用Morison公式试算海洋内孤立波对桩柱的作用力和力矩

根据实测流速资料采用Morison公式初步计算了海洋内孤立波对桩柱的作用力和力矩。内孤立波对桩柱的作用力与表面波的作用力是明显不同的。内孤立波的作用力几乎分布在整个深度范围；它在铅直方向不但有量值变化。也有方向改变——第一模态内波的作用力在桩柱的上、下部位作用方向相反。表面波对桩柱的作用力随深度的增大较快的衰减。且深度的改变不会使作用力的方向发生变化。计算结果表明：引起2．1m／s水平流的内孤立波对桩柱产生的总作用力约相当于300m波长、18m波高的表面波的总作用力；由于海洋内孤立波能引起很大的水平流，它对海上石油平台桩柱产生的总作用力以及相对于海面的力矩是不能忽略的。因此，在海上石油平台设计中应充分重视内孤立波的作用。     

内孤立波对不同水深竖直圆柱体水平作用力分析

采用理论研究和试验研究相结合的方法,对两层流体中内孤立波对不同水深竖直圆柱体水平作用力进行了分析。采用重力塌陷法进行内孤立波造波试验,通过PIV(Particle Image Velocimetry)技术获取内孤立波波剖面的时间序列,利用测力系统对竖直圆柱体在内孤立波作用下的受力进行测量。通过内孤立波波剖面试验分析,选取合适的内孤立波理论并对竖直圆柱体所受内孤立波作用力进行计算,将计算结果与试验结果进行汇总分析。结果表明:上层流体中圆柱体所受内孤立波最大水平作用力明显大于下层流体中各段圆柱体,且方向相反;随着内孤立波振幅的增大,各段圆柱体所受内孤立波最大水平作用力也相应地增大;密度跃层处圆柱体所受水平作用力具有相较于其他位置处更为复杂的变化趋势;选用合适的内孤立波理论进行计算能够较好的模拟竖直圆柱体的实际水平受力。     

背景流在内孤立波对小直径桩柱作用力中的影响

本文首先采用GK-dV方程,在考虑背景流和未考虑背景流2种情况下,对南海东北部向西传播的大振幅内孤立波进行了模拟。通过对比两组结果,发现背景流的引入,会使内孤立波的传播速度变快、波形变窄、振幅变大,以及波致流变强。然后,采用Morison’s公式计算了内孤立波对小直径桩柱的作用力和力矩,通过对比,发现在引入背景流后,作用力和力矩均变大,作用力增大9.0%,力矩增大32.5%,因此背景流在内孤立波对小直径桩柱的作用力中有着重要的影响。     

内孤立波对小直径直立桩柱作用力的实验研究

内孤立波具有较大的振幅与较强的垂向剪切,能对海洋工程设施产生极大的破坏作用。本文设计实验研究了内孤立波与直立小直径桩柱的相互作用,采用粒子图像速度测量法(PIV)测量内孤立波的流速场,并采用自行设计的测力天平测量桩柱受力,测量分析了内孤立波对小直径直立桩柱产生作用力的实验值,与Morison公式计算的理论值比较。实验结果表明,第一模态内孤立波的流速方向以及作用力在桩柱的上下部分方向相反,产生很强的速度切变和扭力,对小直径直立桩柱造成破坏。通过与Morison公式计算的理论值比较,发现实验值与理论值的大小以及分布规律基本相同。     

相同尺度地形与背景流共振生成内孤立波机制

为研究内孤立波的地形和背景流共振机制,用地形和背景流共振机制计算了3个潜标观测的内孤立波(不同模态、不同波长)的流速和传播速度,并与观测到的内孤立波进行比较。潜标观测的第一模态内孤立波(波长分别为6.4和3.3km)都是下凹型内孤立波,2个内孤立波的传播速度约为1.4m/s、最大振幅约为48m,水平流向结构都是上层西北向、下层东南向,波长3.3km 的内孤立波波峰前后有更明显的下降流和上升流。用共振机制计算出的第一模态和第二模态纬向流速的垂向结构与观测相同,最大纬向流速出现的深度与观测一致,分别相差5和12m。用共振机制计算出的内孤立波传播速度与用 KdV 方程计算的传播速度相当,共振机制计算波速为0.66~1.21m/s,KdV 方程计算波速为0.79~1.40m/s。     

