海洋预报中的初值形成问题：以SST初始场为例

海洋初值的形成,是开展海洋数值预报的关键问题之一,在我国的海洋预报研究中,它还是一个新课题。本文从海洋观测现状出发,对海洋初值形成的主要环节及其有关理论和处理方法进行了初探,它包括大洋资料选取、资料质量控制、客观分析、初值化及四维同化等5个方面。作为举例,对SST(海表温度)模式的初值形成方法进行了阐述,实际应用表明该方法是稳定而有效的,尽管是初步的。     

二十面体—六边形网格系统原始方程模式的积分

一、引 言 最近一些年来,谱方法被广泛地用于全球原始方程模式的数值积分中。谱方法有许多优点。在理论上,它不会导致波动传播的延迟,这种方法能够很容易地采用非线性正交模初值化。但是,在谱方法中,物理过程作为积云对流或山脉作用的处理却不是简单的。为计算物理过程的作用,必须把物理量的谱表示变成网格值,当用许多波数的组合表示一个点源时,     

一种两步抗差估计的设计及其解算

抗差估计的关键是选择适当的权函数和合理的调制因子，针对这两个重要问题，在研究当前调制因子取值方法的基础之上，提出了可动性调制因子这一新概念，并基于可动性调制因子、IGG方案权函数，设计了两步抗差估计。两步抗差估计解决了抗差估计中传统的调制因子、方差因子、初值三者取值时存在的一系列问题，尤其当三者取值不能协调配制时出现的秩亏问题，从而使抗差估计方法更具有实际意义和广泛意义。     

一维扩散方程整体观测资料下的初值变分同化反演

本文考虑一维扩散方程的反问题,利用变分同化方法通过观测资料来确定方程中的未知初值,通过分析观测误差对于初值误差的影响,证明变分同化初值收敛于原问题的真实参数,并得到了参数的收敛精度。同时将得到的初值代入预报模式中,得到预报解,并分析了预报解的收敛性和预报误差。     

平衡方程的一个差分方案及初值化试验

作者设计了一个平衡方程的差分方案并用它进行了低纬初值化试验。其结果表明,这个方案具有明显特点:比舒曼方案平滑轻,迭代收敛快。     

基于多波束数据的网格水深模型内插方法精度分析

以多波束水深数据作为源数据,分析了网格水深建模中的数据内插,介绍了网格水深建模所用的常用内插方法,并从水深建模的精度和效率出发,计算分析了网格水深建模过程中内插方法的应用效果。实验结果表明:在当前网格水深建模常用的内插方法中,加权平均法是较适合多波束水深源数据内插网格水深模型点的方法,双线性曲面法是较适合网格水深模型点推估模型表面任意点水深的方法。     

一种带自由面的三维船体贴体网络的数值生成

本文提出了一个生成自由面的三维船体贴体网格的数值方法。文中以静水面以上的船体型线作为描述非定常自由面的计算网格域，进一步完善了我们以往开发的无法考虑兴波与静水面以上的船体型线相互作用对船舶粘性流动影响的网格生成方法。静水面以上的初始自由面网格分别沿船面法线η及切线ζ方向的曲线长的指数进行分布，即可极方便地调节自由面在船面及静水面附近的网格间距，也保证了在数值离散三维Ｐｏｉｓｓｏｎ方程时具有相当好的收敛性。这种方法的特点是计算量相当小，尤其能极方便地控制网格在船面簿粘性层中及静水面附近的分布。以Ｓｅｒｉｅｓ６０船模作为计算算例，带自由面的网格分布是相当满意的     

潮流计算中特殊地形的数值处理

旨在提高模拟海域潮流计算的分辨率,着重研究在计算垵中存在宽度小于一个网格步长的防波堤、狭长岛屿以及小于一个网格步长的港口口门、防波堤开口等特殊地形的数值处理方法。以连云港西大堤工程为例,进行了数值计算,取得了满意的结果。     

长江口南支潮流的一个数值模拟

为了能够精确地拟合天然水域不规则的水陆边界,并能保持有限差分数值计算在矩形网格中进行,本文利用Thompson的数值网格生成技术,在长江口南支七丫口至横沙河段设计了一个椭圆型边界拟合坐标系,并在这个坐标系下建立了平面二维潮流数学模型。通过数值求解此数学模型,实现了计算区域内现状潮流的一个数值模拟,模拟结果表明,模式的设计是成功的。     

