从加州中部波观测:SeaSonde系统和原位波浪浮标

文摘

从五12 - 13兆赫波数据SeaSondes雷达加州中部海岸的效用进行了分析评估操作波参数,包括有效波高、周期,和方向。数据从四个原位波浪浮标数据验证SeaSonde和独立证实波的变化。跨越距离是150公里每小时的平均测量近岸×45公里离岸。个人SeaSondes显示统计无关紧要的变化超过27公里的范围。区域浮标中表现出很强的相关性之间的波高而得出,大约0.93,RMS对该地区差异小于50厘米。SeaSonde-derived波数据比较附近浮标在时间尺度从15到26个月,和显示波形高度相关性和平均均方根差53厘米。结果表明,高度均方根差异是有效波高的比例,而不是独立的海洋国家。时间和方向顺利地在雷达相比,浮标,CDIP模型。这里给出的结果表明,SeaSondes波信息的可靠来源。浮标数据支持,他们还揭示最小空间有效波高的变化,期间,在沿海水域和方向~ 45公里×~ 150公里在这个地区的加州中部海岸。小差异解释为庇护从沿海地岬,和截止边界的雷达。

1。介绍

几个海况波监测传感器,包括四个原位波浪浮标和五个沿海海洋动力学应用雷达(CODAR)高频雷达(hfr)称为SeaSondes,目前部署从酒窖湾加州中部海岸,CA,南至半月湾(图1)。为了更好的描述SeaSonde-derived波参数及其整体效用,我们比较数据集与附近一到两年原位浮标。17 sensor-to-sensor进行了比较,提供一个广泛的看有用的不同数据集,也提供了有趣的见解波环境在加州中部地区扩大离岸150公里从南到北,到45公里。

有130在美国大陆沿海高频雷达实时操作,作为美国ioo国家网络的一部分。预期的表面电流和主输出映射扩展到200公里。其中,122人CODAR SeaSondes-the设计在此讨论候选人波输出。从SeaSondes波数据被认为是次级输出可用在许多系统中,但不使用或显示操作的web服务器(例如,http://hfradar.ndbc.noaa.gov/)。本文的动机是检查SeaSonde高频雷达输出波参数来评估其准确性和实用性作为增强海上NOAA / NDBC浮标网络(http://www.ndbc.noaa.gov/)。

我们有两个目标:(1)确定附近CODAR-derived波高和周期与波浪浮标数据和(2)的空间格局特征波高了加州中部,因为它们适用于高频雷达输出。

2。位置和仪器

2.1。CODAR,高频Radar-SeaSondes

数据从五个陆基,12 - 13兆赫SeaSondes位于加州中部海岸被用于这项研究(图1):两个SeaSonde系统是位于北部的雷斯岬,一个在酒窖海洋实验室(BML1),一个在南海滩雷斯岬国家海岸(猎物);三个SeaSondes系统位于南部的雷斯岬:雏鸡附近一个CA(通讯),一个在旧金山,CA(堡),和一个在蒙达拉,CA(蒙脱石)。从这些网站的数据集的贡献与波高、波周期,和波浪方向跨越26个月,从2005年11月到2008年1月。

陆基SeaSonde系统测量表面波水流和海况条件在海洋表面发射无线电波。Doppler-shifted返回海洋回波是用来提取表面电流速度从占主导地位的一阶布拉格峰~ 90 - 200公里离岸(巴里克et al ., (1])。每个站点观察流朝着或远离雷达,称为径向电流。通过结合两个或两个以上的径向向量在一个网格点,产生一个总电流向量。

另外,每个SeaSonde独立网站可以测量波信息,如波高、波周期,和波浪方向如果存在二阶海洋回波(巴里克,2,3])。二阶谱用于提取波信息,如有效波高、波周期,和波浪方向,通过应用Pierson-Moskowitz模型二阶谱(见,脂肪酶和Nyden [8])。这不同于怀亚特的方法(4相控阵雷达)。怀亚特的方法,以及我们自己的早些时候尝试,包括完整的二阶回波频谱的数学反演;这是健壮的发现大大低于拟合模型参数较少的回声。

本研究中使用的SeaSondes(12 - 13兆赫系统)可以测量最小波高1米,最大一波8米的高度。如果海浪足够精力充沛,二阶谱将提供前几波估计范围的细胞。波数据收集从几个环形中距离戒指,宽度()和距离(从雷达(图)2)。波参数代表平均条件在这整个环形圈范围。这意味着相同的Pierson-Moskowitz波光谱模型假定应用独立环的位置,也就是说,波场是均匀的。如果在实践中这种假设并不适用在时间和空间抽样考虑这里,那么变化将出现在细胞和SeaSonde和浮标测量范围。这实际上是本文的主题,和我们的结果将显示最小变异,从而证明该模型的使用与SeaSondes海况测量的目的。

细胞的数量范围为波处理,收集波平均数据,输出选项,海岸线轴承角,和数据输出的方法(即。,平均或中值滤波)是用户选择的所有参数和多年来一直在每个各自的网站。例如,BML1和猎物平均有效波高数据现场和输出每小时超过75分钟。通讯波数据没有平均每30分钟和输出。堡和蒙大拿州波数据也不是平均,而是输出每10分钟。

在这项研究中使用的原始数据表进行了总结1。BML1数据集是最长的,包括从2005年11月到2008年1月26个月,收集从18公里4公里离岸波数据。蒙达拉拥有最大的范围程度从27公里离岸6公里。图1显示从每个细胞用于收购浪潮SeaSonde网站。

2.2。原位波浪浮标

四个波浪浮标位于该地区的研究,与系泊位置从20公里到离岸(图45公里1)。波高和周期的数据收集从三个,3米铁饼浮标(46013、46012和46026年)由国家经营和维护数据浮标中心(NDBC)和第四个浮标由斯克里普斯海洋研究所的踏浪者(沿海数据信息项目的一部分,CDIP)。质量受控,每小时平均有效波高,占主导地位的时期,和平均周期从2006年6月到2007年12月(17个月)从国家获得数据浮标中心(NDBC)网站上的浮标46013年,46026年和46012年(http://www.ndbc.noaa.gov/占主导地位),而只有每小时的有效波高和波周期从CDIP浮标,46214。从三个方向波数据的四个浮标都不可用或不完整的从2006年6月到2007年12月,并不包括在这项研究。

