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云计算驱动的海气通量误差估计:块体法与船基观测的比较
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更新于2024-07-02
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本文主要探讨了云计算技术在处理复杂海洋气象条件下的海气通量计算中的应用,特别是在不同天气系统影响下,块体法(Bulk Method)与涡动相关法(Turbulent Flux Measurement)的误差估计。研究的关键点在于分析风速大、涌浪强烈时,直接使用块体法计算海气通量可能会导致较大的误差。为了提高精度,研究者采用了COARE3.0软件和常规气象观测数据进行订正,结果表明这种校正后的涡动相关法计算结果与块体法计算具有可比性。 文章特别提到了908专项项目的船基海气通量测量,通过祛除涌浪对船体的影响,作者得以更为准确地估计特定海域的海气通量。在黄海地区,研究发现季节性差异显著,南北两个海区的通量特征表现出明显对比。为了处理在船基观测中受到涌浪干扰的数据,论文提出了一种滤波和数据处理方法,这种方法的应用使得在黄海南北部海域都能得到可靠且季节性的通量计算结果。 此外,文章还强调了相对误差的评估,即比较块体法与涡动相关法计算结果的差距,这对于理解和优化海洋通量估算模型至关重要。通过对海气热通量的深入分析,研究不仅有助于提升海洋科学研究的精度,也为实际气候监测和预测提供了重要的参考依据。 这篇论文结合云计算技术,对海气通量计算中的误差来源、修正方法以及不同天气系统下的性能进行了详尽的探讨,对于提高海洋观测数据的质量和科学理解具有重要意义。
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不 同天气系统影 响下块体法计算海气通 量 的误差估计 与船基 海 气通量计算
淮河 流 域水热 通量进 行 了 比较研 究 。刘 树 华 〔旧等用块 体法 和波 文 比法 揭 示 了不 同
下垫面湍流输送特 征 。此前 的研 究工作主要是对 高原、河流 以及冰面这种较 稳 定
下垫面做 的 比较研 究 ,其 中的结论不能直接 用于海面通量 的测量和计算 中,针对
目前 对 中 国近 海 的海 面上 的通量计算方法 的研 究仍 然 较 少 的现 况 ,对 近海层 的水
汽 、与 能量交换 的试验观测有待于进行更深入 的研 究 。
3 现 有 的海气通 量观测 和计 算 的方法
目前 已被 国际公认 ,并且使用较普遍 的海气 通量 计 算 方法 主要在 计算 原理 上
分 为 的直 接法 和 间接法 两种 :
直接法 ,也就是 涡动 相关法 ,是 以声学 原理 来测 量 大气 运 动 ,通 过 快 速 传 感
器 测 定大气 中湍 流运 动 产生 的风速 脉动和物量 脉动 ,直 接 计 算风速 和 某物 理 量 脉
动 的协 方 差来 计算 能量和物 质通量 。由响应快速 的超 声风 、温 、湿 传 感器 测 量三
维 风速 、温 度 和湿度 。这种方法 的优 点是计算 精度 很 高 ,可 以反应 很短 时 间 内湍
流变 化 的物 理 过程 〔l6j。在观测和 求量 的过程 中 ,这种 方法 几乎 不存 在 任 何假 设 ,
无 需 任 何经 验 参 数 ,从 而 被 认 为 是 最 可 靠 的方 法 。但 是 它 也有 着 一 些缺 点 ,就 是
所 用 仪 器 精 密 、昂贵 ,还 没有 用 到 更 为普 遍 的 日常 观 测 中 ,另 外其 感应 头 过 于 灵
敏 ,比较 容 易受 外界 不确 定性 因素 影 响 ,比如 降水 、沾 染 异 物 、 自身晃 动 都 会 造
成 观 测 误 差 ,需要 人 为 的修 正 。
而 海 气 通 量 观 测 的另 一种 主 要 方法一 间接法 ,是将 目前 用 于 常 规 的海 上 气 象
观 测 中 的仪 器 中获取 的风速 、温 度 、湿 度 ,以及 表 层 海 水温 度 的平 均 值 ,使 用 块
体法 〔l7,‘8],利用 COARE (版 本 3.0) 算法 间接 计算 感 热 、潜 热和 动量 通 量等 。这
种 方 法 的优 点 是观 测 仪 器 成 本低 ,使 用方 便 ,受环境 因 素 影 响较 少 ,至 今 仍 用 于
处 理 船 和 浮 标 数 据 ,得 到 的数 据 结 果 也作 为数 值 模 型 的边 界 条 件 。但 缺 点 是 数 据
测 量 时 间尺度 较 长 ,精 度 略低 ,不 能细致 的反应 湍 流 本 身 的变 化 ,另外 其 对 于 不
同观测 区域 的参 数化 问题 ,导致 结果 并 不 能做 到 完全 客 观 真 实 。