积云参数化的闭合假设

一、引 言 由于云的过程根本是非线性的,它们能够直接影响大尺度环流的维持和演变。在积云参数化问题上,人们采用网格尺度预极变量的方法试图对于亚网格积云的综合影响给出定量的公式。欲达到什么程度及如何作到,这仍然是不清楚的。尤其在积云参数化方面的严重困难,似乎是由于在云体组织中存在中间尺度,一般称之为“中尺度”。这样,便出现了一个重要的问题:尺度谱的域从什么地方截止才能得到最好的效果?一个明显的可能性是去分辨个别的云,从而它们不需要参数化。这种处理方法在一些热带气旋模式中已经用过,并还在被采用,得到了有希望的成果。但是,如果我们毫无例外地采用这种方法,在云的模式中,一个有代表性的水平分辨率终究是需要的,而且它将使得大尺度模式的计算量比现在要多花费许多数量级。因此,积云参数化问题,在可预见的将来,对于大尺度模式化工作仍然是重要的。于是,提出了另一个重要问题:它对于参数化积云及其中尺度组织确实是可能的吗?     

C网格嵌套技术及其在海洋波动传播模拟中的应用

采用粗细嵌套的ArakawaC网格模拟Klevin波和Rossby波沿赤道传播的过程，研究在粗细网格嵌套边界产生数值振荡和反射的原因及其消减方法，得到合理的并能用于复杂海洋模式的ArakawaC网格下的嵌套方案。数值实验结果表明：波形在粗细网格边界产生数值振荡的原因是波形在不同分辨率下的形态有差异，在粗网格下波形趋向于平坦化，而细网格下趋向于锐化。采用双向嵌套和粗细网格交界处加松弛的方法可以有效地消减数值振荡和反射。     

两种网格下的SWAN模式对黄渤海海浪模拟比较

采用NCEP再分析风场作为驱动海浪模式的强迫场,在考虑相同物理过程和分辨率基础上,SWAN海浪模式分别采用矩形网格和非结构三角网格对2000年12月黄渤海海域波浪场进行模拟,并将模拟的有效波高与海洋浮标观测数据作对比分析,结果表明,SWAN模式运用两种网格均能够取得良好的模拟结果,相对矩形网格,非结构三角网格模拟有效波...     

四叉树网格下的椭圆型缓坡方程数值模型研究

波浪是近岸海域关键的水动力因素之一。考虑到近岸地形复杂、波浪演化显著的特点,建立了四叉树网格体系下的椭圆型缓坡方程数值模型,采用有限体积法对模型进行数值离散,应用GPBiCG(m, n)算法求解离散后的控制方程。模型中根据波浪波长布局计算网格,生成多层次四叉树网格,对复杂计算域有较好的适应性,并且在离散和方程求解中无需引入形函数、不产生复杂的交叉项,节约了存储空间和计算时间。将模型成功应用于物理模型实验及Acapulco海湾的波浪场数值模拟,结果表明该模型能够准确、高效地模拟近岸波浪场,可为近岸波浪场的模拟提供一定的理论和技术支持。     

波浪水槽中振动格栅湍流特征的实验研究

在波浪水槽中采用格栅振动的方式产生湍流,研究振动格栅产生湍流的特征。本文开展了4类实验,调节测量点到格栅平均位置的距离、格栅振动频率、振动冲程,采用ADV测量水体中单点的脉动速度。实验结果显示,湍流强度在一定范围内随离格栅距离的增大而逐渐减小,随着振动频率的增大而呈幂指数增大,随着振动冲程的增大而呈幂指数增大。同时还比较了两个不同格栅产生湍流的不同。结果显示,在波浪水槽中,振动格栅产生湍流的强度还与格栅的长度尺寸有关,这与在水箱中振动格栅产生湍流的特征不同。     