浮标有效波高测量NDBC网站上描述为“平均最高的三分之一的浪高在一个20分钟的采样周期”(http://www.ndbc.noaa.gov/measdes.shtml)。主要波的周期被描述为“最大波浪能源的时期,”虽然NDBC计算平均周期”之比的平方根第0光谱时刻第二光谱。“更多信息NDBC计算浮标测量用于这项研究可以在这里找到:http://www.ndbc.noaa.gov/wave.shtml。

错误或不确定性NDBC浮标输出给定在上述网站作为波高±20厘米;波的周期±1秒;±10°波方向。这是解释为标准差。

2.3。CDIP近岸模型数据

由于定向波浪浮标的数据有限,在这个地区,近岸波估计有2007人从CDIP获得模型,这是一个进行中的工作基于multibuoy扩展光谱折射建模中描述的O ' reilly et al。5]。值得注意的是,还有其他型号进行比较(如波看三世和WAM);然而,CDIP近岸折射模型数据容易获得我们为我们研究的时间跨度。模型输出提供了15米等深线SeaSonde位置附近。CDIP模型膨胀(频率< 0.09 Hz)是获得CDIP浮标46214年和46042年,尽管贡献当地海(频率> 0.09赫兹)从数据建模的浮标150公里内所要求的位置。浮标46026和46214(如图1),46042年和46236年(蒙特雷湾附近,而不是显示在图1),在这个模型中使用的方法。

2.4。雷达和浮标能做什么和不能测量

有三种类型的可观察到的波信息:(1)短期空间点测量;(2)平均长间隔(例如,一个小时);(3)平均在一个空间区域(例如,在土星环范围定义的雷达参数)。前者是有用的在研究快速变化的条件下,当暴风雨或前面穿过和波条件变化的分数1小时~ 10公里的距离。波浪浮标输出时间序列可以包含这些信息(1),虽然我们访问的数据库,如上所述,每小时平均样本(2)。有用的高频雷达数据是目前限制为每小时平均(2)在空间尺度上40公里(3)(后者基于商用雷达辐射的权利(今天)。这是真的不仅CODAR SeaSondes,但也适用于相控阵系统,也需要长期的平均稳定(Wyatt et al .,6])。每小时平均相当足够的测量主要膨胀特征像那些观察到在加州中部地区(通常来自北部和西北部)。开发所需膨胀时间(时间或改变他们的能量),超过一个小时;他们也有获取(他们保持近距离不变),超过高频雷达测量的空间尺度上我们认为此处(亲戚7])。

因此,短期动态风暴事件不会扮演一个角色在本文研究结果,因为固有的空间/时间平均。的空间尺度上,说,40公里每小时的平均时间。例如,典型的太平洋波与深水群速度12秒时间旅行34公里/小时。获取考虑在一个不断发展的风暴也展示了这种波需要获取和持续时间的几十公里,一个小时或更多的时间来培养。因此,我们重复波变化在短时间和距离远低于40公里不考虑。

3所示。数据分析方法

几个数据进行了分析,以评估SeaSonde波数据与buoy-derived波高和周期。首先,我们仔细研究了有效波高从每个SeaSonde评估自己的空间变异性和确定哪些数据应该与浮标用于比较。然后我们比较波数据区域浮标和区域SeaSondes建立如果从不同的仪器存在区域差异。建立区域波场“地面实况”从buoy-buoy比较,然后SeaSonde-to-buoy波高和周期进行了比较。下面详细描述这些分析。

3.1。在波高可变性SeaSondes和浮标

从每个SeaSonde初步研究进行的有效波高数据集来确定测量波高变化范围从雷达。每个系统有能力记录波高、周期,为多个范围和方向(即细胞。,距离雷达)。现场操作参数设置不同的雷达操作人员确定哪些范围的细胞被用于提取波参数。在所有5个网站在这项研究中,使用多个范围设置记录波参数;然而,范围和数据时间跨度不同系统(表1由于不同的用户设置)。

数据质量控制(QC)和归一化之前,任何分析。QC滤波器最初是应用于SeaSonde和浮标数据,删除原始标记点(nan, 999年代等)和点超过1 m阈值变化在不到一个小时,有时会产生无线电干扰,物理环境问题,和/或操作错误。表2显示初始点数量从每个数据集,和数量的点比较应用QC过滤后使用。

以规范化的不同的原始SeaSonde数据集比较,所有SeaSonde数据位和一个70分钟的运行中值滤波器和输出值每小时值。位中位值被用于所有的比较。

最初的话题对于所有五SeaSonde网站检查,以确定它是否从SeaSondes不同波高测量范围细胞范围细胞。要做到这一点,我们计算一个“变异系数”(x) /每小时的数据范围。如果x是接近于零,平均偏差;如果x是接近团结,有重大偏离。首先,一个标准偏差的有效波高测量范围为每小时计算。然后,平均波高在范围是每小时计算。标准差在范围就意味着在规范化的范围,提供一个浸在每个小时的收集的数据范围。这里使用浸给衡量是否身高标准差(举例来说,不确定性)的一个百分比的意思是,一个固定的数量,或两者的结合。此外,每小时的时间平均标准偏差计算为每个SeaSonde给一种个人SeaSondes近岸波高的空间变化。(RMS差异时间序列的双数字有时时首选很小(例如,两个或三个)。当较大,例如,在时间历史从多个范围的情况下细胞从雷达、数字本身之间的标准差是首选,减少繁琐的计算。后者可以显示相同等于RMS-difference标准差乘以根号2。)

