山东省周边海域波浪能资源评估

采用第三代海浪模式SWAN对2001-2010年期间山东省周边海域的波浪状况进行了数值模拟。波浪能数值模拟值与台站观测值的比对结果表明模拟值可靠、实用。分析发现山东省周边海域平均波能流密度以2 000W/m以下为主,低于中国南部海域及欧美沿岸波能流密度。选取12个典型代表点,从波能流密度大小、变化特征、稳定性等角度分析了不同代表点的波浪能情况,发现山东周边波能流密度受气候变化影响近10年来呈上升趋势。综合不同区域波浪能大小及需求情况,建议选取山东半岛东部海域、蓬莱外围岛屿近渤海中部海域和渤海中部海域作为波浪能开发利用的首选区域。其中成山头东部海域波能流密度在冬季高达5 000 W/m,在该季节大部分区域可归为一类资源丰富区。基于此,建议开发利用中小规模的波浪能供电设备或供电设施。     

西北航道夏季气旋登陆期间海冰对波浪的影响

西北航道是指从北大西洋经加拿大北极群岛进入北冰洋,再进入太平洋的航道,是连接大西洋和太平洋的捷径。为了探讨西北航道通航期极端天气条件下强风及海冰对波浪场的影响机制,建立并验证了考虑海冰影响下的西北航道风浪演化模型,并以2012年8月北极气旋登陆期间为例探讨西北航道通航期波浪特性及波能流密度的时空演化及其对风和海冰的响应。研究结果表明,北极夏季海冰大多分布于西北航道以北海域,而风向大部分集中在SSW(南偏西22.5°)至SW(南偏西45°),西北航道海冰的存在并不会引起有效风区的明显减少,也不会引起无冰海域波能流的明显减小(不超过5%)。但是,当风向变为北向风时,无冰海域波能流减小幅度最多高达62%。最后,综合海冰和波浪要素的时空分布,提出了极端天气条件下西北航道通航期的最佳适航路线,为西北航道的夏季安全通航提供了科学依据。     

波浪与渤海近岸海冰流固耦合特性的数值模拟

在波浪作用下,近岸海冰断裂发生时的极限波高和波长可以为大尺度海冰模型中的参数化提供依据。利用流固耦合数值模拟技术,结合渤海冬季近岸海冰、波浪的相关参数,模拟了波浪与小尺度近岸固定海冰的相互作用过程,得出了波浪作用下海冰的最大主应力、最大主应变和自由端位移峰值随入射波浪要素的变化规律。进一步结合渤海海冰的强度,分析了海冰由于波浪作用而发生断裂的极限波高及极限波长。结果表明:海冰最大主应力的最大值、最大主应变的最大值和自由端位移峰值的绝对值随波高、波长的增加而增大。辽东湾某典型海域,当水深为5m,海冰长为2m,冰厚为0.3m以及入射波周期为3s时,海冰发生断裂的极限波高为0.63m;入射波高0.6m时,海冰断裂极限波长为15.35m。     

波浪对泥沙作用的数值研究及在渤海区域的检验

针对渤海海域开展了波致底切应力对泥沙作用的数值估计。针对浅水条件,通过理想试验估算了波致底切应力对波流耦合底切应力的贡献。针对渤海大风过程,利用ECOMSED模式,通过波流耦合底边界层模型模拟了渤海区域的泥沙浓度,并利用遥感资料对表层泥沙浓度的数值模拟进行了检验。对比结果表明,考虑波浪作用的情况下,模拟结果在总体分布上得到明显的改善。在大风过程中波浪对0~20 m近岸区域的泥沙再悬浮起主导作用。     

