1994年春季东海环流的三维诊断、半诊断及预报计算

在σ坐标下建立了一包括诊断计算、半诊断计算及预报计算的数值模式,并应用于东海环流的计算。计算结果表明,当t=23d时,密度场和速度场得到调整,即得到半诊断解,当t=60d以后,解已达到准稳定态。比较诊断、半诊断及预报计算的结果,它们在定性上是一致的,但是,在定量上有些变化。例如,(1)比较诊断计算与半诊断计算的结果,经过调整后的半诊断计算结果,黑潮主流仍位于200～1000m坡折处,但流幅变窄,平均流速增大,主流更为清晰,更能反映坡折地形的影响,其次,在南边界附近的黑潮入侵陆架的黑潮分支,即黑潮主流以西的台湾暖流外侧分交的流速有所减小。关于垂向速度w,半诊断计算得到的w分布在大部分区域上升流或下降流有所增加;(2)比较半诊断计算与预报计算,在计算区域的南部及北部,无论是水平速度、垂向速度还是水位场分布都稍有变化。     

夏季台湾海峡海流计算Ⅱ

本文在σ坐标下建立了一个半诊断计算及预报计算的数值模式，应用于台湾海峡夏季时三维海流计算。计算结果表明，当ｔ＝２．５ｄ时，密度场和速度场得到调整，即得到半诊断解，当ｔ＝４０ｄ以后，解已达到准稳定态；半诊断及预报计算的结果在定性上是与诊断计算结果一致。但它们在定量上有些变化，如表层台湾岛西岸附近的最大水平流速，在ｔ＝０时（诊断）为５９．１ｃｍ／ｓ，ｔ＝２．５ｄ时（半诊断）为６２．１ｃｍ／ｓ，ｔ＝３００ｄ时（预报）为６２．０ｃｍ／ｓ．此外，在半诊断及预报计算中，上升流也主嵰⑸诟＝ń兜龋魉偌忧浚段б灿兴┐蟆     

1999年6月黄海、东海海流的三维非线性数值计算

基于 1 999年 6月“向阳红 1 4”号调查船的水文和气象资料 ,用σ坐标下三维非线性的诊断、半诊断及预报模式计算了黄海、东海海流 ,计算结果表明 :( 1 )当t=3d左右 ,密度场和速度场都已调整 ,得到半诊断解 ;当t =2 1d以后 ,解已达到准稳定态 ,并取t =30 0d的计算结果作为预报计算的解 .( 2 )诊断计算结果表明 ,1 )计算区域的西北部有一支黄海沿岸流 ,为偏东向流 ,该流在济州岛以南流出本计算海区 .在计算区域的南部西侧还有一支流 ,即台湾暖流内侧分支 ,作气旋式弯曲后 ,转为东北方向流 .2 )在以上两支流北侧 ,即济州岛西南处 ,存在一个气旋式涡 ,它具有高密、低温的水文特征 .3)黑潮西侧有一台湾暖流外侧分支 ,先作气旋式弯曲 ,尔后向东北方向流动 .4 )黑潮在黄海、东海以较强的速度向东北方向流去 ;其最大水平速度在表层为 1 0 8 5cm/s,位于北边界附近 ,30m层、75m层以及 2 0 0m层的最大水平速度分别为 1 0 6 1 ,1 0 2 2及 85 1cm/s,且均位于南边界附近 .( 3)比较诊断、半诊断及预报模式计算结果 ,它们在定性上比较一致...     

东海黑潮与琉球群岛以东海流半诊断计算

利用“长风丸”调查船在1987年9～10月期间得到的水文资料,对东海黑潮与琉球群岛以东海流进行了半诊断计算.本计算分为两个阶段,第一阶段是诊断的,第二阶段取诊断计算结果作为初始值,进行半诊断计算,即调整阶段.计算表明,当T=30～40d时,密度场与速度场等已被调整,即得到了半诊断计算的解.比较诊断与半诊断的两个计算结果,在定性上它们是基本一致的,但在定量上存在一些重要差别,例如以下几点:(1)由于诊断计算采用了平滑后的资料,两支西边界流,即黑潮及琉球群岛以东西边界流(简称“琉球海流”)的流速计算值都偏低.而通过调整后的半诊断计算,这两支西边界流的流速都加强;(2)半诊断计算密度场等已被调整到与海底地形等相适应.例如东海黑潮流速的最大值为101cm/s,出现在东海海区南部最大的地形坡度处,而诊断计算,由于资料平滑,没有得到这样的结果;(3)在琉球群岛以东海域,在最近岛屿处600m以浅水层,诊断计算结果出现了南向流,这也是由于资料平滑所致.然而,半诊断计算结果在此处出现了北向流,这与观测结果是一致的.这些计算结果都表明,当采用平滑后的资料时,应用半诊断模式计算海流,更为适宜.     

