志愿船钝体绕流气流场对海面风观测的影响及数据偏差校正方法研究

High-quality sea surface wind observations play an important role on accurate air-sea flux calculation and deep understanding of air-sea interaction. VOS is an important means to obtain long-term and continuous sea surface wind observations. Whereas the flow distortion caused by hull and superstructure leads to non-ignorable data bias. Currently, there are only few studies on universal bias correction method for VOS sea surface wind observations. In this application, we intend to use CFD to simulate air flow field around hull and superstructure for different ship types under different upwind angles to reveal the influence of the ship geometric characterist ics on the sea surface wind observe process. Then we exploit SVM for pattern recognition to fit the non-linear relationship between free stream, ship geometry, wind sensor mounting position, and airflow distortion, in order to construct bias correction model for the sea surface wind observations from VOS, which provides data preparation for data fusion, assimilation, and reanalysis data construction from multi-source observations. The data quality improvement of the sea surface wind observations has positive effects on marine scientific research, maritime transport security and national defense construction.

高质量的海面风观测数据对准确计算海气通量，加深对海气相互作用的理解有重要作用。志愿船是获取长期连续海面风观测数据的重要观测手段，然而船体和上层建筑引起的气流畸变造成了观测数据中存在偏差。目前，对具有普适性的志愿船海面风观测数据偏差校正方法还缺乏研究。在此申请中，我们拟运用计算流体力学方法对不同船型在不同迎风角度条件下的船体周围钝体绕流气流场进行仿真，揭示船型几何特征对海面风观测过程的影响规律；结合支持向量机模式识别方法对自由来流与船型几何特征、迎风角度、测风传感器安装位置、测风点处受干扰气流之间的非线性关系进行回归建模，校正志愿船海面风速、风向观测数据的偏差，为海面风多源观测数据融合、同化以及构造再分析数据资料提供数据准备。提高志愿船海面风观测数据质量，对于我国海洋科学研究、海上交通运输安全和国防军事建设具有积极的作用。

志愿船是获取长期连续海面风观测数据的重要观测手段，但船体和上层建筑引起的气流畸变造成了观测数据中存在偏差，影响海面风观测数据质量。志愿船船型及尺寸各异，目前对具有普适性的志愿船海面风观测数据偏差校正方法还缺乏研究。本项目依据世界气象组织发布的国际志愿船元数据描述（WMO-No.47，Ver.04）和志愿船清单，采用“块体”模型建立了主要志愿船船型的普适三维几何模型，采用计算流体力学仿真模拟了不同船型在不同迎风角度条件下的船体周围钝体绕流气流场，采用最小二乘支持向量机对自由来流与船型几何特征、迎风角度、测风传感器安装位置、测风点处受干扰气流之间的非线性关系进行了回归建模，采用实验数据对上述仿真建模校正方法进行了验证，结果表明该方法能够在一定程度上降低海面风速、风向观测数据偏差，有助于为多源数据融合、同化以及构造再分析数据集提供数据准备。船体周围钝体绕流气流场仿真的准确性与船体三维模型钝体边缘几何外形处理、网格划分、边界条件设置、求解算法选择等因素有关。结合不同船型的实船实验数据对计算流体力学仿真方案进行完善，有助于进一步提高仿真建模校正方法的有效性。