谱可被分为大尺度的长波风浪谱(重力波)以及小尺度的短波谱(毛细重力波谱)。在高度计、微波散射计和微波辐射计的遥感机理研究中，全波数范围内的风浪谱模型扮演了不可缺少的角色。本文给出了一种新的全波数范围内的风浪谱模型，并将其应用到高度计风速反演中去，取得了较好的效果。 Liu等(2003)提出的深水风浪谱模型包括“风速”、“逆波龄”和“逆谱宽度”三个参数。依据该模型以及海上和实验实观测数据，本文作者发现了海上和实验室条件下，风速、逆波龄(反映波浪成长状态)和逆谱宽度三参数之间分别存在着统计关系。三参数统计关系式表明，影响风浪能量分布的“逆谱宽度”不是一个独立参数，它是由风速和逆波龄这两个最基本参数确定的。这样，三参数统计关系式连同Liu等(2003)的公式构成了一个新的风浪谱模型。在这个新模型中，逆波龄和风速两个基本参数确定了风浪谱的总能量水平、风浪谱的最大能量位置(表现为谱峰位置)和风浪能量分布的宽窄特征(表现为峰右侧高频波段谱的陡度)。 本文研究同时表明，依据实验室水槽数据获得的三参数统计关系式不同于依据海上现场观测数据获得的三参数统计关系式，在相同的风速和波龄条件下，实验室风浪谱的陡度不同于海上风浪谱的陡度，这也是海上风浪谱与实验室风浪谱的根本区别。 比较证实，由于考虑了波龄因子的影响，Liu等(2003)提出的风浪谱模型连同三参数统计关系式组成的新模型能够很好地符合不同成长状态下的海上观测数据和实验室水槽测量数据。根据新的风浪谱模型计算得到的谱宽度与乌克兰国家科学院获得的测量数据非常符合。此外，新的风浪谱模型能够很好地模拟美国海军实验室使用微波雷达获得的波面高度谱现场测量数据和其它现场测量数据。新的风浪谱模型不但有益于全面理解风速和逆波龄对风浪能量分布的影响，而且对于海洋微波遥感研究特别是判断海洋环境要素反演的不确定性具有重要意义。依据粗糙海面电磁波镜面散射理论，将根据全波数范围内的谱模型计算的标准化雷达后向散射截面与TOPEX/Poseidon(T/P)高度计测得的雷达后向散射截面(Ku波段)进行比较，可以反演高度计风速。将反演获得的高度计风速与同步的浮标风速进行比较发现，在所选浮标附近海域，波龄因子对高度计风速反演存在较大影响。与目前T/P高度计风速反演业务化算法相比，考虑波龄因子影响后，根据谱模型反演获得的风速与浮标风速之间均方根误差和平均偏差更小。与20个浮标测量结果相比，根据新风浪谱模型反演获得的风速与浮标风速之间的均方根误差较目前高度计业务化算法减小了11％，偏差减小了21％。 以墨西哥湾同步高度计、浮标资料为例，定量研究了海浪成长状态对高度计风速反演的影响。同步的高度计风速和浮标风速比较显示，在墨西哥湾地区，海浪成长状态对高度计风速反演有较大影响。在考虑海浪成长状态影响的条件下，利用谱模型反演高度计风速，取得了较好的效果。由于波龄因子可以根据高度计测得有效波高以及业务化算法获得的风速得到，因此根据新风浪谱模型反演获得的风速具有广泛的适用性。