北部湾潮波的数值模拟试验

北部湾是南海的一个主要海湾,湾内潮汐和潮流都以全日潮为主,是世界上典型的全日潮海区。为了摸清北部湾潮波的变化规律,我们于1983年对北部湾进行了初步的数值计算试验。但应当指出的是,我们在该项计算试验中,忽略了惯性(加速度)项的影响,并且将底摩擦也进行了线性化。实际上,北部湾平均水深约45m,其中大部分海区的水深为25m,而湾内日分潮的振幅大者可达1m。这也就是说,潮波运动方程中的惯性(加速度)项与局部加速度项一般只差一个量级,而在湾顶部分浅水海区,两者     

青岛海湾大桥对胶州湾潮汐、潮流及余流的影响预测——Ⅲ.预测方法及预测结果

在潮流数值模型中,采取了如下办法表示桥墩:桥墩造成的截水面积通过减小水深来实现,桥墩的阻尼通过增加底摩擦实现。根据以上水深处理和水力学实验给出的阻尼系数,在胶州湾及邻近海域计算潮流场基础上,预测了青岛海湾大桥对胶州湾潮汐、潮流及余流的影响。     

用伴随法优化非线性潮汐模型的开边界条件Ⅰ.伴随方程的建立及“孪生”数值试验

本研究采用基于最优控制理论的伴随法,把观测资料同化到陆架海域潮汐 数值模型中去,优化开边界条件,提高数值预报的精度．潮汐模型的控制方程为考虑 平流项、非线性底摩擦和侧向涡动粘性项的非线性浅水方程组;采用Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子 法建立了伴随模型．研究分两部分：第一部分即本文,建立非线性浅水方程模型的伴 随方程、给出目标函数的梯度,并实现“孪生”数值试验;第二部分另文给出．     

利用伴随法优化非线性潮汐模型的开边界条件Ⅰ．伴随方程的建立及“孪生"数值试验

本研究采用基于最优控制理论的伴随法,把观测资料同化到陆架海域潮汐数值模型中去,优化开边界条件,提高数值预报的精度．潮汐模型的控制方程为考虑平流项、非线性底摩擦和侧向涡动粘性项的非线性浅水方程组;采用Lagrange乘子法建立了伴随模型．研究分两部分：第一部分即本文,建立非线性浅水方程模型的伴随方程、给出目标函数的梯度,并实现“孪生”数值试验;第二部分另文给出．     

1994年发生在台湾海峡的一次地震海啸的数值模拟

建立了一个地震海啸数值模式,模式包含越洋海啸传播部分和近岸海啸变形部分,在越洋海啸传播部分中采用线性浅水方程,使用蛙跃格式求解,并且选择合适的空间步长与时间步长,使差分格式中产生的数值频散与包辛尼斯克方程中的物理频散一致,这样在不影响海啸数值计算精度的前提下,节省了计算机的机时与内存.在近岸海啸变形部分的计算中,考虑了非线性对流项与海底摩擦项.同时该模式采用了多重网格嵌套技术,提高了所关心地区的计算精度.利用这个地震海啸模式模拟了1994年发生在台湾海峡的一次地震海啸,结果与观测记录较吻合.这个模型已用于我国沿海核电站可能最大地震海啸的数值计算.     

具有潮滩移动边界的浅海环流有限元模型

本文基于二维化浅水动力学方程组,运用伽辽金加权余量法导出计算浅水环流的有限元公式.对计算区域采用三角单元剖分,用线性插值函数逼近流速及水位,使用集中质量法以代替求解大型代数方程组的过程.通过建立陆水边界位置与瞬时水位的相关关系,解决了陆水边界线移动的数学处理问题.对于运动方程中的底摩擦项和科氏力项采用隐式格式,从而改善了模型的数值稳定性.对皮口沿岸潮流场的数值分析,较好地再现了该海区的实际流况,从而证明了本文所建立的环流模型具有良好的重现性.皮口港扩建工程流场预测应用实例说明了本模型可以用来解决小尺度潮滩海区的流场预测问题,在海洋开发活动中具有广泛的应用前景.     

