海浪模式对涌浪抵达时间的模拟能力评价及误差来源研究

As a ubiquitous phenomenon on the sea surface, ocean swell dominates most of the global wave energy and its modelling has been of interest to the community of numerical wave models. The impacts of ocean swells on many production and living activities, such as offshore and coastal engineering and naval and recreational activities, are usually highly time-sensitive. The swell arrival time at a given position has important practical significance in the respect of marine disaster prevention and mitigation as well as marine resource exploitation and utilization. The establishment of an objective and quantitative evaluation criterion for the simulation capability of swell arrival time is expected to promote the technical development and engineering application of numerical wave models. However, related methodologies about swell arrival time have not been systematically established yet according to published literature. Therefore, based on the state-of-the-art spectral partition scheme, this study intends to establish a method to track the time series of swell events using the continuity and the temporal pattern of swell parameters. The error of swell arrival time, which can be used to evaluate the performance of wave model, will be defined through the leading and lagging relationship between the modeled and in-situ-observed time series of the same swell event. Based on the results, the potential reason for swell late/early arrival will be analyzed using tools such as model sensitivity tests and remote sensing data. The problem of swell arrival time might lead to a better understanding of the physical mechanism in the process of swell generation and propagation, which will further benefit the simulation capability of ocean swells.

涌浪在海洋中无处不在并占据了全球海浪的大部分能量，对其模拟一直是海浪模式关注的重点之一。涌浪对众多海上和海岸生产生活实践活动的影响往往具有较强的时间敏感性，故涌浪对于某一位置的抵达时间在海洋防灾减灾和海洋资源开发利用等方面具有重要的现实意义，建立客观定量的涌浪抵达时间模拟能力评价标准有望对数值海浪模式的技术发展及其工程应用起到推动作用。目前公开发表的文献中尚未系统建立针对涌浪抵达时间问题的相关方法论。为此，本研究拟基于近年发展的谱分离技术，建立涌浪事件时间序列追踪的手段，利用涌浪过境时现场观测和模式模拟时间序列的超前滞后关系估计模式对涌浪抵达时间模拟的误差，实现对涌浪抵达时间模拟能力的评价。在此基础上，通过敏感性实验和卫星遥感等手段对涌浪抵达时间模拟误差产生的原因进行分析，以此为潜在突破口，加深对涌浪生成和传播过程中物理机制的认知，在一定程度上提高涌浪的模拟能力。

涌浪在海洋中无处不在并占据了全球海浪的大部分能量，对其模拟一直是海浪模式关注的重点之一。涌浪对众多海上和海岸生产生活实践活动的影响往往具有较强的时间敏感性，故涌浪对于某一位置的抵达时间在海洋防灾减灾和海洋资源开发利用等方面具有重要的现实意义。本项目基于海浪谱分割，发展了涌浪事件的时空结构追踪技术，并开展了一系列基于本技术的波候与遥感方面的应用研究。基于此技术，对现场观测和模式结果中涌浪过境时间序列的超前滞后关系进行了计算，估计了模式对涌浪抵达时间模拟的误差，实现了对涌浪抵达时间模拟能力的评价。通过对结果的进一步分析，发现流场的影响（涡旋的“散射”）是造成涌浪抵达时间误差的最主要原因。本研究在以下三个方面取得了较为显著的研究成果：. 1）基于事件的涌浪抵达时间误差分析：利用涌浪事件中参数变化的连续性，对涌浪的抵达时间的误差进行了计算，发现模式预报的抵达时间普遍提前4小时左右，并发现中—亚中尺度流场会造成涌浪传播的“散射”，造成波程延长，导致了相对模式结果的延迟。. 2）海浪场数据的时空追踪技术：同样利用海浪事件参数变化的连续性，进一步发展了面向海浪谱分割数据的海浪场结构时空追踪技术，实现了基于海浪模式的海浪场完整时空演化过程表达。将此技术应用于全球“波候谱”的追踪，首次揭示了全球多源海浪系统的完整时空分布。. 3）海洋遥感数据动力配准技术：面向有限现场观测数据，基于时空追踪技术，发展了利用模式作为桥梁连接遥感和现场观测数据的动力配准技术。这一技术能够显著提高星—地观测的配准效率，在卫星数据的印证以及反演算法的训练方面应用效果良好。. 此外，通过项目研究，在海浪的波候谱分析、海浪浮标反演海面风场、高度计海浪虚拟观测技术和气压场“无变线”等几个领域均取得了一系列的原创性成果，加深了对涌浪传播、演化、时空分布规律的认识，也为海上航行、海洋工程、以及涌浪灾害的预测预警提供了科学基础。