上海海洋大学孙罩峰硕士学位论文《基于海浪模式和遥感的台风拖曳系数及涌浪衰减率优化研究》学术报告

作者及机构
本论文由上海海洋大学物理海洋学专业研究生孙罩峰在导师魏永亮指导下完成，于2024年5月15日提交，学校代码10264，研究生学号M210200610。

学术背景
研究聚焦物理海洋学领域两大核心问题：
1. 台风拖曳系数（Drag Coefficient, Cd）优化：作为海气动量通量的关键参数，Cd的准确性直接影响第三代海浪数值模式WaveWatch III（WW3）对风浪的模拟精度，而风浪是涌浪生成的源头。现有Cd参数化方案在高风速（如台风场景）下存在饱和或递减现象，需建立更普适的公式。
2. 涌浪衰减率（Swell Decay Rate, b）量化：涌浪占全球海洋波浪的80%以上，其传播过程中的能量耗散机制（如湍流相互作用）尚未明确，传统研究认为衰减率与波陡（wave steepness）相关，但缺乏全球尺度验证。

研究目标包括：
- 提出适用于台风场景的Cd优化公式，提升WW3模式对涌浪的模拟精度
- 基于中法海洋卫星（CFOSAT）遥感数据，建立衰减率b与波数k的定量关系

研究流程与方法

第一部分：台风拖曳系数优化
1. 数据准备
- 输入风场：采用ECMWF ERA5再分析数据（2018年全年，0.25°分辨率，1小时时间步长）
- 验证数据：Jason-3卫星高度计有效波高轨道数据（筛选12条台风外围轨道，8条用于建模，4条验证）

1. 数值模型构建

   • 模式配置：WW3-ST6源函数方案，研究区域覆盖西北太平洋（12°S–50°N, 90°E–180°）
     
   • Cd优化方法：
     
     • 通过非线性回归将Cd扩展为风速U10的三次多项式：Cd = f(U10, U10², U10³)
       
     • 利用卫星高度计数据与模式输出进行最小二乘拟合
       

2. 结果验证

   • 拐点特征：优化公式在15 m/s风速处出现拐点，低风速段（<15 m/s）由常数项和线性项主导，高风速段由二阶和三阶项主导
     
   • 精度提升：在涌浪主导区域（波龄>1.2），有效波高模拟误差降低15%，显著优于传统线性方案
     

第二部分：涌浪衰减率研究
1. 数据来源
- CFOSAT卫星数据：
- 波谱仪（SWIM）10°入射角波浪方向谱（波数范围0.0126–0.2789 m⁻¹）
- 散射计（CSCAT）风场数据（风速精度<1.5 m/s，风向误差<20°）
- 研究区域：中西太平洋（85组轨道）和印度洋（54组轨道）

1. 分析方法

   • 涌浪追踪：基于大圆弧传播理论，匹配相邻轨道同方向谱数据
     
   • 衰减率计算：
     
     • 通过频散关系计算波浪相速度
       
     • 利用波龄（wave age）筛选涌浪主导区域（波龄>1.2）
       
     • 拟合能量衰减曲线得到b值
       

2. 关键发现

   • 普适规律：衰减率与波数平方成反比（b ∝ k⁻²），跨区域拟合公式为b = 3×10⁻⁷×k⁻²（R²=0.96）
     
   • 波陡验证：单轨道分析显示b与波陡呈线性关系，支持前人理论
     

结论与价值
1. 科学价值
- 提出首个涵盖低-高风速的Cd三次方参数化方案，弥补WW3-ST6在台风场景的适用性缺口
- 首次通过全球卫星数据证实涌浪衰减率与波数的负二次方关系，为能量耗散机制提供观测证据

1. 应用价值
   
   • 海洋工程：优化的Cd公式可提升台风浪预报精度，指导海上平台设计
     
   • 航运安全：衰减率模型助力跨洋航线规划，降低共振风险
     
   • 气候研究：涌浪能量耗散参数化可改进海气耦合模型
     

研究亮点
1. 方法论创新
- 联合WW3数值模拟与多源卫星数据（Jason-3+CFOSAT），实现”模式-观测”闭环验证
- 开发基于大圆弧理论的涌浪自动追踪算法，解决跨轨道匹配难题

1. 技术突破
   
   • 利用CFOSAT SWIM方向谱数据反演衰减率，突破传统高度计仅能获取有效波高的局限
     
   • 在CSCAT风场中引入ECMWF再分析数据，提升波龄计算精度
     

局限与展望
1. 未考虑海底地形对衰减率的局地影响，未来可结合水深数据细化模型
2. Cd优化公式在超强台风（>50 m/s）下的适用性需进一步验证

该研究为海洋动力学参数化、灾害预警及气候变化研究提供了关键理论工具。