海浪谱宽度与波高概率密度分布的关系及其在台风浪高度计遥感反演中的应用

Typhoon is a frequent marine disaster in southeast coastal area of China. The huge waves produced by typhoon could be serious threat to the safety of offshore production and shipping activities. Remote sensing by satellite altimeter, which provides real-time Significant Wave Height (SWH) of the waves, is of great practical significance for the forecasting and early warning of typhoon waves. .The proportional relationship between SWH and the standard deviation of wave surface displacement, σ, is one of the theoretic bases of the retrieval algorithm of SWH. In current operational algorithm it is estimated based on the Rayleigh distribution assumption of wave height, which induces an overestimation of small probability wave heights, more obviously under severe sea conditions, and thus leads to unignorable errors in the remote sensing SWH products of typhoon waves. In this study, we will introduce the spectral width of wave spectrum in the estimation of aforementioned relationship. The distribution and variation of spectral width under the influence of typhoon, along with the relation between spectral width and probability density distribution of wave height, will be studied with wave observations under typhoon conditions and results from numerical experiments. Finally, a statistical expression that links the wind field parameters of typhoon and SWH-σ ratio through spectral width will be established and used to re-estimate SWH from remote sensing retrieved σ under typhoon conditions. A fast correction to remote sensing SWH products could be carried out based on this new expression.

台风是我国东南沿海频发的海洋灾害现象。台风风暴过境时产生的台风巨浪，严重威胁海上生产和航运等活动的安全。卫星高度计遥感可以实时提供海浪的有效波高，对于台风浪的预报和预警有着很重要的现实意义。有效波高遥感反演算法中一个重要的基础公式是有效波高与波面方差间的关系，目前业务化算法中该关系是基于海浪波高服从瑞利分布给出的，对小概率波高的估计偏高，会导致高海况下遥感反演的有效波高存在不可忽略的误差。本研究将引入海浪谱的谱宽度参量，利用台风海浪观测资料和数值实验结果，研究台风区域内谱宽度的空间分布及其随台风风场参数的变化规律，以及谱宽度与海浪波高概率密度分布的关系。最终以谱宽度为纽带，建立台风风场特征因子和有效波高与波面方差间比例系数的统计关系式，从而实现卫星高度计遥感反演台风浪有效波高结果的快速订正，在不失效率的前提下提高遥感反演的精度。

台风是我国东南沿海频发的海洋灾害现象。台风风暴过境时产生的台风巨浪，严重威胁海上生产和航运等活动的安全。卫星高度计遥感可以实时提供海浪的有效波高，对于台风浪的预报和预警有着很重要的现实意义。本项目通过历史台风海浪观测资料分析、海浪数值模拟、Monte Carlo方法数值实验等手段，以三参量风浪谱的谱宽度参量B为纽带，建立台风风场的特征因子与海浪的有效波高谱矩比值k的经验关系式，最终为台风浪有效波高的修正提供一种实用方法。.通过开展项目研究，取得了以下主要成果：1）开展了海浪谱宽度B与波高概率密度分布的关系研究，通过数值逆向重构实验进行谱宽度B与波高概率密度分布的统计学研究，给出了B与有效波高波面方差比的统计关系式；2）根据波浪浮标的实测数据，刻画了台风过境期间海浪谱的成长过程和谱参量在台风过程中的变化特征，给出了海浪谱谱宽度B随无因次风区的成长关系；3）通过对“1415”台风的海浪场进行了数值模拟后报，研究了台风风场的各特征因子对谱宽度B的影响，建立了二者间的统计关系；4）基于以上成果，建立了以谱宽度B为媒介，根据台风风场特征参数对台风浪有效波高的遥感反演和模式计算结果进行修正的算法，并利用浮标观测结果检验了方法的有效性；5）开展了基于浮标观测数据的卫星高度计有效波高反演校正算法研究，建立了基于神经网络的高度计有效波高数据自校正算法，实现了利用卫星自身载荷对有效波高反演结果的快速自校正。.本项目的成果可在遥感反演、现场观测和数值模拟等多方面进行应用，能够降低有效波高计算的系统误差，提高其反演和计算的精度，对于海浪预报，特别是台风海况下的预报预警具有实际应用价值。