一种直接利用海洋要素计算海洋飞沫生成函数的方法技术

本发明专利技术属于地球科学海洋监测领域，具体涉及一种直接利用海洋要素计算海洋飞沫生成函数的方法，利用海上观测或经数值模式模拟得到的海浪要素和大气要素，计算得到海洋飞沫生成函数，该方法将飞滴生成函数分解为两部分，一部分代表了生成飞滴的总量，主要与海浪要素有关；另一部分是体积通量谱，它决定生成函数的分布形态，主要与飞滴半径有关，并分别给出了两部分的表达式。本发明专利技术所提供的海洋飞沫生成函数的方法逻辑清晰，简洁高效，物理意义更加直观，除了用于高海况下海-气界面通量的分析和订正，还可以耦合到地球系统模式中，用于全球气候变化的评估和预测以及短期的极端天气预报。预报。

【技术实现步骤摘要】
一种直接利用海洋要素计算海洋飞沫生成函数的方法


[0001]本专利技术属于地球科学海洋监测领域，具体涉及一种直接利用海洋要素计算海洋飞沫生成函数的方法。

技术介绍

[0002]高海况条件下海-气界面物质和能量通量的准确估计一直是困扰地球科学的世纪难题，其中，海洋飞沫扮演着重要角色，它由海浪破碎形成，是海-气界面物质和能量交换的重要载体，如何定量给出波浪破碎生成的海洋飞沫量，即海洋飞沫生成函数，是准确估计海-气界面物质和能量通量的关键。其中，海洋飞沫主要由波浪破碎产生，如何判断什么条件下海浪发生破碎，并将产生物理机制不同的飞沫分离，是第一个难点；而根据海浪各种要素，给出物理意义更加合理、生成机制不同的海洋飞沫生成函数是另一个难点。影响海洋飞沫生成的因素众多，通常由于对其认识的不足，定量给出飞沫生成函数的非常困难。
[0003]传统的海洋飞沫生成函数，按照其依赖关系可以归纳为两类：其中，第一类，只依赖于海面风速，不考虑海浪的状态和性质，即使引入了如白冠覆盖率这一海浪要素，为了便于计算，依然把白冠覆盖率拟合成风速的函数；该方法得到的海洋飞沫生成函数不考虑海浪状态，未按照飞沫生成物理机制对海洋飞沫进行分离，存在着很大缺陷。例如在相同风速下，大洋中和近岸的海浪性质完全不同，波高和波长之比即波陡相差很大，因此发生破碎的条件也不同，即使在同在大洋中，不同种类的海浪，风浪和涌浪，发生破碎的条件也截然不同，因此这种方法得到的海洋飞沫生成函数只是一种数学上的数据拟合，缺少物理意义。
[0004]还有一类飞沫生成函数除了考虑风速影响因子外，引入了一些间接海浪要素，间接海浪要素均是通过风速、波高、波长和频率等直接海浪要素计算得到，这种做法虽然相比于传统做法取得了更加深入的认知，但是仍然存在物理上不够直观，难以通过现场海浪观测数据直接计算的局限。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对传统海洋飞沫生成函数中仅考虑海面风速因素，物理意义不明确的缺陷，提供一种可以直接利用海浪要素来计算海洋飞沫生成函数的方法和步骤，这种方法逻辑清晰，简洁高效，物理意义更加直观。该方法，除了用于高海况下海-气界面通量的分析和订正，还可以耦合到地球系统模式中，用于全球气候变化的评估预测和短期的极端天气预报。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]一种直接利用海洋要素计算海洋飞沫生成函数的方法，利用海上观测或经数值模式模拟得到的海浪要素和大气要素，计算得到海洋飞沫生成函数，包括如下步骤：
[0008](1)观测获取海浪谱和白冠覆盖率，再利用海浪谱计算海浪要素，包括有效波高和波长，或直接获取有效波高、波长和白冠覆盖率；如无法直接观测获取海浪要素，则获取大气要素即海面风速，输入风速，代入到海浪谱公式或海浪数值模式中计算海浪要素，得到有
效波高、波长和白冠覆盖率；
[0009](2)分离海洋飞沫，判断海浪产生破碎的条件，按照产生物理机制的不同，将海洋飞沫进行分离，分解为沫滴和飞滴；沫滴由波浪破碎所卷入的空气泡上升到海面破碎所形成，飞滴是由波浪的破碎直接形成；
[0010](3)对于沫滴生成函数，当观测可以直接获取白冠覆盖率时，通过如下公式计算不同粒径的沫滴生成函数：
[0011][0012]当无法直接观测白冠覆盖率时，通过如下公式计算不同粒径的沫滴生成函数：
[0013][0014]其中，r
o
为海洋飞沫初始半径，W为直接观测的白冠覆盖率，W(u
10
,L,H)为通过大气和海浪要素计算的白冠覆盖率，u
10
为海面风速，L为海浪波长，H为波高；
[0015](4)对于飞滴生成函数，将生成函数分解为两部分，F(u
10