南海北部陆坡海域第二模态内孤立波统计特征

根据南海北部陆坡海域潜标观测数据,对该海域第二模态内孤立波统计特征进行分析。观测期间共发现72个第二模态内孤立波,包含101 个第二模态内孤立波孤立子。该海域第二模态内孤立波以凸型为主,且最大振幅多为下凹振幅,占79.2%。KdV 方程波速计算结果表明,波速可用三角函数描述,整体表现为夏季大、冬季小,且第二模态内孤立波流速呈明显的三层结构。最大流速深度及人工判别得到的上下层转向深度的统计结果表明:上层内波流流速转向平均深度约为97.7m,中层内波流最大流速深度约为134.6m,下层内波流转向平均深度约为204.2m,内波流最大流速多发生在中层,流向主要为西北向,流速主要分布于0.2~0.8 m·s-1 区间范围内,占82.2%;上层流向主要为东南向,流速主要分布于0~0.6m·s-1区间范围内,占98.0%;中层流向主要为西北向,流 速主要分布于0.2~0.8m·s-1区间范围内,占93.1%;下层流向主要为东南向,流速主要分布于0~0.4m·s-1区间范围内,占94.1%。本文系统性地给出了南海北部陆坡海域第二模态内孤立波统计特征,可为相关研究、水下航行及工程应用提供重要的资料和参考。     

Gerris在海洋大振幅内孤立波数值模拟中的应用

本文运用基于自适应网格的流体动力学开源软件Gerris,来建立基于Boussinesq近似下的二维不可压缩Euler方程组的数值模型,以模拟不同层化条件下稳定状态的完全非线性大振幅内孤立波。文中比较了完全非线性的用Gerris实现的Euler模型与弱非线性的KdV理论模型在刻画大振幅内孤立波结构及特征参数上的差异,说明在模拟大振幅内孤立波时,高阶非线性不应忽略。Euler模型模拟结果表明,完全非线性大振幅内孤立波的等密度面半宽度随深度变化,这使得基于KdV方程解析解、利用卫星SAR(Synthetic Aperture Radar)图像提取内孤立波极值间距来反演内波振幅的可行性存疑,需要重新评估。此外,本文用两组实测数据验证了用Gerris实现的Euler模型模拟大振幅内波的有效性。     

海洋内孤立波中顶张力立管的动力响应研究

基于商业软件Fluent,建立大振幅海洋内孤立波数值水槽,获取内孤立波波致水平流速和水平加速度沿垂向的分布,结合改进的Morison公式,计算内孤立波对立管的作用,采用有限单元法在时域中对内孤立波作用下顶张力立管的动力响应进行数值模拟,并就顶张力大小、内流密度、内孤立波振幅对立管动力响应的影响进行探讨。结果表明,内孤立波对顶张力立管产生强剪切作用,使立管发生较大变形,产生较高应力,并在波谷到达时刻出现最大位移和应力,立管上层流体部分的位移和应力明显大于下层流体部分的位移和应力。     

下凹和上凸型海洋内孤立波对遥控潜航器的作用力研究

遥控潜航器在海洋环境勘测、钻井支持和水下救援等领域得到了广泛应用。遥控潜航器在陆架和陆坡处工作时很容易遭遇海洋内孤立波（Internal Solitary Waves, ISWs）。海洋内孤立波在传播过程中会诱发水平向和垂向流,从而对正在下放、回收和作业状态的遥控潜航器施加作用力。本文分别利用连续分层e KdV和KdV方程估算2个振幅相近的下凹和上凸型海洋内孤立的流速场,进而利用莫里森公式（Morison’s equation）估算这2个海洋内孤立波对1个遥控潜航器的作用力,比较遥控潜航器在不同类型海洋内孤立波流场中的受力差别。研究表明：下凹和上凸型海洋内孤立波均会对遥控潜航器施加较强的水平向力,且不同类型海洋内孤立波在相同深度上对遥控潜航器施加的水平向力的方向不同;对下凹型海洋内孤立波,遥控潜航器在上、下层所受水平向力的大小相差不大;对上凸型海洋内孤立波,遥控潜航器在下层所受水平向力是上层所受的水平向力的2倍;2种类型海洋内孤立波对潜航器施加的垂向力都较弱。     