潮汐和潮流作用下1323号台风“菲特”台风浪数值模拟

利用第三代近岸海浪模式SWAN(Simulating WAves Nearshore)建立了基于非结构网格的台湾海峡台风浪数值模型,并以WRF模式(Weather Research and Forecasting Model)计算得到的高分辨率台风风场作为驱动,模拟了1323号台风"菲特"影响期间台湾海峡波浪场的演变过程。以实测资料进行验证的结果表明:整个模拟过程风速的平均绝对误差为1.60 m/s,有效波高的平均绝对误差为0.42 m,计算结果较好地再现了"菲特"台风影响下海峡内波浪运动过程。通过对比数值实验分析了潮汐、潮流对台湾海峡台风浪的影响,分析表明:海峡内近岸浅水区域潮汐和潮流对波浪计算的影响显著,在考虑水位和流场后,计算得到的有效波高分布曲线呈现周期性振荡,且与潮汐周期变化一致,计算得到的有效波高绝对误差下降14%,近岸波浪数值模拟的精度得到了改善。     

利用伴随法优化非线性潮汐模型的开边界条件：Ⅰ.伴随方程的建立及“？…

本研究采用基于最优控制理论的伴随法,把观测资料同化到陆架海域潮汐数值模型中去,优化开边界条件,提高数值预报的精度。潮汐模型的控制方程为考虑平流项、非线性底摩擦和侧向涡动性项的非线性浅不方程组;采用Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子法建立了伴随模型。研究分两部分：第一部分即本文,建立非线性浅水方程模型的伴随方程、给出目标函数的梯度,并实现“孪生”数值试验;第二部分另文给出。     

利用伴随法优化非线性潮汐模型的开边界条件Ⅱ.黄海、东海潮汐资料的同化试验

本研究基于最优控制理论,采用变分数据同化法,通过建立伴随模型,把观测资料同化到陆架海域潮汐数值模型中去,优化开边界条件,以便提高数值预报的精度.潮汐模型的控制方程为考虑平流项、非线性底摩擦和侧向涡动粘性项的非线性浅水方程组.在第Ⅰ部分建立伴随模型和进行“孪生”数值试验的基础上,给出利用验潮站的水位资料以及TOPEX/Poseidon卫星测高数据在黄海、东海进行变分数据同化试验的数值结果.试验表明利用上述资料对模型进行变分同化校正是可行的.     

近岸浅海潮流数值模型及其应用

在Casulli提出的半隐式有限差分方法的基础上,通过改进底摩擦力公式以避免在超浅水域底摩擦项过大的缺点,对底摩擦项进行线性化处理以获得隐式效果,对平流项采用适当的差分格式以减小假扩散及对活动边界引入误差的传播,采用高效的选代格式提高运算速度,建立了适合于近岸浅海的潮流数值模型。该模型有良好的稳定性,计算时间步长不受CFL条件的限制。在防城港的潮流模拟中,模型的验证结果良好。     