基于近20年的SWAN模式海浪模拟结果的南海波浪能分布、变化研究

由于南海海域地形复杂,岛屿众多,不可避免的会产生折射、变浅、绕射、波浪破碎、非线性波相互作用等近岸物理过程。因此采用以风场驱动的第三代海浪数值模式SWAN,可得到南海海域1986年1月至2005年12月较高分辨率的波浪场,计算了南海海域的波浪能流密度,综合考虑能流密度的大小和14个站位能流密度分级统计的特征等方面对南海海域波浪能资源进行了研究,寻找该海域波浪能资源的相对优势区域,为建立海上波浪能电站提供科学依据。     

水动力时空变化对近岸风浪演化的影响——以渤海湾西南岸为例

采用SWAN模型和ADCIRC模型建立了风浪、潮汐和水流联合作用的耦合数值模式,并通过渤海湾西南岸实测资料对该模式进行了验证。利用该模式分析了近岸区水位和流场时空变化对风浪模拟结果的影响,计算结果表明水位变化对近岸区风浪模拟结果有显著影响,特别是中等大风过程高潮位时波高受水位影响的变化幅值可达0.5m以上,且水深越浅影响越大。但在岸滩平缓的近岸海域由于流速、流向的时空变化不太剧烈,流场作用和波浪辐射应力作用对波浪场的影响都基本可以忽略。在模拟近岸风浪过程时,应选用耦合模式。     

江苏海域波浪数值模拟研究

本文以风场为驱动运用第三代波浪模型SWAN对江苏海域的波候进行了模拟研究。在模拟过程中采用了嵌套结构,并考虑了潮位对波浪的影响,提高了近岸波浪模拟的精度。同时,对江苏海域波浪分布特征进行了研究。研究结果表明:江苏海域深水区域年平均有效波高分布趋势由南往北逐渐递减,而近岸10m水深处波高从大丰港开始由南往北呈先增加后减小的趋势。江苏海域年平均有效波高最大值为1.5m,最大年平均周期为4.6s,常浪向为NE或SE方向,四季中冬季浪最大,强浪向为NE—NNE方向。     

结合椭圆型缓坡方程模拟近岸波流场

波浪向近岸传播的过程中,由波浪破碎效应所产生的近岸波流场是近岸海域关键的水动力学因素之一.结合近岸波浪场的椭圆型缓坡方程和近岸波流场数学模型对近岸波浪场及由斜向入射波浪破碎后所形成的近岸波流场进行了数值模拟.计算中考虑到波浪向近岸传播中由于波浪的折射、绕射、反射等效应使局部复杂区域波向不易确定,采用结合椭圆型缓坡方程所给出的波浪辐射应力公式来计算波浪产生的辐射应力,在此基础上耦合椭圆型缓坡方程和近岸波流场数学模型对近岸波流场进行数值模拟,从而使模型综合考虑了波浪的折射、绕射、反射等效应且避免了对波向角的直接求解,可以应用于相对较复杂区域的近岸波流场模拟.     

波流耦合作用下渤海及北黄海风暴潮增水及海浪过程的数值模拟

本文基于三维波流耦合FVCOM-SWAVE数值模式,采用Jelesnianski参数化风场与再分析数据集ECMWF风场数据叠加而成的合成风场作为外力驱动力,模拟了1818号"温比亚"台风引起北黄海及渤海海域风暴潮增减水及波浪的生长与消减过程,进而分析该海域在"温比亚"台风作用下波浪对流速垂向分布的影响。研究结果表明:合成风场得到的风速最大值及出现时刻与实测数据符合较好,合成风场较为合理,能够为模拟波流耦合机制下海域水动力变化提供准确的风场条件;几个测站的风暴潮增水模拟结果与实测数据较为吻合,FVCOM-SWAVE耦合系统合理地再现了"温比亚"台风在黄渤海引发的风暴潮增水以及台风浪过程。此外,计算结果显示"温比亚"期间黄渤海海域最大有效波高分布于台风中心外围,且位于台风前进方向上,波浪最大有效波高值与台风强度有关;在台风过境期间,波流相互作用对近岸海域流速的垂向分布具有一定影响,考虑波流相互作用可有效提高台风风暴潮数值模拟精度。研究结果对台风灾害预报、防灾减灾及港口建筑选址具有一定的参考意义。     