为了评估空间变异性较大的地区,我们将时间序列的range-averaged从每个SeaSonde有效波高和开展了四个区域SeaSonde-to-SeaSonde五buoy-to-buoy比较。RMS差异,相关系数、标准差和均值差异计算量化空间变异性。

区域空间变异性也运用量化分析用于个人SeaSonde范围cell-to-range细胞比较地区SeaSonde数据和地区浮标数据跨越150公里从南到北,从东到西45公里。标准差和均值计算从收集到的有效波高的地区分别从所有SeaSondes-and buoys-for每小时生产的浸大域;平均标准偏差计算总结整体可变性。

3.2。SeaSonde-Buoy比较

量化SeaSonde波数据进行比较原位波测量从附近的浮标,我们使用之间的直接比较案例研究median-filtered波高和周期数据从每个SeaSonde站点和最接近原位波浪浮标。SeaSonde波period-based质心的模型拟合的光谱数据(8)——相比的主导和平均波的周期输出的浮标(可用),以确定哪些浮标时期与SeaSonde波输出相关的最佳时期。因此就其性质而言,radar-derived时期不同于浮标时期;后者承认的可能性,有时测量膨胀时期分开风波期间,雷达目前不能解决这两个。波方向是解决;然而,三四个浮标没有波定向能力(或数据容易获得)我们的研究。因此,由于波浪方向数据有限,2007年平均SeaSonde波方向从每个网站相比,2007年的平均输出CDIP近岸模型在最近的15 - m抗议等深线。

6 SeaSonde-to-buoy比较的波高和周期进行,每产生一个相关系数,RMS差异,平均差和标准差。定性比较CDIP近岸模型和SeaSonde波方向来自计算年平均每个数据集。

3.3。解读统计数据

统计数据差异表列在这篇文章中有不同的含义。RMS的区别传感器包括均值之间的差异和他们的标准差,的平方根的方块。这些RMS差异可以总体上反映:仪器偏差;传感器的噪声测量过程;噪音波量测量传感器无法删除;和/或空间可变性在波场的距离;我们在本文进一步考虑这些。

我们使用这个词偏见意味着很长一段时间(> 1年)平均差两个传感器之间。平均差异反映传感器偏差和/或自然差异或波场的空间变异性。这样将被解释为意味着差异很大程度上是由于沿海截止和/或庇护的沿海突出远波测量,在部分进一步讨论5。

我们使用这个词噪音来表示一个零均值高斯随机过程,最低订单。下面我们展示一些噪声传感器差异反映在这差异可以是特有的标准差被测参数。在其他情况下,它源于噪音波参数在不同的传感器,或由相同类型的传感器在不同的位置。(即最低秩序,嘈杂的传感器差异。,large standard deviations) would not reflect a highly variable wave field; any such variability should not be zero mean. Rather, to the lowest order, mean difference, absent in any instrument biases, best reflects wave-field spatial variability.

我们也计算变异系数(浸)标准差和均值的比值。这个数据是用来更好地定义方差和色散波场范围。它是专门应用于研究时间序列波高对个人SeaSondes范围和地区浮标和SeaSonde波输出除了平均标准偏差本身。浸的时间序列将显示任何变化,而平均浸也计算为每个数据集定义整个波高色散。

由于缺乏空间的,我们不能显示所有病例包括块时间序列,x,和散射;然而,我们已经强调了位著名的策划和讨论的结果为梦幻般的光效应。均值统计所有情况下计算和包含在我们的表2- - - - - -5。

4所示。结果

4.1。SeaSonde范围Cell-to-Range细胞分析

年的个人SeaSonde波数据范围进行了分析和提出了在表2。总之,所有五个SeaSondes报告> 95%的数据点不足50厘米变异范围。均值标准差范围不超过20厘米。所有系统的平均变异系数低于0.10。值得注意的细节,结果,和支持数据列在下面。

以下4.4.1。BML1: 2005年11月- 2008年1月

图3显示了所有重要的浪高时间序列图范围在BML1细胞收集波数据,代表最长的数据集。标准差在范围从有效波高测量计算每小时的26个月数据集评估有效波高的变化范围。16424每小时QC-filtered点分析,99%的点显示标准差小于50厘米波高。相应的x和计算的时间序列和绘制在图4。0.09意味着低色散的平均浸在4公里之间的有效波高和SeaSonde 18公里。

4.1.2。蒙特:2006年10月- 2008年1月

波蒙特产生的最大范围收集数据。波参数收集在3公里范围内的细胞,从6公里到27公里海上,收益率参数生成21公里;波高的时间序列图范围突出显示在图5。

蒙大拿州波高变化非常低,99%的9258每小时QC-filtered点显示偏差小于50厘米,和20厘米的平均标准偏差。浸时间序列如图6和用于计算x的平均值是0.09。

4.1.3。猎物:2006年9月- 2008年1月

浪高的数据集从猎物跨度仅4公里,所以后面的小变化范围由于限制范围。98%的11550点超过16个月显示有效波高的变化小于50厘米,收益率均值标准差在17厘米。x是最低的0.07所有类似的案例研究。

4.2。区域SeaSonde比较案例研究

在这里,我们提出并讨论range-averaged结果从四个SeaSonde-to-SeaSonde比较有效波高、波周期,和波方向,以及区域汇总结果从所有SeaSondes表所示3。总之,意思是波高和周期在所有四个比较是0.88和0.86,分别。平均波高和波周期均方根差50厘米,1.03秒。散点图从所有SeaSonde-SeaSonde案例研究如图7;结果所有区域的对比,range-averaged SeaSondes如表所示3。著名的比较,结果,和支持数据列在下面。

4.2.1。准备蒙特和堡垒,2006年11月- 2007年12月

蒙特和西方都面临堡和由20公里;堡收集波数据从6公里到15公里和蒙达拉收集波数据从6公里到27公里。我们预计结果类似这两个网站之间由于其接近和相似的视野。

范围的平均波高和散点图(图比较7)。结果详细此——表所示3揭示强有力的协议有效波高相关系数为0.89,RMS区别52厘米7182小时的数据相比。波周期从这些网站也相关,屈服和1.15年代的均方根差。波方向的平均差是21°扭转由于庇护的堡主要来自西北的隆起并将节中讨论5。