胶州湾海域浮游植物和赤潮物种的生物多样性研究进展

胶州湾是我国的一个典型近海海湾,也是近海生态系统的缩影。历史上胶州湾海域赤潮频发,因此也是研究赤潮暴发机制(包括赤潮物种组成、时空动态变化及对环境因子响应)的理想实验场所。迄今,几代科学家对胶州湾浮游植物和赤潮物种开展了长期而系统的调查研究,获得了大量的研究成果。为了系统跟踪胶州湾海域浮游植物群落组成,尤其是赤潮物种的组成变化,本文对近84年间(1936—2019年)胶州湾海域涉及浮游植物调研的54个调查数据结果进行了系统的统计和比较分析。文献共报道了549种浮游植物,包括硅藻326种、甲藻164种、绿藻21种、金藻9种、隐藻9种、淡色藻6种、定鞭藻5种、蓝藻3种、黄藻3种、下睫虫2种、裸藻1种和针胞藻1种。其中只有不到一半(40.29%)的浮游植物的全长18S rDNA序列得到解析,表明分子标记数据库需要继续完善,促进宏条形码分析的有效应用。胶州湾海域的优势浮游植物随时间的推移发生了较大变化,但是报道的甲藻与硅藻物种数的比例没有显著的变化。统计表明,研究者在胶州湾共鉴定到153种赤潮物种,包括硅藻79种、甲藻67种、定鞭藻2种、金藻2种、淡色藻1种、黄藻1种和针胞藻1种。胶州湾海域的典型优势浮游植物均为赤潮物种,包括中肋骨条藻、短角弯角藻、旋链角毛藻、加氏星杆藻、日本星杆藻、星脐圆筛藻和尖刺拟菱形藻,其中短角弯角藻和中肋骨条藻是胶州湾海域的"常驻"赤潮物种。本文通过系统综述胶州湾浮游植物和赤潮物种的生物多样性,为利用宏条形码和宏基因组等方法跟踪研究胶州湾和其他海域的浮游植物和赤潮物种的演化奠定了基础。     

胶州湾的潮汐与潮流

胶州湾是我国沿海的一个重要港湾,长期以来对其进行了较多的调查研究工作。大港验潮站自1926年起开始观测(1936-1946年曾中断),目前已积累了44年的长期水位资料。山角底验潮站自1967年开始观测,也积累了16年的水位资料。我们还系统地搜集了我所1958-1959年在薛家岛、东洋嘴、团岛、麦岛、大公岛分别进行的四个月、两个月及半个月的观测资料,以及山东海洋学院1975年在红岛船厂(阴岛)、黄岛客运码头分别进行的三个月及两个月的水位观测资料和团岛湾、后岔湾、大石头等地的潮汐调和常数。此外,我们还搜集了胶州湾及其附近海区共二十三个测站的海流连续观测资料,其中十九个站的资料是由我所在1957-1959年观测的,三个站是1982年“全国海岸带调查”中测得的,另一个站是华东水利学院提供的资料。这些测站,除六个站为一昼夜连续观测外,其余十七个站均为二昼夜以上连续观测(有一个站为十五昼夜连续观测)。观测站位见图1。 我们把搜集到的这些潮汐、潮流资料进行了调和分析,得到了各主要分潮的调和常数及潮汐、潮流特征值。本文以此为基础,结合实测资料,分析了胶州湾潮汐、潮流的基本特征。     

应用物质平衡模型模拟一个半封闭海湾的营养结构和能流特征

The marine ecosystem of the Jiaozhou Bay has degraded significantly in fisheries productivity and its ecological roles as spawning and nursery ground for many species of commercial importance has been declining in recent years. A mass-balanced trophic model was developed using Ecopath with Ecosim to evaluate the trophic structure of the Jiaozhou Bay for improving ecosystem management. The model were parameterized based on the fisheries survey data in the Jiaozhou Bay in 2011, including 23 species groups and one detritus group according to their ecological roles. The trophic levels of these ecological groups ranged from 1(primary producers and detritus) to4.3(large demersal fishes). The estimated total system throughput was 12 917.10 t/(km~2·a), with 74.59% and25.41% contribution of the total energy flows from phytoplankton and detritus, respectively. Network analyses showed that the overall transfer efficiency of the ecosystem was 14.4%, and the mean transfer efficiency was 14.5%for grazing food chain and 13.9% for detritus food chain. The system omnivory index(SOI), Finn's cycled index(FCI) and connectance index(CI) were relatively low in this area while the total primary production/total respiration(TPP/TR) was high, indicating an immature and unstable status of the Jiaozhou Bay ecosystem. Mixed trophic impact analysis revealed that the cultured shellfish had substantial negative impacts on most functional groups. This study contributed to ecosystem-level evaluation and management planning of the Jiaozhou Bay ecosystem.     