,L,H)和S(r0,u
10
)，其中F(u
10
,L,H)主要与海浪要素有关，代表了生成飞滴的总量，S(r0,u
10
)主要与飞滴半径有关，定义为飞沫体积通量谱，它决定生成函数的分布形态，即谱型，F(u
10
,L,H)和S(r0,u
10
)可通过如下公式计算：
[0016][0017][0018]其中，r
o
为海洋飞沫初始半径，u
10
为海面风速，L为海浪波长，H为波高，C
d
为海面拖曳系数，a、r
p
、b、c和d为谱型相关参数，其中r
p
决定谱峰的位置，a、b和c决定谱峰值，d控制谱型的宽度；
[0019]将式(2)和(3)相乘，可得飞滴生成函数：
[0020][0021](5)分别对步骤(3)和(4)中所得的飞沫生成函数在各自半径范围内积分，可以计算出两类海洋飞沫各自的总体积，两者相加，则为海洋飞沫总体积：
[0022][0023]本专利技术将飞滴生成函数分解为两部分，一部分代表了生成飞滴的总量，主要与海
浪要素有关；另一部分是体积通量谱，它决定生成函数的分布形态，主要与飞滴半径有关；并分别给出了两部分的表达式。
[0024]进一步的，所述步骤(2)沫滴由波浪破碎所卷入的空气泡上升到海面破碎形成，飞沫半径范围为0.07～20μm；飞滴由波浪的破碎直接产生，半径范围为20～1400μm。
[0025]进一步的，所述步骤(3)中白冠覆盖率W(u
10
,L,H)为通过海浪要素和大气要素计算的白冠覆盖率，其计算公式为：
[0026][0027]其中，C
en
＝0.0144，n＝-1.5574，θ可根据计算得到。
[0028]本专利技术的有益效果：
[0029]本专利技术所提供的直接利用海浪要素来计算海洋飞沫生成函数的方法，该方法将飞滴生成函数分解为两部分，一部分代表了生成飞滴的总量，主要与海浪要素有关；另一部分是体积通量谱，它决定生成函数的分布形态，主要与飞滴半径有关，并分别给出了两部分的表达式。本专利技术所提供的海洋飞沫生成函数的方法逻辑清晰，简洁高效，物理意义更加直观，除了用于高海况下海-气界面通量的分析和订正，还可以耦合到地球系统模式中，用于全球气候变化的评估预测和短期的极端天气预报。
附图说明
[0030]图1为本专利技术提供的算法流程图；
[0031]图2为本专利技术提供的不同风速条件下沫滴生成函数随半径变化图；
[0032]图3为本专利技术提供的不同风速条件下飞滴生成函数随半径变化图；
[0033]图4为本专利技术提供的不同风速条件下飞沫体积通量随半径变化图。
具体实施方式
[0034]下面将结合具体实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0035]为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术进行详细本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直接利用海洋要素计算海洋飞沫生成函数的方法，其特征在于，利用海上观测或经数值模式模拟得到的海浪要素和大气要素，计算得到海洋飞沫生成函数，包括如下步骤：(1)观测获取海浪谱和白冠覆盖率，再利用海浪谱计算海浪要素，包括有效波高和波长，或直接获取有效波高、波长和白冠覆盖率；如无法直接观测获取海浪要素，则获取大气要素即海面风速，输入风速，代入到海浪谱公式或海浪数值模式中计算海浪要素，得到有效波高、波长和白冠覆盖率；(2)分离海洋飞沫，判断海浪产生破碎的条件，按照产生物理机制的不同，将海洋飞沫进行分离，分解为沫滴和飞滴；(3)对于沫滴生成函数，当观测可以直接获取白冠覆盖率时，通过如下公式计算不同粒径的沫滴生成函数：当无法直接观测白冠覆盖率时，通过如下公式计算不同粒径的沫滴生成函数：其中，r
o
为海洋飞沫初始半径，W为直接观测的白冠覆盖率，W(u
10
,L,H)为通过大气和海浪要素计算的白冠覆盖率，u
10
为海面风速，L为海浪波长，H为波高；(4)对于飞滴生成函数，将生成函数分解为两部分，F(u
10
,L,H)和S(r0,u
10
)，其中F(u
10
,L,H)主要与海浪要素有关，代表了生成飞滴的总量，S(r0,u
10
)主要与飞滴半径有关，定义为飞沫体...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵彪，乔方利，杜建廷，任丹琴，王关锁，杨永增，
申请(专利权)人：自然资源部第一海洋研究所，
类型：发明
国别省市：