南黄海和东海层化陆架区的强制波

本文从理论上探讨了夏季南黄海和东海层化陆架区,在台风作用下强制界面波的基本特性。研究表明,上层强制波受内界面波的影响甚微,具有与正压海强制波同样特性,它导致了一个随台风移行的孤立波,同时派生一个逆向传播的陆架波系。在台风域内跃层下陷导致内界面波时空不连续,形成一个“零波域”随台风移行,但仍有一个内陆架波逆向传播。其振幅随跃层下层水深的增加而增大,下层水深随风速的增大而减小。上层波振幅小于下层内波振幅。     

普里兹湾虎鲸回声定位信号脉冲间隔特征分析

根据2017年中国第33次南极科考期间获取的普里兹湾虎鲸声信号观测资料,采用Teager能量算子法对虎鲸回声定位信号进行了检测,并分析了其脉冲间隔的统计特征。对115段回声定位信号的参数分析结果显示:脉冲间隔的范围为10.5～183.5 ms,均值与标准差分别为67.5和27.6 ms。进一步分析,发现脉冲间隔数值的变化具有显著的规律性,根据拟合表达式可以将信号分成5种类型:加速型、减速型、匀速型、先减速后加速型、先加速后减速型。其中减速型的总体占比最高,为58.3%;其次为匀速型与加速型,分别为20.0%,14.8%;其余2类占比最低,均仅为3.5%。普里兹湾虎鲸回声定位信号脉冲间隔规律性变化可能是虎鲸调节其信号以适应活动海域多海冰环境的结果。此外,加速型、减速型、匀速型与先减速后加速型、先加速后减速型的脉冲间隔参数存在较大差异,且后2种类型的-3 dB带宽以及峰值频率与脉冲间隔存在显著的负相关关系,这表明虎鲸在发出后两种类型的回声定位信号时处理的情况与前3种类型相比可能更为复杂与特殊。     

胶州湾秋季文石饱和度分布及控制因素分析

基于2017-10-18航次在胶州湾调查获取的水文、碳化学和叶绿素a(Chl a)等数据与资料,分析了秋季该海域文石饱和度(Ω_arag(现场))的分布状况,探讨了影响其空间分布的主要控制因素。结果显示,秋季航次期间胶州湾表层Ω_arag(现场)为1.85～2.57,平均值为(2.20±0.24);其分布具有较大的空间差异,低值位于湾的西部和东北部(<2.05),高值位于湾口(>2.45),总体上呈现出由湾口向湾顶逐步降低的趋势。除了通过分析Ω_arag(现场)与温度、盐度和Chl a的相关性来定性确定Ω_arag(现场)的主控因素外,我们还通过引入总碱度与溶解无机碳的差值作为Ω_arag(现场)的指征参数,定量确定了影响Ω_arag(现场)空间分布的主要过程及其贡献。研究发现,陆源输入是影响胶州湾秋季Ω_arag(现场)空间分布的最重要因素(>50%),而温度和生物过程的影响相对较小。     

西菲律宾海26万年来古生产力变化的颗石藻证据

基于国际海洋古全球变化研究项目(IMAGES)在西菲律宾海本哈姆海台获取的高质量柱状沉积物岩芯MD06-3047(17°00.44′N、124°47.93′E),利用颗石藻下透光带属种Florisphaera profunda的相对丰度以及初级生产力转换函数,恢复了260 ka以来西菲律宾海上部水体营养跃层以及初级生产力的变化历史。发现该区域26万年以来初级生产力冰期-间冰期变化特征较不明显,冰期生产力平均值略高于间冰期。通过与前人已发表的指示东亚冬季风强弱的伊利石/蒙脱石记录和热带太平洋纬向表层海水温度梯度记录的对比,提出MIS 8期以来,热带西菲律宾海古生产力变化的主要受控因素在MIS 5a左右发生明显转变。在MIS 8后期至MIS 5a之间,初级生产力受到长期类ENSO过程的影响较为显著,当热带东西太平洋海水表层温度梯度较小的时期,认为热带太平洋处于类El Niňo状态,此时西菲律宾海营养跃层相对较浅,生产力较高,反之则相反。而在MIS 5末期至末次冰消期时段,生产力受东亚冬季风的影响相对于长期ENSO过程更强,可能掩盖了后者的古生产力信号。冰期东亚冬季风加强,一方面,可以引起上部水体混合加强,增加下部营养物质向上的输送,另一方面大量风尘物质的输入可以刺激颗石藻的生长;反之在冰消期,水体混合较弱,风尘输入显著减少,生产力也随之降低。     