东中国海秋季三维环流诊断计算分析

基于2000年秋季东中国海水文观测资料,应用三维有限元模式FEOM(Finite Element Ocean circulation Model),在温盐保持不变的情况下进行诊断计算100 d,模拟结果再现了环流的主要特征:由于海表面风的影响,秋季东中国海表层的环流以西南向流为主,在10m深以下由于风的影响减弱环流特征比较清晰完整。黄海北部出现一个气旋式涡旋,10m层流速大小为5 cm/s左右;浙闽沿岸流从表层到50～60m深都是存在的,流速基本不变;台湾暖流在10m层流速较大,且向陆架方向入侵明显,但是越向下越不明显,流速也有所减小。诊断计算60d后的后报计算结果显示,松弛尺度为5d可以更好地消除资料的不匹配。因此最终在诊断计算60d后开展了松弛时间为5d的40d的强诊断计算,强诊断模拟结果显示:强诊断计算能更好的模拟东中国海环流结构,相较于诊断计算,表层流速有所减弱,10 m层流速有所加强,各层流向强诊断计算和诊断计算基本一致。     

用广义随底坐标海洋模式研究南海2000年夏季环流

基于2000年8月在南海调查航次得到的水文资料,首次采用广义随底坐标形式的改进POM模式对南海夏季环流进行了数值研究.用正交曲线性水平网格覆盖观测区域,在垂向上对近表海面层次采用近似z坐标,而近底层则为随底坐标.在计算海区实际地形及假设的水平均匀而垂直层化的密度分布下,实施的两个数值计算试验表明,本模式采用的垂直坐标方案比传统的σ坐标方案优越,随底坐标模式因压力梯度项在起伏地形下产生的系统计算误差将变得十分的微小.在南海2000年夏季环流的实际计算中,首先对观测资料进行了60d的诊断计算,然后在诊断已得到的动力场结果基础上,又进行了10d左右的预报运行得到半诊断结果.从计算结果来看,它依赖于参数C_vis与C_dif的选择,特别是参数C_vis,文中取值为C_vis=C_dif=008.比较诊断与半诊断两个计算过程的结果,它们在定性上较为一致,在定量上有些差别.这是因为半诊断计算的方法对密度场作适当的动力调整,使其与地形、风场等更加匹配.在大尺度环流结构不受影响的情况下,尽可能地消除了小尺度噪声,可使计算得到的流场更为清晰.2000年8月南海计算区域环流的最大特点是多涡结构,其中有些反气旋暖涡和气旋式冷涡相间分布.在越南东南海域自表层至1000m水层稳定存在着一个显著的反气旋暖涡,其中心位置在11°51'N,112°07'E(诊断计算),水平尺度约为300km.此暖涡以东存在一个气旋式冷涡,这两个冷、暖涡是研究海区夏季环流的重要环流特征之一.在计算区域东北部夏季环流以反气旋环流系统为主;在计算区域东南部夏季环流以气旋系统为主;南海夏季环流分布,明显出现西部强化特征.     

夏季台湾海峡海流的计算Ⅰ.三维诊断计算

在σ坐标下建立了一个三维非线性诊断模式,并用于台湾海峡夏季海流的计算.计算结果表明,夏季通过台湾海峡北上的流量为0.83×106m3/s,其中在海峡南边界上,通过东西两半边界的流量分别为0.58×106m3/s与0.25×106m3/s;海峡内水平速度分布东侧最大,西次侧之;上升流普遍发生在福建沿岸;夏季台湾海峡的海流特性,主要是密度流,风海流是其次的.     

