利用不同方法校正船体运动对海气通量观测结果的影响.pdf

第45卷第7期
中国海洋大学学报
45(7):018~024
2015年7月
PERIODICAL OF OCEAN UNIVERSITY OF CHINA
July, 2015
利用不同方法校正船体运动对海气通量观测结果的影响
段自强'23,高会旺
(1.南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京210044;2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100;
3.中国气象局上海台风研究所,上海200030)
摘要:采用姿态校正法、滤波法、改进滤波法以及耗散法等方法,分析了北黄海冬季船载涡动相关资料,并结合协谱分
析研究了不同方法对海气通量观测结果的校正效果。结果显示,船体运动对动量通量观测结果有明显影响,对感热、潜热
等通量观测结果的影响很小。关于动量通量,对定点观测资料采用姿态校正法与耗散法可以得到比较合理的结果,而对走
航观测资料各种校正方法的处理结果均存在一定的不确定性。滤波法在校正船体运动影响的同时,也去除了海洋大气中
存在的与船体运动同频率的真实湍流脉动,改进滤波法可以在一定程度上修正滤波法对协谱的低估,但对湍流通量的估计
仍有一定误差。耗散法可以得到比较合理的动量通量,但对感热和潜热通量的估计明显偏大。
关键词:海气通量;涡动相关法;姿态校正法;改进滤波法;耗散法
中图法分类号:P732.6
文献标志码:A
文章编号:1672-5174(2015)07-018-07
DOI:10.16441/.cnki.hdxb,20140074
海洋与大气之间能量、物质的湍流交换是海气相析了姿态校正法、滤波法、改进滤波法以及耗散法计算
互作用研究的重要内容。涡动相关法作为一种直接观得到的海气湍流通量,并从协谱的角度讨论了这些方
测海气湍流交换的方法,在理论上具有明显的优势,但法应用于通量估计的差异。需要特别指出的,本文中
其推广应用却因船体运动对观测系统与观测资料的影的湍流通量是指动量通量、感热和潜热通量,CO2通量
响而受到限制,因此湍流通量的船体运动校正就成了除了受到船体运动的影响外,还受到稀释作用和水汽
海气通量研究的焦点问题口。
的交又感应等多种因素的影响101,这里不做讨论。
为了消除船体运动的影响,学者们提出了多种资
料校正方法。 Edson等首先利用耗散法对海气湍流1试验概况与资料处理
通量进行了计算。耗散法可以利用不同频率区间的功1.1观测试验介绍
率谱计算通量,因此能够通过选择不受船体运动影响
本文所用资料来源于2006年12月30ロ~2007
的频率段,从而校正船体运动的影响。 Edson等?根据年1月16H在北黄海海域进行的观测试验。试验采用
船体运动的特点,给出了利用船体姿态参数校正海气船载涡动相关系统对海洋大气边界层湍流特征、湍流
通量的方法。钱莉英等根据船体运动的准周期性,通量进行了观测,具体细节参考文献[9]。本试验中共
提出了去除船体运动影响的滤波校正方法。王洁等1获得120个走航观测样本以及73个定点观测样本,样
对滤波法进行了改进,使校正后的功率谱值在惯性副本时长均为30min。
区与理论值更加接近。
湍流脉动的观测仪器为三维超声风速仪(Car
薛宇欢等、高会旺等门、王洁等?、段自强等?分bel,CSAT3),船体姿态参数由光纤罗经( isea,OC
别利用滤波法、改进滤波法以及姿态校正法分析了黄TANSⅢ)和差分GPS( Trimble)测得。各仪器采样频
海与西北太平洋船载涡动相关系统的观测资料,结果率均为10Ilz,观测数据由多功能数据采集器(Camp
表明,这些校正方法得到的海洋大气边界层湍流特征bel,CR5000)采集储存。
均比较合理,但是将它们同时用于湍流通量的对比研1.2数据处理方法
究还较少。
涡动相关系统应用于船基观测时,船基坐标系统
本文基于东方红2号科学考察船的船载涡动相关下观测的三维风速是真实风速与船体运动速度之和,
系统,利用北黄海海域的走航和定点观测资料,对比分由于船体运动速度也是脉动量,因此会对湍流观测结
基金项目:国家自然科学基金项目(4121000);同家重点基础研究发展计划项目(2013CB430305);上海市启明星课题(QM201406)资助
收稿日期:2014-03-10;修订日期:2014-06-07
作者简介:段自强(1985-),男,博上后。E-mail:dzg264@163.com
通讯作者: E-mnail: hogan(@ouc.cdu,cn
万方数据
7期
段自强,等:利用不同方法校正船体运动对海气通量观结果的影响
果产生影响。本文分别利用姿态校正法、滤波法、改进括:(1)对脉动量进行傅里叶变换,得到脉动方差在频
滤波法以及耗散法校正船体运动对海气湍流通量的观率上的分布特征,即功率谱密度;(2)根据脉动量功率
测影响。
谱确定出船体运动的周期与频率区间;(3)对选定频率
1.2.1姿态校正法姿态校正法是从观测的三维风区间内的谱密度赋值为零从而去除船体周期运动的影
速中减去利用船体姿态参数计算出来的船体运动速响;(4)对修正后的谱密度进行逆傅里叶变换,得到校
度,从而得到真实风速的方法,是一种根据船体运动的正后的风速脉动量。
特性而进行资料校正的方法2。地球坐标系下真实风1.2.3政进滤波法滤波法去除船体运动影响的同
速的计算公式为:
时也去除了与船体运动同周期的真实湍流脉动信号,
Vw=TV+2×T(MーS)+Vm(1)王洁等提出的改进滤波法旨在去除船体运动影响的
其中:Vmw为基于地球坐标系的真实风速矢量;V为观同时还原真实的湍流脉动信号。改进滤波法是在滤波
测得到的基于船基坐标系的风速矢量;T为船基坐标法的基础上,对第三步的谱密度赋值部分进行改进。
系与地球坐标系的变换矩阵:Ω为船基坐标系的角速度根据湍能串级理论与相似理论量纲分析,惯性副区内
矢量;M是超声风速仪与船体重心之间的相对位移;S湍流脉动量的功率谱值与频率在双对数坐标系下满足
为光纤罗经相对于船体重心的位移;M-S为超声风速斜率为5/3的线性关系。改进滤波法在双对数坐标
仪相对于光纤罗经的位移;Vm是光纤罗经处的船体平系下对功率谱值与频率进行线性拟合,去除受船体运
移速度。本次观测试验中,光纤罗经与超声风速仪之动影响产生的异常值,并以拟合谱值所替代,使校正后
间的相对位移M-S为(一24,0,-7)。
的功率谱值在惯性副区与理论值更加接近。垂向风速
1.2.2滤波法滤波法是根据船体运动具有准周期脉动量的原始功率谱值以及滤波法、改进滤波法处理
性的特征,从观测资料中去除船体运动周期内的脉动以后的结果如图1所示。
信号从而得到真实风速的方法。数据处理过程包
原始功率谙Raw
滤波法
始功率谱Raw
Ihe filt
method
ethod
method
改进滤波法
hod
?
に10
10
10
10-10°10-101
率 Frequency
频率 Frequcncy
率 Frequency
顷率Fn
图1滤波法、改进滤波法校正前后功率谱
Fig. 1 The variance spectra of vertical wind fluctuations
1.2.4耗散法耗散法是 Fairall i和 Larsen提出的