两种湍流模型在潮流能水轮机数值模拟中的适用性研究

在对特定湍流条件下的水平轴潮流能水轮机进行数值模拟时,不同的湍流模型对于计算结果具有一定的影响。为选择合适的湍流模型对所设计水轮机的三维流场进行描述,将采用常用的两方程模型(SSTk-ω与Realizable k-ε)进行数值模拟,得到不同工况下水轮机的性能参数以及水轮机后1.5D处流场的流速、湍流强度分布情况,并进行模型水槽试验,试验值与采用两种湍流模型进行数值模拟得到的仿真值对比表明:在低尖速比工况下,采用SSTk-ω进行数值模拟得到的仿真值比Realizable k-ε更接近试验值,在较高尖速比时,采用Realizable k-ε进行模拟得到的数值更接近试验值;采用两种湍流模型进行数值模拟得到的速度分布具有相似性,但对于湍流强度的预测,SSTk-ω更具有优势。考虑此水轮机的实际工况,选择SSTk-ω湍流模型进行描述更加合理。     

性类固醇激素在虾夷扇贝性腺发育周期的分布

性类固醇激素不仅在脊椎动物性别分化、生殖、发育等过程中发挥重要作用,在部分软体动物中也参与生殖调控。本文分析了3种主要性类固醇激素(孕酮、睾酮和雌二醇)在虾夷扇贝性腺发育过程中的变化情况。首先通过组织学方法确定虾夷扇贝性腺4个发育阶段的周年分布:休止期(7—9月)、增殖期(10—12月)、生长期(1—2月)、成熟期(1—6月)。之后,采用酶联免疫吸附实验测定虾夷扇贝性腺各发育阶段中性类固醇激素的含量。结果表明,性腺中激素含量呈现孕酮>雌二醇>睾酮,它们分别约占激素总含量的60%、30%、10%;精巢中3种激素含量均呈显著正相关,但卵巢中仅孕酮和睾酮之间显著相关;研究还发现,虽然3种激素含量在性别、发育阶段之间差异均不显著,但睾酮比例和雌二醇/睾酮在生长期的精巢和卵巢之间差异显著,精巢睾酮比例高于卵巢,而卵巢的雌二醇/睾酮高于精巢。以上结果表明,性类固醇激素很可能参与虾夷扇贝生殖调控,在性腺发育、配子发生过程中发挥重要作用。     

沙尘和灰霾对西北太平洋浮游植物群落结构变化的影响

通过在西北太平洋黑潮亲潮混合区(E02和E10M)和副热带寡营养区(M1和M1B)开展的船基围隔培养实验,探究了不同海域表层海水中浮游植物对沙尘和灰霾添加的响应,以及浮游植物群落结构的变化。结果表明,黑潮亲潮混合区浮游植物可能受铁(Fe)限制,副热带寡营养区浮游植物主要受氮(N)限制。沙尘和灰霾添加均可以促进浮游植物生长,并可使浮游植物的粒级结构分布发生明显变化。在黑潮亲潮混合区,沙尘添加组使小型浮游植物对总叶绿素a的贡献率(C_Micro)由～10%上升至～55%,超微型浮游植物对总叶绿素a的贡献率(C_Pico)由～70%下降至～20%,但在培养实验过程中,各粒级浮游植物对总叶绿素a贡献率的变化量与沙尘添加量无明显的相关关系,这种现象的原因可能是不同量的沙尘添加均可为浮游植物的生长提供较充足的Fe导致的。在副热带寡营养区,沙尘或灰霾添加组的C_Micro由～10%上升至～35%,C_Pico由～70%下降至～55%～～35%,各粒级浮游植物对总叶绿素a贡献率的变化与沙尘或灰霾添加量呈线性相关关系,表明浮游植物的生长对沙尘或灰霾的N供给量具有较高的敏感性。     