计算分析潮流对海缆路由稳定性的影响

通过野外勘察和室内试验分析结果,了解琼州海峡北海—临高段海缆路由区浅层海底土分布特征和路由区及其附近海区的潮流特征,利用计算的方法分析了10 a和50 a一遇的潮流对海缆路由区冲刷破坏的可能性。结果发现,在琼州海峡海缆路由区海底砂性土平均起动流速(23.2~58.9 cm/s)小于10 a一遇(75.2~93.8 cm/s)和50 a一遇(85.4~113.7 cm/s)的预测流速;海底粘性土的平均起动流速(64.8 cm/s)也小于10 a一遇(76.2 cm/s)和50 a一遇(87.4 cm/s)的预测流速。路由区海底土会因潮流冲刷作用而发生失稳破坏,影响埋设在海底土中海缆的安全。同时,结果还发现潮流对砂性海底土的影响大于对粘性海底土的影响。     

杭州湾潮波三维数值模拟

采用“σ坐标下的三维数值模式”来模拟杭州湾三维潮波运动,水平方向上以较小尺度的差分网格覆盖计算区,垂直方向上给予均匀的分层,对占本湾水位谱总能量80％的半日潮波M_2和半日潮波m_1((K_1+O_1)/2)两类进行了数值模拟。水平流动和潮位的计算结果与相应的实测值拟合良好。计算表明,水平潮流具有明显的往复流性质,主要呈东-西方向;流速自湾口向湾顶增加,M_2分潮流最大可达270cm/s左右,m_1分潮流最大可达24cm/s左右。在太阴时1和13时,于湾的中部偏南存在一个弱的逆时针向的大涡旋;在7和19时于上述位置存在一个弱的顺时针向的大涡旋。垂直流速振幅一般为10~(-2)—2×10~(-2)cm/s,最大可达2.5×10~(-2)cm/s,位于乍浦附近的底层水域中。     

2002年春季吕宋海峡海流观测及其谱分析

基于2002年春季航次在吕宋海峡海域锚碇测流站(20°49'57"N,120°48'12"E)200,500与800m锚碇测流水层观测流,进行的海流特征分析与最大熵方法谱分析,得到以下主要结果.(1)在200m处,观测期间海流平均速度为(47.4cm/s,346°),最大观测海流速度V_max和最大日平均海流速度V_d,max分别为(103.8cm/s,10°)和(71.6cm/s,339°);在500m处,观测期间平均流速为(20.3cm/s,350°),最大观测海流速度V_max和最大日平均海流速度V_d,max分别为(74.1cm/s,17°)和(39.1cm/s,317°).这些都表明黑潮在吕宋海峡锚碇测流站200和500m处向西北方向入侵南海.(2)在800m处,观测期间平均流速为(1.2cm/s,35°),最大观测海流速度V_max和最大日平均海流速度V_d,max分别为(10.8cm/s,76°)和(4.7cm/s,46°).这些都表明,它们的流向皆为东北向.比较在每层实测流的结果,表明在800m层海流状况与200和500m层海流状况是不相同的,流速随深度变深明显减弱,流向向右偏转.(3)在观测期间200,500和800m处,日平均流速在4月皆比3月时要强.(4)在200～800m潮流随深度变深有所变化,除了在500m处f<0情况全日潮峰值高于半日潮峰值以及对于半日潮以逆时针方向为主以外,其余情况在200～800m水层半日潮峰值都要高于全日潮的峰值,并且皆以顺时针方向旋转为主.(5)在200～800m水层都存在15d以上或14d左右的周期振动,例如在逆时针方向分量谱(f>0)在200,500m处存在19d左右的周期振动;在800m处存在14d左右的周期振动(f<0).(6)在200～800m处都存在4～6d周期天气过程的振动和2～3d周期振动.还都存在34.5h左右惯性振动周期,它的振动方向为顺时针方向.(7)通过交叉谱的计算,揭示:1)200与500m层两组流速时间序列对于半日潮周期、全日潮周期、15d以上的周期振动、2～3d的周期振动等都有很好的相关性,且对15d以上的长周期振动几乎是同步的;2)500与800m层两组流速时间序列对于4～6d天气过程的周期振动与2～3d的周期振动等都有很好的相关性,但它们之间有相位差,有滞后或提前现象.     