4.2.2。BML1和蒙特:2006年6月- 2007年12月

蒙特和BML1相距100公里,最大的距离比较这些SeaSonde-SeaSonde调查。7060小时点,跨越13个月,在这个案例研究中使用。比较的结果会产生积极的波高相关性和最低的均方根差的HFR比较,分别和43厘米。明确相关视觉上明显的散点图如图7。

4.2.3。所有CODAR站点,2006年11月- 2007年12月

Range-averaged海浪的高度从五SeaSonde网站比较评估区域浪高可变性(图8)。波五个站点的数据由~ 100公里从北到南,从27公里离岸~ 4公里。从2006年11月到2007年12月,每小时有4634个匹配点之间的所有5个站点。

区域标准差超过范围计算每小时的收集的数据。这种比较的结果表明,85%的匹配点对该地区差异小于±50厘米,平均35厘米的标准偏差。当我们正常标准偏差由区域时间序列的意思是,我们得到一个x 0.17,表明低色散波高的地区。这些结果表明,有效波在时间和空间尺度height-averaged受雇于这些sensors-varies小这些沿海水域。

4.3。区域Buoy-to-Buoy比较案例研究

为了进一步验证和理解我们的SeaSonde比较结果,我们利用从四波数据原位沿着海岸波浪浮标坐落在这一地区:NDBC 46013年,46214年CDIP NDBC 46026, NDBC 46012。我们进行了五个buoy-to-buoy比较来确定原位浮标观测同一区域波高变化随着该地区发现SeaSonde波高的比较结果。比较结果表4证实SeaSonde结果,露出略高浮标比较(平均为0.94),和相同的整体平均均方根差50厘米。平均周期输出并不是可以从所有的浮标,所以只有一个占主导地位的时期比较有可能对大多数对位。一般来说,占主导地位的时期比较产量较大的RMS差异,表明这是一个嘈杂的参数并将讨论更多的部分5。下面突出显示明显的比较。

4.3.1。近岸浮标:NDBC NDBC 46026年相比,46013年2006年6月- 2007年12月

这种比较两地区近岸浮标:NDBC 46013年和46026年,相隔69公里。浮标酒窖湾以西46013位于28公里和127米等深线附近停泊;NDBC浮标46026位于旧金山和停泊以西27公里附近50米等深线(图1)。

匹配每小时之间的波高和周期比较两个浮标从2006年6月到2007年11月(图9)。可以看到总的趋势略高的浪高报道从46013年开始,可能由于其unsheltered位置远离海岸。然而,浪高比较相关系数从12537年匹配点显示有效波高的相关性最高的国家之一在我们的研究中为0.94。这个案例研究也取得了最低的均方根差和标准偏差在这项研究中,分别为42厘米和31厘米,。平均波的周期比较积极,屈服和均方根差0.66秒。这些好的关联buoy-buoy结果证明小波高变化的雷斯岬地区北部和南部近岸区域(图9在波高),但是有轻微的差别可能是由于节中,将讨论进一步避难5。

4.3.2。附近和海上浮标:CDIP NDBC 46026年相比,46214年2006年6月- 2007年11月

最远的海上浮标波高和主波的时期(从46214年CDIP)是46026年从NDBC波数据浮标相比停泊接近海岸(图1);这两个相距61公里。

图10强调了15个月时间序列的数据每小时(10916分)用在这波高的比较。这最高buoy-buoy比较揭示了波高度均方根差(69厘米),最高平均差(−55厘米)和最高标准偏差(41厘米)的所有buoy-to-buoy比较案例研究。这些值表明潜在的海浪从西北庇护在46026,我们将地址部分5。

4.3.3。所有的浮标,2006年6月- 2007年11月

从所有四个海浪的高度原位波浪浮标进行比较,以更好地评估变化对该地区从~ 100公里从北到南,和25 km-45公里离岸。对于这种比较,我们使用类似的方法对于区域SeaSonde time-matched案例研究和计算标准偏差,浪高的四个浮标。从2006年6月到2007年11月,有9884个匹配点之间(13.5个月)中使用的所有四个站点(图进行了比较11)。

这种比较的结果表明,89%的匹配点变化小于±50厘米的区域浮标域(表2)。均值标准差是29厘米,类似于地区SeaSonde 35厘米的平均标准偏差。当我们计算一个区域的有效波高获得x和,我们发现0.14,表明低色散波高的地区。

4.4。SeaSonde-to-Buoy比较案例研究

六SeaSonde-to-buoy比较进行分析对比,RMS差异,平均差和标准差的波高和波周期。SeaSonde质心的时期相比,占主导地位的浮标参数和平均周期。所有的结果在表中做了总结5和数字12- - - - - -14。图12显示了所有SeaSonde-buoy比较波高分散的情节。年平均波方向从CDIP近岸模型比较和SeaSonde结果如图16。细节和支持数据的具体比较下面讨论。

4.1.1。BML1与NDBC 46013、2005年11月- 2008年1月

每小时14808 time-matched点用于比较有效波高和周期26个月的时间。波高比较结果显示正相关,而均方根差47厘米,平均差9厘米,和标准偏差46厘米是一些最低的统计值在所有SeaSonde-buoy案例研究。

10/24/11。猎物和NDBC 46013: 2006年8月- 2008年1月

波从猎物系统数据比较的数据附近NDBC浮标46013。图13显示了每小时10954匹配点的波高和周期用来比较。波高的结果和均方根差buoy-to-buoy 48厘米揭示相似特征的比较案例研究结果部分中描述4所示。3和46026年蒙特与下面描述的比较案例研究。