渤海冰-海洋耦合模式Ⅱ.个例试验

以渤海1998~1999和2000~2001年度冬季的海冰发展过程为例,采用实时气象数值预报场作为大气强迫,利用渤海冰海洋耦合模式模拟渤海整个冬季的海冰生消和演变以及渤海冰季冰气、冰水和气水界面的热收支.模拟结果显示大气和海洋的热力效应对渤海的海冰发展非常重要,特别在海冰的冻结和融化阶段,海洋热通量在热力耦合中起着重要作用.模拟还显示了冰覆盖内部区域和冰外缘线附近不同的热力特征,分析讨论了冰区内和冰边缘两个特征点冰厚分布、界面热量收支和海表水温等.     

辽东湾冰季太阳辐射分析

利用渤海辽东湾ＪＺ２０－２石油平台上的气象和海冰观测数据,研究了冰季大气层和云层对太阳辐射的影响,结果表明,辽东湾冰季大气光学可取为０．８３,碧空、少云、多云阴天、雾天和雨雪等不同天气条件下的云量系数可分别取为０、３、６、８、９和１０。分析了冰水混合情况下海面对太阳辐射的反射情况;讨论了太阳辐射对冰面长波辐射和对流传热的影响。利用冰面太阳辐射的实测值和计算结果,对整个冰季内太阳辐射的规律进行了分析     

A coupled ice-ocean model for the Bohai Sea Ⅱ. Case study

The coupled ice-ocean model for the Bohai Sea is used for simulating the freezing, melting, and variation of ice cover and the heat balance at the sea-ice, air-ice, and air-sea interfaces of the Bohai Sea during the entire winter in 1998～1999 and 2000～2001. The coupled model is forced by real time numerical weather prediction fields. The results show that the thermodynamic effects of atmosphere and ocean are very important for the evolvement of ice in the Bohai Sea, especially in the period of ice freezing and melting. Ocean heat flux plays a key role in the thermodynamic coupling. The simulation also presents the different thermodynamic features in the ice covered region and the marginal ice zone. Ice thickness, heat budget at the interface, and surface sea temperature, etc. between the two representative points are discussed.     

A coupled ice-ocean model for the Bohai Sea Ⅱ. Case study

The coupled ice-ocean model for the Bohai Sea is used for simulating the freezing, melting, and variation of ice cover and the heat balance at the sea-ice, air-ice, and air-sea interfaces of the Bohai Sea during the entire winter in 1998-1999 and 2000-2001. The coupled model is forced by real time numerical weather prediction fields. The results show that the thermodynamic effects of atmosphere and ocean are very important for the evolvement of ice in the Bohai Sea, especially in the period of ice freezing and melting. Ocean heat flux plays a key role in the thermodynamic coupling. The simulation also presents the different thermodynamic features in the ice covered region and the marginal ice zone. Ice thickness, heat budget at the interface, and surface sea temperature, etc. between the two representative points are discussed.     

Numerical Simulation of Bohai Oil Spill in the Winter Sea Ice Period

The Bohai Sea is a seasonal icy sea area that has the lowest latitude of any sea experiencing icing in the northern hemisphere, and simulation studies on oil spills during its sea ice period are the key to analyzing winter oil spill accidents. This study applied the three-dimensional free surface to establish a high-resolution hydrodynamic model and simulate tidal distributions in the Bohai Sea. Then, the oil spill model of the open sea area and thermodynamic model were combined to establish a numerical model for the Bohai oil spill during the winter sea ice period. The hydrodynamic model and sea ice growth and melting model were verified, and the parameters were adjusted based on the measured values, which indicate that the numerical model established in this paper is of high accuracy,stability and ubiquity. Finally, after checking the calculations repeatedly, the diffusion coefficient for the Bohai Sea was determined to be 1.0×10~(–7 )m~2/s. It is better that the comprehensive weathering attenuation coefficient is lower than that of a non-winter oil spill, with 1.3×10~(–7 )m~2/s being the most appropriate coefficient. This study can provide the reliable technical support for the operational safety and reduction in losses caused by winter oil spill accidents for the petroleum industry.     