吕宋海峡纬向海流及质量输送

分析和计算了吕宋海峡PR21断面最近海洋调查的部分CTD资料和ADCP资料,再一次证明吕宋海峡常年存在纬向流。但对于天气尺度而言,该流型是多变的。根据高分辨率的海洋环流数值模式4a(1992～1996年)海平面高度(SSH)的输出值,运用地转关系估计了吕宋海峡纬向流的月平均值。研究表明;通过海峡流入、流出南海纬向流的深度一般达到500m左右,200m以上流速较大,平均流速为50cm/s,最大时达80cm/s以上。500m以下的纬向地转流流速较小,通常小于10cm/s.由大洋进入海峡的入流位置位于海峡的中部和南部,月平均入流最大值出现在11月,为50cm/s.位于海峡的北部和南部上层海洋的月平均出流,最大流速亦出现在11月,也为50cm/s,这与秋季北赤道流分叉位置最北(15°N),春季分叉位置最南(14°N)有关。上层流入、流出海峡的流量的月平均值分别约为10×106m3/s和5×106m3/s.当东北季风盛行时(从10月到翌年2月),流入海峡的流量远大于流出海峡的流量,两者的差可达8×106m3/s,而在其他季节两者的差仅为3×106m3/s.这说明东北季风盛行时,会有较多的水从南海南？     

黄、渤海水温垂直结构数值预报方法的研究 Ⅱ.二维数值预报模式

文中根据黄、渤海区水温资料建立了无维深度η和无线温度θ_T以及相应的水温垂直剖面的相似函数θ_T=f(η).在此基础上,设:上均匀层厚度h=h(x,y,t)、表层水温T_s=T_s(x,y,t)、上均匀层以下的温度T_z=T_s(x,y,z,t)、底层温度T_H=T_H(x,y,t)、流速分量u=u(x,y,t)、v=v(x,y,t)和海面起伏ζ=ζ(x,y,t),提出了水温垂直结构的二维数值预报模式,模式的求解是用“ADI”和“HN”法进行.文中引列了预报时效为4天的试报结果,效果是令人满意的.     

波浪与水流共同作用下的流速场

本文讨论了波浪与稳定流相互作用的二元流条件下的流速场问题。分析表明由于波浪与水流相互作用的结果水流的垂线流速分布变得更为均匀,这一结果已经实验验证。结果还表明对于波流共同作用下的水平流速场可以应用波浪与水流二者水平流速值的叠加原理。数值计算的结果表明,对于波面高程和水平流速值,由非线性波理论所得的结果较线性波理论的结果为好。作者认为,在波流共同作用条件下,在工程实用上为了计算水平流速场,当相对水深 d/L 2大于0.1时,司采用斯托克斯三阶波或五阶波理论,当相对水深 d/L_2小于0.1时,司采用椭圆余弦波理论(d 为水深,L_2为静水中的波长)。     

渤海及黄海北部的风海流数值计算及余流计算

依据黄渤海实测风的资料对渤海及北黄海进行了月平均风海流数值计算。计算表明 ,1月份在西北风的作用下 ,在渤海出现 1个逆时针旋转的环流 ,在辽东湾北部及黄海北部出现 1个顺时针旋转的环流 ,渤海海峡的海流北进南出。 7月份在南风和东南风的作用下 ,风海流的变化形式与 1月份大致相反 ,海峡处呈南进北出的形式。对渤海中部某点 1年的潮流资料通过低通滤波的方法计算逐时的余流值 ,得到该点 1年内表层最大的实测余流为 31.9cm/ s,全年 90 %多的时间内表层余流小于 10 cm/ s。对辽东湾北部某点和渤海湾西南部某点数月潮流资料也进行了低通滤波 ,并将得到的逐时余流与同步风作了比较。依据该 2点风和余流的关系以及黄海北部 6个点风和余流的关系验证了风海流数值计算的结果 ,表明在这些点上实测与计算结果拟合良好     

琼州海峡冬末春初潮余流场特征

1995年2月26日至3月6日,在琼州海峡的新海一四塘断面上,大小潮期间进行15条船同步测流.该断面上涨潮流速普遍大于落潮流速,实测最大涨潮流速为172cm/s,最大落潮流速为142cm/s;大潮期间北部6个站全层平均余流速度为18.4cm/s.海峡中间3个站0～20m层平均流速为18.3cm/s,南部6个站平均余流速度为10.2m/s.中间和北部诸站余流方向指向W一S范围,南部6个站因受地形影响,流向指向NE.用数值计算方法,再现了大小潮期间琼州海峡整个潮流场.大潮期间,通过西断面(灯楼角──玉苞角)落潮流总通量为4.73×1010m3,涨潮流总通量为4.29×1010m3;通过东断面(东营──龙塘镇)落潮流总通量为5.22×1010m3,涨潮流总通量为4.90×1010m3,其净通量,西、东断面分别为0.43×1010和0.32×1010m3,其方向指向西.     