采 用 船 基 系 统测 定 海 气 界面 湍流 通 量 是 一 种 利 用 船 只 走 航 ,灵 活 的观 测 船 体
通 过 海 面 的海 气 通 量 的方 法 。与 固定 的观 测 平 台不 同 ,由于海 上 复 杂 的环 境 以及
不 同天气 系 统影 响下块体法 计算海 气通量 的误差估 计与船基海 气 通 量计算
一些 具 体 条件 的限制 ,使得涡动相 关法在船 上进行通 量观测 比在 固定 的平 台上 进
行观 测 困难 许 多 。船 体 的运 动 以及船 体对气流 的干扰 都对风速 的测 定造 成 了 巨大
的障碍 。
我 国在 利 用船 基 系统 使用 涡动相关法计算海气通 量 的研 究十 分有 限 ,只有 陆
蔼庆 〔19]和 胡敦欣 等 〔z0]利用这种 方法 对动量 、潜 热及感 热通 量进行 了观 测 。在他 们
的实验 中都采 用3组加速度 计组 阵来监测船 体姿态 ,进 而对 风 速 数据 进 行 校 正 。
这 两次 实验 对 潜 热和 感 热通量 的计算取 得 了一 定 的效果 ,但对 动量通 量 的计算 效
果较 差 。他 们 的实 验 为在海 上利 用 涡 动 相 关法 观 测海气 通 量 提 供 了一 定 的经 验 ,
即在 观 测 时 ,为避 免 船 体对 气 流 的干扰 ,涡动 相 关系 统应 安装 相 对 船 体 较 高 的位
置 ,而 且 尽 量 使 仪器 处 于上 风 向 。
1.4 本 文 的研 究 目的
对 于 固定 的海 上 观 测 平 台 ,使 用 块 体 法 的结果 与该观 测 条 件 下 真 实可 靠 的涡
动 相 关 法 的差 别 非 常大 『,l,’2],那 么 具 体 的是 海 面 上 什 么 因素 导致 了该 计 算 方法 产
生 了误 差 ? 在 什 么情 况下块 体法还 可 以继续使用 ,如 何 能让其 计 算 的结果更 接近
真 实值 ? 这 是本 文 中要解 决 的 问题 。
对 于船 基 观测 平 台 ,为 了使 实测 得 到 的数据 能够 尽 量减 少 来 自船 体 晃 动 的干
扰 ,从 而 更 合 理 的使 用 涡动 相 关 法 来 计 算 湍流通 量 。本 研 究 尝 试 通 过 使 用 带通 滤
波 的方法 修 正三维风速 数据 ,得到较 为真 实可信 的湍流通 量值 ,还 原 “908 专项 ”
中海 上 观 测 站 点 的真 实海气 边 界层 湍 流 通 量特 征 。
不 同天气 系统影 响下块体法计算海气通量 的误差估计 与船 基 海 气通量计算
2. 资 料 的来 源 与研 究方法
本 文 所 关注 的是 湍 流 热通 量 ,也 就 是潜 热通 量和 感 热通 量 的确 定 。所 使 用 的
实测 数 据 资料 有 两 种 : 固定平 台观 测 资 料 和 船基 观 测 资 料 。
2 .1 固定观 测 平 台资料 来 源
本 文 所 用 的 固定观 测 平 台资料 是 从位 于 南 海 茂 名 的海 洋 气 象 海 上 观 测 平 台
获 取 的直 接 实测 资料 。该海 洋 气 象观 测 平 台是广 州热 带海 洋 气 象 研 究所 在 国家 财
政 部 、科 技 部 和 广 东 省气 象 局 大 力 支 持 下提 高基 础科 研 能 力 的重 要 举 措 ,既 是 建
设 海 岸 带 海 一陆一气 相 互 作用 综 合 观 测 系统 的重要 组 成 部 分 ,也 纳 入 了广 东 省 电 白
国家 气 候 观 象 台 “二站 一平 台 ”体 系 建 设 中 。海 洋气 象 观 测 平 台 的建成 ,为研 究
南海 北 部 海 岸 带 海 一陆一气 相 互 作用 以及近 海 台风 、海 岸 带暴 雨和 海 雾 等 海 洋 灾 害
天 气 发 挥 了关 键 作 用 ,对 提 高 科 技 创 新 能 力有 重 要 意 义 。
该 海 洋 气 象观 测 平 台 ( 图 1) 总 高度 53m ,上 部 为 25m 钢 塔 ,下 部 由重 力 式
基 础 、支 撑 钢 管 和 三 角平 台组成 。平 台安装 在 东经 111“23 ’26 ” 、北 纬 21 。
26 ’2 4 ” ,也 就 是 茂 名 博 贺 港 南 约 6km 的海 床 上 ,海 水 深 度 约 为 1 7m ,观 测 点 受
陆地 下 垫 面 的影 响较 小 ,可 有 效 获 取 具有 代表性 的海 气 边 界 层 、近 海 海 洋 观 测 数
据 。
纂纂黔黔
图 1. 位 于 茂 名 的海 气通 量 海 _!几观
F ig 1 . A ir -se a h e a t f lu x o n M a o m in g o b se ry
测 平 台
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