雅浦海沟南缘铁锰结核矿物与地球化学特征及其成因研究

本文采用X射线衍射、全岩地球化学和电子探针等测试方法,对雅浦海沟南部附近海域获得的铁锰结核样品进行了显微构造、矿物和地球化学分析,并探讨了其成因。结果表明:铁锰结核的显微构造主要包括平行纹层构造、柱状构造、叠层状构造和同心环状构造;显微构造和探针结果显示铁锰结核在生长初期处于底部海洋动力比较强烈的环境,后期生长环境逐渐趋于稳定;铁锰结核的矿物组分以水羟锰矿、钠水锰矿、石英和钙十字石为主;样品中Fe、Mn元素含量较高且含量比较接近,Cu、Co、Ni和REE相对富集,REE分布模式整体比较平缓并都出现较强的Ce正异常和重稀土元素亏损现象;文中两块铁锰结核都为水成成因,成矿物质主要来自同期的海水沉淀,同时也受一定海底火山物质和陆源风尘物质的影响。     

用于海洋沉积物中厌氧氨氧化细菌分子生态学研究的引物比较

为比较厌氧氨氧化细菌16SrRNA基因的2对特异性引物(Amx368F/Amx820R、Brod541F/Amx820R)在其分子生态学研究方面的优点与不足,本研究采用高通量测序和qPCR技术对长江口及其邻近海域沉积物中厌氧氨氧化细菌细菌的群落组成、多样性和丰度进行比较分析,结果表明,引物Amx368F/Amx820R特异性较高,能够较为完整地反映沉积物中厌氧氨氧化细菌的多样性信息,且其覆盖的厌氧氨氧化细菌丰度与功能基因hzo丰度正相关(P<0.01);而引物Brod541F/Amx820R特异性较低,覆盖部分厌氧氨氧化细菌及其他多个门的细菌,其量化的厌氧氨氧化细菌与功能基因hzo丰度无明显相关关系(P>0.05)。因此,引物Amx368F/Amx820R能够更加真实地反映厌氧氨氧化细菌在海洋沉积物中的群落特征,在其分子生态学研究中更具优势。     

大沽河下游地区地下咸水的水化学特征及成因

大沽河下游地区存在大面积咸水体,为了查明咸水体盐分的来源,揭示地下水咸化机理,于2017年4、8和10月在大沽河下游地区采集地下水样品,对其进行研究。现场原位监测地下水的水位、水温、电导率和总溶解性固体等,并采集水样进行主要水化学离子测定。用数理统计法、吉布斯图解法、主要水化学离子比值法以及卤族元素比值法对地下水样进行综合分析,分析地下水化学分布特征,识别出地下咸水的盐分来源;并结合古地理、地质和水文地质资料,研究其咸水形成机理。结果表明:(1)研究区由西北向东南方向,TDS和Cl浓度均逐渐升高,水质由淡水逐渐向盐水转化,地下水的优势阴离子类型沿着HCO_3型→HCO_3·Cl型→Cl·HCO_3型→Cl型变化,大部分地区的阳离子以Na^+占主导地位。(2)研究区内地下淡水受到岩石风化-溶滤和蒸发浓缩的共同影响,地下咸水的形成主要受到与海水的混合作用控制,还受到阳离子的交换吸附和矿物溶解作用的影响。(3)综合Br/Cl和I含量,证实了研究区存在着海相沉积地层的溶解作用,这是研究区东南部地下咸水的重要盐分来源。     

基于多元传感参数的性能指标预测方法研究

针对利用传感数据实现产品性能指标预测问题,本文提出了一种基于多元传感参数的性能指标预测方法。该方法以减少多元传感参数冗余、提高多元传感参数的性能指标预测准确率、缩短测试周期为目的。该方法使用特征选择算法去除冗余传感参数,使用学习算法建模,实现性能指标预测。3个真实传感数据集上的实验结果表明,该方法能有效降低特征维数,性能指标预测准确率均达到91%以上,周期最多缩短了84.19%。