三维斜压台风模式 Ⅱ.预报试验

一种斜压多重移动套网格台网模式在国家海洋环境预报中心已被应用于海洋环境预报。本文第一部分已描述了模式方程组和数值方法。本文继续概述模式网格、变分调整初始化和预报试验结果。最外粗网格域固定,内部细网格域随台风中心轨迹移动。模式中,粗细网格变量采用双向耦合。平衡方程和方程,理想台风场和变分调整方案被用于台风模式初始化。一种简单而有效的资料同化方法,即用第6h台风报和弱约束变分原理调整初始场,被应用于提高预报结果。最后本文给出预报试验结果。预报误差统计显示本模式对台风路径预报具有相当能力,而且可以提供海面风和气压场较好的预报。本模式已经与海浪模式联结,得到满意的波高预报结果。     

Dispersion and stability analyses of the linearized two-dimensional shallow water equations in Cartesian coordinates

In the present study, a Fourier analysis is used to develop expressions for phase and group speeds for both continuous and discretized, linearized two-dimensional shallow water equations, in Cartesian coordinates. The phase and group speeds of the discrete equations, discretized using a three-point scheme of second order, five-point scheme of fourth order and a three-point compact scheme of fourth order in an Arakawa C grid, are calculated and compared with the corresponding values obtained for the continuous system. The three-point second-order scheme is found to be non-dispersive with grid resolutions greater than 30 grids per wavelength, while both the fourth-order schemes are non-dispersive with grid resolutions greater than six grids per wavelength. A von Neumann stability analysis of the two- and three-time-level temporal schemes showed that both schemes are stable. A wave deformation analysis of the two-time-level Crank–Nicolson scheme for one-dimensional and two-dimensional systems of shallow water equations shows that the scheme is non- dispersive, independent of the Courant number and grid resolution used. The phase error or the dispersion of the scheme decreases with a decrease in the time step or an increase in grid resolution.     

A BFG model for calculation of tidal current and diffusion of pollutants in nearshore areas

ＡＢＦＧｍｏｄｅｌｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｉｄａｌｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｄｉｆｆｕｓｉｏｎｏｆｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｉｎｎｅａｒｓｈｏｒｅａｒｅａｓ￥ＳｈｉＦｅｎｇｙａｎ；ａｎｄＺｈｅｎｇ；Ｌｉａｎｙｕａｎ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ...     

Numerical and Experimental Investigation of Interactions Between Free-Surface Waves and A Floating Breakwater with Cylindrical-Dual/Rectangular-Single Pontoon

This paper investigates the hydrodynamic performance of a cylindrical-dual or rectangular-single pontoon floating breakwater using the numerical method and experimental study. The numerical simulation work is based on the multi-physics computational fluid dynamics (CFD) code and an innovative full-structured dynamic grid method applied to update the three-degree-of-freedom (3-DOF) rigid structure motions. As a time-marching scheme, the trapezoid analogue integral method is used to update the time integration combined with remeshing at each time step. The application of full-structured mesh elements can prevent grids distortion or deformation caused by large-scale movement and improve the stability of calculation. In movable regions, each moving zone is specified with particular motion modes (sway, heave and roll). A series of experimental studies are carried out to validate the performance of the floating body and verify the accuracy of the proposed numerical model. The results are systematically assessed in terms of wave coefficients, mooring line forces, velocity streamlines and the 3-DOF motions of the floating breakwater. When compared with the wave coefficient solutions, excellent agreements are achieved between the computed and experimental data, except in the vicinity of resonant frequency. The velocity streamlines and wave profile movement in the fluid field can also be reproduced using this numerical model.     

Numerical solution of a mathematical model for water wavesin large coastal areas

on the evolution equation for water waves,a mathematical model for wave propagation in large mild-slope areas is derived.The model is solved by the finite difference method with the staggered grid system.The computational results are in good agreement with experimental data and show that the model can obtain better results with relatively coarser grids.The model can be used to simulate water wave propagation in large coastal areas and can be efficiently solved without much programming effort.     

近岸大区域水波数学模型及其数值求解

从水波发展方程出发,导出了大区域缓坡水波数学模型,并采用交错网格系统下的有限差分法对该数学模型进行了数值求解,计算结果表明该数学模型在粗网格下也能得到与实验结果比较一致的结果,从而表明该模型可用于较大区域的水波问题.该模型具有编程简单、求解比较快速、经济的优点.