4.4.3。通讯和NDBC 46026: 2006年10月- 2008年1月

之间最短的比较案例研究是通讯,并每小时46026与8388匹配点。但是,它是唯一的情况下,浮标在SeaSonde范围。

这种独特的案例研究揭示了有效波高的正相关最低的有效波高均方根差46厘米,和最低平均差(6厘米)的所有SeaSonde-to-buoy有效波高的案例研究。波的周期比较结果与其他SeaSonde-buoy结果持平,收益率的相关性为主导和平均时间0.61和0.74,分别和相关的RMS差异2.86和3.39年代。

4.4.4。46026年蒙特和NDBC NDBC 46012年,2006年10月- 2008年1月

两NDBC浮标在一般附近的蒙特SeaSonde: NDBC墨西哥湾东北部46026位于约17公里的蒙特的西北法拉和近36公里,NDBC浮标46012位于西南蒙特(参见图37公里1)。蒙大拿州波数据分别与每一个浮标。匹配时薪点(9999)与46026年跨越近15个月从2006年10月到2008年1月(如图14),而匹配点(8718)与46012年长达14个月从2006年10月到2007年11月。

蒙大拿州波高与46026年相比SeaSonde-buoy比较取得了最好的结果标准差是40厘米,均方根差49厘米。期蒙特和46026之间的相关性略低,为各自的主导和平均收益率0.56和0.79比较,RMS差异为3.04和3.11秒。这些时间稍微不那么令人印象深刻的结果可能是由于46026年的法拉的海湾附近更保护环境,而蒙特位于岬接触时间长,来自西北的膨胀。

图15显示了广泛的详细情节区域浮标和蒙特和猎物SeaSondes分离,所有观察有效波事件在冬天和夏天,2007。我们看到好的相关性在所有SeaSonde-derived波数据和附近原位浮标在SeaSonde-to-buoy比较案例研究(总结表5)。

4.4.5。从CDIP近岸波方向模型和SeaSondes, 2007 - 2008

年平均波方向从近岸波模型计算结果从CDIP浮标在15米等深线位于立即从SeaSonde离岸地点(见图16)。年平均波方向从CDIP近岸模型匹配年平均波方向从蒙特,通讯,猎物,堡垒。模型的输出之间的差异和这些SeaSondes 3°至14°。模型的输出至少与年平均方向从BML1 CDIP模型输出245°BML1附近的年平均方向,而SeaSonde措施281°。这种差异36°解释为近岸,波折射/衍射(一节中进一步讨论515米等深线附近)。这波方向折射不是观察SeaSonde系统自15米等深线离海岸几百米范围内,没有SeaSondes收集波数据。

5。讨论

在本节中,我们解释数据呈现结果的程式,从我们的研究得出一些结论。我们首先解决如何SeaSonde-derived波数据与附近的波浪浮标数据。然后,我们设置这个角度通过检查空间变化的浪高加州中部。

5.1。SeaSonde-Derived波数据的验证

比较波SeaSondes和浮标得到的数据可以帮助我们更好地了解仪器的变化相对于对该地区空间变异性波高。通过分析本文提供长期的结果,我们可以代表这个地区的波场采用不同的传感器和确定测量的可靠性。结果比较中浮标、SeaSondes SeaSondes-to-buoys讨论如下。

5.1.1。Buoy-to-Buoy比较

停泊波浪浮标被广泛接受作为海洋海况测量可靠的设备。NDBC和CDIP操作多种网络的浮标停泊近岸和离岸在加州北部和中部地区,以及世界各地。四波浮标坐落在我们地区的研究作为“海候选人真理”在分析该地区的海洋国家。因此,一个重要的比较首先确定波测量密切和冷淡地间隔buoys-both离岸,沿着shore-revealed海况结果相似,平均一个多小时的数据和时间尺度大于一年。

海况浪高所有buoys-near-shore之间的比较结果,离岸,冷淡地分离buoys-revealed强烈的相关性在时间尺度跨越超过一年。比较近海浮标(46013 & 46026),位于离海岸不到25公里,然后在海上浮标(46214 & 46012)之间,位于离海岸50 - 75公里,RMS差异和最低最低的意思不同。浮标的更高的RMS差异,差异比较时比较近海浮标的近岸浮标(46026年和46214年、46026年和46012年,46013年和46214年),尽管“更高”RMS差异都是低于70厘米。有较高相关性和更少的变化当比较浮标位于一个类似距离海岸,这符合自然海况流程。总的来说,所有buoy-to-buoy相关性强,RMS差异较低(< 70厘米),但总的来说意味着区别是略高。当浮标错误报道NDBC网站包括(标准差20厘米http://www.ndbc.noaa.gov/),他们的贡献表明,并排两个浮标可以看到RMS差异28厘米,基于他们进行独立的测量及其误差(即无关。的平方和的平方根的20厘米)。

这些发现表明,这里讨论的浮标,位于100公里的海岸,确实是一致的(在上面讨论的浮标错误报道自己)在该地区和海况测量和提供一个准确的来源可以作为“海候选人真相”相比其他波传感器。

5.1.2中。SeaSonde-to-SeaSonde比较

所有SeaSonde-SeaSonde比较案例研究揭示了非常相似的结果在0.86和0.89之间,RMS 43和54厘米之间的区别。当然,一些地方和时间变异性存在,但这些长期,总结结果非常类似于buoy-to-buoy和SeaSonde-to-buoy比较稍后讨论。具体来说,意味着RMS的区别是一模一样(50厘米),计算出buoy-buoy比较和平均差和总体平均值标准差也接近buoy-buoy和SeaSonde-buoy比较。所有案例研究显示相同的趋势事件有效波高在长时间尺度和较短的时间尺度,所有这些定量证明,SeaSondes和浮标观测网络的独立准确测量区域海洋国家。