吕宋海峡120°E断面水交换特征

利用2007年7～8月吕宋海峡120°E断面(18.5°N～21.5°N)CTD观测数据,分析了该断面的温度、盐度和密度分布特征,并用动力计箅方法计算了断面的流速,得到了通过该断面的海水体积通量.计算结果显示,通过断面的海水主要由南海向太平洋输送,总的交换量为3.15 Sv.19°30'N～20°30'N之间,南海水通过吕宋海峡进入太平洋,而19°30'N以南和20°30'N以北至21°30'N之间.海水由太平洋进入南海.此外,流出吕宋海峡的表层流速最大可达1.3 m/s,流入南海的表层流速最大可达60 cm/s,位于19°30'N以南.     

胶南近岸海域三维潮流数值模拟

为胶南海域沿岸污水排海选址,海洋环境管理提供动力条件,基于变边界河口、陆架、海洋(ECOM)模式,模拟了胶南近岸海域三维潮流场。研究海域水平最大流速在斋堂岛水道,量值为1.0m/s。垂直流速表现为底层大,表层小的特点,其最大值分别为25.38×10-4m/s和9.9×10-4m/s。计算结果与实测结果符合良好,较好地刻画了胶南近岸海域M2分潮潮流场的时空分布特点。     

广西近岸海域潮流数值模拟

采用有限元三角形网格的分步杂交方法,建立了广西近岸海域的二维潮流数值模型,计算值与实测资料符合较好。采用主要分潮组合输入,模拟了研究海域的平均潮潮流场。模拟结果表明:涨急时,潮流向为东北方向,最大涨潮流速为74cm/s左右;落急时,潮流向为西南方向,最大落潮流速约100cm/s,落潮流速大于涨潮流速。近岸区域潮流为往复流,离岸边越远潮流越接近旋转流。     

小型自主水下航行器尾舵设计与研究

针对小型自主水下航行器(AUV)尾舵设计的关键问题,采用二维计算流体力学(CFD)方法模拟了流速为2m/s时.常用NACA00××系列翼型在不同来流下的情况,得到了小型自主水下航行器常用翼型的水动力特性;采用DNV规范计算得到了尾舵面积的大小;采用三维CFD方法研究了舵轴位于不同位置时的铰链力矩.找到了具有最小铰链力矩的舵轴位置.文中的研究结果为小型水下自航行器尾舵的设计提供了理论依据和参考.     

杭州湾北岸保滩加固工程附近流场的数值模拟

Delft-3D-flow模型是一个三维的水动力输运模型,该模型采用曲线正交网格,在垂直方向上采用 σ坐标,水动力模块建立在Navier-Stokes方程的基础上,采用交替方向法(ADI)对该坐标系下的控制方程组进行离散求解.应用沿水深平均的两维水流数学模型来计算,采用大小模型嵌套的技术进行数值模拟.利用分布在杭州湾和长江口10个潮位站2003年水位数据和1982、1997、2003年的潮流观测数据对模型计算结果进行验证.模型计算结果和实测数据吻合较好.通过数值模拟发现:工程实施后,围堤西侧流速变化最为显著,涨急流速减小,最大幅度为24 cm/s,落急流速也减小,最大幅度为9 cm/s.通过上述分析,得到以下几点认识:(1)保滩加固工程后在围堤西侧,涨、落急流速均减小,最大减小幅度分别为25 cm/s和14 cm/s,工程实施后研究区流速递减81%左右;(2)工程实施后涨、落急流向除近岸外,流向变化一般小于5°,基本上不受工程影响,但在高平潮期间,工程实施后在围堤西侧流向变化较大,最大可达100°以上;(3)工程实施后围堤西侧的流速虽然变化较大,但因工程区潮流较弱,工程规模较小,影响将局限在工程区周围200 m范围内,对附近的码头以及外侧的金山深槽不会有明显的影响.通过杭州湾北岸保滩加固工程附近流场的数值模拟结果的验证和分析,探讨了工程建设对附近局部流场的改变及其主要影响范围,为保滩加固工程的可行性研究提供有力的科学依据,也为其它海岸工程的建设提供了参考.