2009～2010年冬季渤海及黄海北部冰情分析

从冷空气活动及气温变化的角度分析了2009～2010年冬季渤海及黄海北部气候背景状况,发现此冬季渤海及黄海北部沿岸平均气温较多年偏低.通过对海冰冰情的发展与变化状况和各海区严重冰期内冰情分析显示,该冬季渤海及黄海北部为偏重冰年.     

渤、黄、东海悬浮物质量浓度冬、夏季变化的数值模拟

采用HAMSOM三维正压水动力模型结合粒子追踪的悬浮颗粒物输运模型模拟了渤、黄、东海悬浮物质量浓度冬、夏季变化。模拟结果显示,潮流和底质对悬浮物质量浓度的分布有决定性的作用,沉积物再悬浮对悬浮物质量浓度分布影响大,冬季尤为显著。莱州湾中西部和渤海湾南部悬浮物终年维持高质量浓度,古黄河口冬季再悬浮物的质量浓度高于其它季节的。长江口附近悬浮物终年维持高质量浓度,夏季长江口东北悬浮物的质量浓度高于冬季的,浙江沿岸冬季悬浮物的质量浓度高于夏季的。     

海冰的热力过程及其与动力过程的耦合模拟

研究和讨论了海气相互作用过程中海冰演变的物理过程；大气和海洋对海冰的热力作用以及冰内物理过程；大气和海洋热力学参数对冰厚和密集度等冰情参数的影响和上述物理过程的数学处理。计算了冰面与水面能量收支，并分析海冰热力增长函数的特征；将热力模式与动力模式。对渤海１９８９－１９９０年度海冰进行数值模拟。结果表明，考虑热力过程的热动力模式，对类似于１９９０年２月１２－１８日海冰融化过程显示出明显的优越性，模拟     

胶莱人工河道水质点输运轨迹的数值模拟

利用二维水动力数学模型模拟胶莱人工河道潮流运动,并分析了胶州湾湾口设置潜堤前后胶莱人工河道水质点的运动轨迹和水位变化过程。结果表明,开通胶莱人工河道能够使黄海的胶东湾海水向渤海的莱州湾输运,但不设置潜堤时从胶州湾到莱州湾的海水输运平均流速较小;设置潜堤后胶州湾水位高于莱州湾水位的时间变长,从黄海到渤海之间的水体输运能够得到加速。计算结果还表明,潜堤顶部与平均水面距离较小时,黄、渤海之间水体输运较快。     

秋季巴伦支海海温异常对冬季我国渤海冰情的可能影响

本文利用美国NCEP/NCAR逐月的再分析资料、HadISST海温、中国160台站气温和反映渤海冰情轻重的渤海冰情等级资料,研究了前秋巴伦支海海温异常对后期渤海冰情和东亚冬季风的影响,并对相关的物理过程进行分析。结果表明,前秋巴伦支海关键区海温与该区域海冰密集度呈显著的负相关,且具有较好的持续性,通过调节随后冬季向大气释放的热通量,引起后期环流变化。偏高(偏低)年冬季亚洲纬向环流偏弱(偏强),东亚大槽加深(减弱),东亚冬季风加强(减弱),我国东北、华北及西北地区地区显著偏冷(偏暖),这与冬季渤海海冰异常的强度和范围都偏大(小)及与之相联系的环流异常相一致。进一步的分析揭示了联系上游关键区海温变化与后期东亚地区气候异常的重要途径,前秋巴伦支海海温偏高会导致200 hPa高度场形成一个自西向东的波列形式,在东亚局地Hadley环流异常的作用下,加强了我国北方地区地表的北风异常。因此,前秋巴伦支海海温异常可以作为冬季渤海冰情的预报因子。