5.1.3。Seasonde和浮标范围比较

两排桌子底部2从所有SeaSondes和浮标,总结区域空间变化。我们把范围从每个SeaSonde平均数据集(用于SeaSonde-to-buoy比较)和平均所有网站在一起“地区CODAR”波高数据集来计算区域SeaSonde有效波高的意思。这个地区SeaSonde平均波高的所有五个系统由4634小时点,其中85%点的变化对该地区小于50厘米。相同的是浮标数据;所有四个浮标数据集是对该地区平均产生“地区浮标”波高的平均水平。我们发现,89%的9884浮标匹配点对该地区变化小于50厘米。

这些浪高和离岸距离SeaSonde和浮标数据的比较表明,波高变化小3 km-45公里以内。我们发现部分进一步详细地讨论这个问题5。2。

5.1.4。Seasonde-to-Buoy比较

与浮标建立海上真理”候选人。“我们可以开始解释和比较波数据获得陆基SeaSondes浮标。本质上,SeaSondes测量波比浮标以不同的方式。波浪浮标给一个点测量,而SeaSondes给波数据平均值范围环;波浪与波浪浮标测量电波通过移动海洋,而SeaSondes推导出波信息从海背散射回波在公里尺的地区。然而,尽管这些不同的方法,我们这里显示SeaSonde波测量相关很好与附近浮标测量每小时平均时间尺度。

SeaSonde海浪的高度从个人网站比较附近地区浮标中讨论部分3和4(见表5)。最好的比较结果从猎物与46013年比较和蒙特与46026 -第一天是最长的SeaSonde-to-buoy比较在我们的研究中,和第二个SeaSonde波数据的最大跨度覆盖。这些研究显示相关系数等于或大于0.90和RMS差异低于50厘米。

最糟糕的堡垒和46026之间的比较,给予,唯一的均方根差大于49厘米。这种比较获得最低的总体相关系数,而均方根差最高,平均差和标准偏差的SeaSonde-buoy比较。这些成果仍然是可以接受的,给定的持续时间比较,和类似的结果报道从46026年和46214年浮标的案例研究。

蒙特网站相比,近岸浮标(46026)和一个海上浮标(46012)来确定比较结果不同同样近岸或离岸buoy-to-buoy比较。比较显示强烈的相关性和低RMS的差异。唯一显著区别这些比较和堡与46026比较大的负SeaSondes和46026年之间的平均差。这个大负平均差表明整体有效波高度从46026年开始下降。较低的浪高在46026,因此高负意味着差异,是由于46026年的雷斯岬避难。我们做一个指向地址由于庇护节高度的微小差异5.2。1在我们的结果,其影响是明显在这学习。

COMM和46026年案例研究是特别有趣,因为浮标位于雷达覆盖区。有人可能会认为这个案例研究将揭示最好的比较结果给定的数据集是并列的。我们确实看到最低的有效波高RMS和平均差;然而,所有其他的比较参数对波高和周期不会是更好的在其他SeaSonde-buoy比较。因此,在这个例子中,似乎并没有令人信服的证据在这项研究中,搭配仪器提供任何额外的比较准确。额外的研究可以进行多个浮标在雷达的足迹更坚定的确定这些结论。

所有六个SeaSonde-to-buoy比较的结果产生了强大的波高相关性,低RMS差异,意味着差异,和标准差。总的来说,意味着SeaSonde-to-buoy均方根差结果比较在相同的顺序buoy-to-buoy比较,分别产生53厘米和50厘米。意味着差异总体SeaSonde-to-buoy比较低,收益率平均平均差±20厘米,平均相比平均差buoy-to-buoy±33厘米的比较。平均SeaSonde-to-buoy相关性略低于均值buoy-to-buoy相关吗是积极的,但所有的相关性。进一步,我们预计SeaSonde-to-buoy比较会揭示相关性略低于buoy-to-buoy和SeaSonde-to-SeaSonde比较案例研究由于固有的性质不同的测量方法。因此,这或许揭示了一个真实的传感器测量差异,应检查在不同的研究。

是5.1.5。解释波传感器之间的时期

必须强调,有三个定义的时期打在这些浮标/ SeaSonde比较。浮标输出占统治地位的时期,这是最大的频率的逆浪高谱;一些浮标也输出平均周期,”定义为之比的平方根第0光谱时刻第二光谱。“SeaSondes输出一段代表模型的重心被安装在二阶多普勒频谱。这将是一个更稳定的周期估计比浮标主导或高峰时期,这是一个嘈杂的估计量见我们的浮标之间的比较,因为重心代表一个平滑的谱模型的适应整个波谱。浮标的平均周期是一个稳定的估计量,像我们的重心。他们是不同的,因为平均支持更高的波的频率。的SeaSonde质心模型适合不充分代表的情况下膨胀和风力波存在,浮标的方法在某些情况下。波光谱可以从一些浮标允许清晰的分析和分离时膨胀波和风力都是礼物。质心时期预计总估计下降两个浮标之间的时期。让我们看看这些期望被测量证实。

SeaSonde-to-buoy比较,SeaSonde的质心之间的时期确实落在所有情况下浮标的主导和平均周期。这是出现在桌子上5通过比较不同意思。

浮标主导时期估计量被认为是这样一个嘈杂的参数,使其用于任何目的问题。浮标中比较表4显示,其标准偏差在四个浮标是约2.3秒。因为占主导地位的时期总是超过平均从浮标,它有时代表膨胀时膨胀。然而,它的效用作为一个精确的参数被怀疑其庞大的统计不确定性。比较这意味着差异浮标占统治地位的时期,这是10%的标准差和RMS的差异。这个占主导地位的时期测量噪声并不奇怪。光谱能量频率垃圾箱附近的峰值区域方差等于意味着他们是卡方随机变量有两个自由度。巴里克(9)已经开发出统计跟踪这些波动的峰值频率垃圾箱和显示这是一个嘈杂的平均数量,除非。因此,这个占主导地位的时期吵闹反映在RMS和雷达和浮标之间的标准差比较,呈现相对意义超出平均分歧,这确实是很有用的。

的SeaSonde质心时期是不那么嘈杂的指标,从表的标准差3平均约1秒。有意义的推断影响避难时期从数据是基于我们目前的分析,不可能单凭一个数字代表整个波谱。物理原则要求的低频率和更长的波长/期(无论是水或电磁波)衍射越来越庇护低于高频,短波长。我们建议未来研究基于波的周期的庇护,因为它应该看到这些影响在浮标和SeaSonde位置。

5.2。波场的空间变化和依赖沿海的影响

SeaSonde-SeaSonde从buoy-buoy彻底评估结果,和SeaSonde-buoy比较,我们发现比较结果显示极好的关联很大的浪高事件从多个传感器跨越100公里从南到北45公里的东西随着时间的推移时间大于一年。一般来说,这表明这个沿海地区展览最小空间波高和周期的变化。剩下的讨论集中在这些点的变化观察到这一研究获得的结果。

通过空间变化,我们的意思是波参数的统计上显著的变化在一段距离。因为高频雷达数据样本代表测量细胞至少2 - 3公里大小,他们在这个领域构成统计平均大小;与浮标、高频雷达看不到个人波。因此,空间可变性,我们使用术语,超出2 - 3公里雷达细胞跨度和意味着每小时时间采样。

我们建议四个波场的空间变异的来源,一个可以遇到几十公里。(1)获取:风浪开发需要一个给定的距离,称为取回,有关它的速度和时间,实现全面发展。在短跨度比“获取”,波高可以改变空间。(2)浅水:当海浪进入浅的沿海水域,他们的方向,波长,最终身高的变化。(3)庇护或衍射:沿海地岬部分可以阻止或改变down-field波参数从他们地岬的缺席。(4)强大的水平目前剪:参数在如此强烈的剪切机将改变波的传播。

上面的四个来源,只有庇护(3)是一个可能的空间变异源onshore-propagating波参数见过这些距离加州海岸,原因如下。(我)获取在岸,波高(1)中所述将远远大于100公里以上的距离研究;获取关系也建立了二战期间由皮尔森纽曼,詹姆斯总结在亲戚7]。(2)浅水加州(和大多数其他沿海位置),因为它可以影响高频(HF)雷达,会引起的变化在最近的3公里海岸地带。由于这个原因以及其他原因,我们这里最近的范围内细胞排除在分析。超出了浅水第一单元,因此不能产生可观察到的变化。(3)强烈的横向剪切机,足以改变波属性,是一个非常少见,通常出现在著名的地点。例如,墨西哥湾流流东佛罗里达是一个例子,这样的波长转换剪;哥伦比亚河嘴陡波是西海岸的一个例子。

5.2.1。保护沿海特性对波高变化的影响

有两种影响,可能会导致变异的陆上海浪的高度被雷达在不同的位置:地岬的路径内波导致的堵塞前往当地截止由于雷达和切线海岸线在雷达站点本身(即。在陆地上,高频信号不传播)。对于一个浮标,只有第一个效应可能发挥作用。这些影响可以精确的定量计算。海角的“影子”总是模糊,例如,众所周知,再膨胀将衍射更好不是沿着沿海日珥到区域周围line-of-wave传播。因此,我们可以在最好的情况下允许一些堵塞的可能性,然后看看波高变化观察到与物理的期望相一致。应该注意的是,对于这部分的西海岸,最强的波平均来自西北的西北地区(西北)(来自西北的风在这些纬度以及重要的北太平洋风暴解释这些主波方向)。这方面的知识,让我们看看sensor-to-sensor意味着波高度差变化。在所有情况下,大约有9000或更多的被用于观察每个比较情况。结果来自表3。参见图1或图16下面讨论对保护的影响。

(我)SeaSonde比较案例研究
(一)BML1与猎物:雷斯岬北部和西北有一个清晰的视图,而BML1切断由当地从西北海岸线角度顺时针。因此,Pt。雷耶斯一般应该看到比BML1略高的海浪的高度。平均波高的区别是−26厘米,Pt。雷耶斯给予更高的平均波高,如预期。
(b)蒙特和猎物:蒙达拉位于南部的雷斯岬。海岸角点雷耶斯和庇护的蒙达拉Pt。雷耶斯突出表明,后者应该看到更高的海浪的高度。事实上,Pt。雷耶斯认为(平均)21厘米比蒙达拉更高的海浪的高度。

(2)浮标比较案例研究
五浮标进行比较在这项研究中,我们关注的两个最大的平均差异(表4)。(一)46026和46214:后者是最远的大海和最远的北方。因此,它应该会看到更高的波浪。平均差−55厘米,的确显示了平均波高在46214。使用的是自10916年以来观测比较,这个结果是统计学意义(即。,random error in a sample of 10,000 would be the reciprocal of the square root of this number: 1% of the −55 cm mean difference).(b)46012和46026:后者更突出庇护由北北西波的雷斯岬。正如所料,后者认为平均波高36厘米低于从46012年开始,这是更少的庇护。12537年测量。

(3)总体RMS差异比较
回想一下,RMS差异包括均值差异及其标准差。总的来说,意味着buoy-buoy、SeaSonde-buoy SeaSonde-SeaSonde RMS差异,分别50厘米,53厘米,50厘米。这些差异minimal-on 5厘米。因此很难使一个案件,比雷达,浮标更准确反之亦然。或固有的空间变化,这些传感器测量在不同的点在一个跨越100公里,从沿岸统计上有意义,特别是当上面讨论的庇护和海岸线堵塞是考虑。

5.2.2。庇护Seasonde和CDIP意味着定向的影响差异

因为不是所有提供的浮标波方向在这项研究中,我们采用SeaSonde-SeaSonde比较表3和年平均波方向的比较结果从CDIP近岸模型,讨论测量的意义差异的庇护和海岸线的角。

表中给出的数据3代表成千上万的测量跨越所有季节远远超出一年,因此意味着方向比较给出一个总的来说,“所有”的行为,而不是具体的案例研究,可能专注于个人长周期,风暴事件。

总结的数据表3我们不计算和提供方向测量的标准差。这是当应用方向,一个毫无意义的数量与定向均值差异本身。原因是,当波能量/高度倾向于零,波方向性差异增加,成为不定。这是可比的增加,随机方向波动的风向标,当风速下降为零。

(我)SeaSonde比较案例研究
BML1和猎物的网站都是北掩蔽效应的Pt。雷耶斯南部的网站。因此,真正的差异可能是当地唯一原因海岸线角度在雷达站点限制他们的观点。在这方面,BML1海岸线335°角,而猎物的020°。因此,应该看到猎物波平均方向接近北方,从BML1切断的观点;确实如此,意味着两种−14°之间的区别。
雷斯岬(即南部的所有网站。,堡和蒙特) suffer sheltering due to the protrusion of Point Reyes to the west, cutting off waves from the NW. The cutoff of FORT by Point Reyes is about 305°, while MONT —further south—is cut off at about 320°. Despite MONT and BML1 having the same local coastline angle of 335°, MONT is predominately sheltered from northwesterly swell due to Point Reyes. Indeed, BML1 sees waves on average that are 23° closer to north than does MONT, due to this sheltering effect on MONT by Point Reyes.
猎物,另一方面,将进一步向北比BML1和蒙特(海岸线角度,分别地。020°和335°)。但蒙特的庇护猎物进一步块波,它可以看到。因此,平均差更大,−34°,与我们的预期一致,这两个网站(猎物和蒙特)前应该有最大的原因应该看到海浪从西北、北北西、北和N-contributing方向性偏差,以及更高的海浪的高度讨论和比较。最后,尽管蒙特和庇护了一波又一波从西北堡堡更庇护(320°蒙特相比堡305°)。但是,此外,蒙特的当地海岸线角(335°)也支持波进一步向北比堡(305°海岸线角)。这两个化合物,影响给平均差21°,蒙特看到更多波接近北方人。
结论进一步证实了以上的近岸波数据建模提供CDIP模型(图16),下面讨论。

(2)CDIP近岸波方向比较模型
从2007年平均波方向CDIP模型表明,事实上,正如预测的那样,波方向观察到来自北部和西北部,但本地波方向不同位置的位置由于沿海突起。
CDIP模型年平均波方向输出接近猎物是291°,这表明它是更容易受到主要来自西北的膨胀;而年平均CDIP波方向输出通讯和堡附近251°和242°,分别。后两个地点显然是受更多的北端的膨胀,所以年度意味着揭示波接近更多的西南部,像人们预计由于沿海突起。SeaSonde-derived年度波方向意味着从通讯和蒙特不同于CDIP模型意味着波方向在附近的15 - m抗议等深线只有1 - 2°。猎物,也同意堡与CDIP模型年度,年度波14°方向差异。
年平均波方向计算从BML1 SeaSonde波数据为297°,将主导向西北膨胀的相对未受保护的海岸线。然而,CDIP模型结果显示平均波方向245°15 - m抗议等深线。这大意味着方向这两个数据集之间的分歧在这个位置是通过考虑基本的近岸波动态可辩解的。分歧可能归因于15米等深线的亲密到岸上。在这个位置,15米等深线位于距海岸线450米。当海浪接近海岸,折射主导长的波列车接近海岸的正交方向等深线。因此,在这个位置,是有道理的,SeaSonde进一步测量波,从4公里到18公里海上,海浪在哪里没有底波折射影响,获得一个更向西北方向297°波方向。同时,CDIP模型产生非常近岸波方向结果揭示南西风波245°方向取向,这几乎是一个完美的正交方向15米等深线,位于离海岸450米。这也强烈程度上证明了正确CDIP波模型的能力占浅水折射的预测。正如预期的那样在海况区域以最小的空间变异性,波浪在近岸地点方向从CDIP模型相似年平均波方向从SeaSonde波数据计算。 We have shown here that the only variation between the two data sets occurs when waves approach very near shore, where shallow-water wave effects dominate, with the SeaSonde excluding this region from its analysis because it is too close to the radar.

5.3。解释x(变异系数)

波参数的统计涨落,特别是有效波高,感兴趣的是在评估传感器或测量错误的本质。例如,当比较差异相同或不同传感器同时,RMS差异或标准差不变?或者,他们依赖于被测波高意味着什么?这可能是关心的产品规范,也就是说,是否描述精度的波高(例如,30厘米)或波高的比例。

这里给出的结果在图和表表明,这是一个百分比变动。它统计是一样的在不同的仪器(浮标、雷达),以及在不同细胞相同的雷达范围。更重要的是,每小时的时间序列浸(标准差除以平均)基本上没有相关性与实际有效波高(参考表2,并比较数据3,4,5,6)。因此,展望未来,波高的比例的更合适的描述符是随机波动(吵闹)有效波高。

6。结论

在这个分析前所未有的深度和范围从SeaSondes波数据,浮标、和模型定向波数据在加州中部地区横跨2.5年来,我们已经完成了两个目标:(1)提出了强有力的证据表明SeaSonde-derived波数据应该被视为一个可靠和实用的增强波点测波浮标提供的数据,特别是在海岸附近,在SeaSondes已经在使用;(2)我们已得出结论,波高是只有最小变量从3公里到加州中部海岸45公里。这些发现支持汇总统计数据的雷达和浮力的意思是空间标准差在波高小于35厘米,平均变异系数小于0.17的150×45公里区域由雷达和张成的浮标。

此外,与长期SeaSonde CDIP模型波方向的数据集,我们帮助确认SeaSonde和CDIP模型报告海岸附近的波方向的能力,和沿海突出影响当地长波方向。

确认

本研究中使用的所有浮标数据从NDBC下载网站。SeaSonde用于本研究收集的数据沿海洋流监控程序(COCMP)和在网上公开或请求。多谢是由于科里Olfe和比尔O ' reilly在斯克里普斯海洋研究所的近岸CDIP模型提供数据。作者要感谢比尔Birkemeier美国陆军工程兵团和比尔伯内特的NOAA国家数据浮标中心非常有建设性的评论。

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