胶州湾地磁场特征及其工程地质意义

通过对胶州湾进行大比例尺磁力测量,绘制了胶州湾磁力异常图。胶州湾磁异常呈以下特征：在胶州湾中北部为变化较平缓的正磁异常区,梯度变化较小。西部则是NW向条带状强磁变化异常区,磁异常正负变化剧烈,呈明显的条带状展布。胶州湾东北角磁异常则表现为团块状分布,并以正异常为主。南部表现为混合异常,上部(大致为胶州湾最中间地带)磁异常为近东西向条带状展布,而胶州湾南部基本呈NE向正负相间分布。上述磁异常现象表明,胶州湾的断裂构造比较发育,在NE向断裂构造大背景下,从磁异常分布图上可以清楚地判别出NW向及近东西向断裂分布,这些断裂对胶州湾的工程建设将产生不利的影响。     

近岸溢油漂移扩散预测方法研究——以胶州湾溢油事件为例

近些年,由于中国经济的高速发展,原油需求逐年增长,同时海上溢油事故发生的风险也在加剧。海上溢油会严重破坏海洋环境,危害我国经济发展,加强溢油漂移扩散预报研究能够为海上溢油应急响应提供技术支撑。因此,国家海洋信息中心研发了海上突发事件应急一体化预测预警系统。该系统基于GIS平台研发,能够在二维电子海图基础上叠加相关的海洋环境动力要素信息,模拟溢油扩散和漂移态势,同时计算剩余油量,估算溢油面积以及岸线吸附程度等。2013年11月22日,山东黄岛发生输油管道爆炸事故,造成大量原油溢入胶州湾。本文利用该系统结合高分辨率大气模型WRF的三重嵌套技术和海流模型SELFE的非结构化网格加密技术,对事故溢油漂移扩散开展了预测工作。预测结果显示,油污受胶州湾内往复流的影响极大,72 h后,胶州湾内外大部分海域都将存在油污,主要集中在黄岛沿岸海域、团岛及浮山湾附近,预测扫海面积为70.32 km2。经海事部门高分辨率卫星观测结果印证,系统模拟的溢油分布较为合理。该系统的业务化应用为相关海上溢油污染应急工作提供了一定理论依据和参考。     

胶州湾近期海岸线、水深变化研究

以胶州湾1952,1985和2005年的海图为依据,对海岸线位置、海岛、海礁、等深线及水深等自然信息数字化后,对胶州湾近期海岸线、水深的变化进行了分析.研究表明,1952年至今胶州湾海岸线由自然岸线向人工岸线不断转化,岸线长度一直呈现为减少的趋势;1952年至今胶州湾海岸线长度减少了30.39%.1952-1985年之间胶州湾2,5,10 m水深区域面积减小,而20 m水深区域面积基本保持不变.而1985-2005年之间胶州湾2 m水深区域面积有少量减小,但5,10,20 m水深区域面积均有少量增加.水利工程、围海工程和自然环境的变化是引起胶州湾岸线和水深变化的重要原因.     

胶州湾沉积环境演变的分析

从剖析表征沉积环境演变的生物学、地质动力学以及地球化学指示因子入手,系统总结了近年来胶州湾沉积环境演变研究的进展,揭示了诸如有孔虫、沉积物粒度、生源要素、污染物及有机质等众多指示因子以及它们的相关组合与环境演变的关系。综合分析表明,胶州湾沉积速率较低,属于缓慢淤积的海湾,是一个典型的潮汐汊道系统。胶州湾的沉积环境演变分为4个阶段:陆相、三角洲沼泽相、海陆过渡相和海湾相。在过去的50 a中,特别是近20 a来,由于受人类活动与工业排污的影响,胶州湾的沉积环境发生了显著的变化,海域面积大大减少,陆源输入已经成为胶州湾沉积物的主要来源,沉积速率不断增加,局部海域特别是河口附近污染加重。这些变化都是通过各种生物、地质动力和地球化学因子来综合体现的。     

胶州湾及其邻近海域潮流和污染物扩散的数值模拟

采用曲线网格技术，将ECOMSED模式应用于胶州湾的潮流和污染物COD的稀释扩散研究，建主了一个三维保守污染物COD输运的对流扩散数值模型，对胶州湾M2分潮和COD污染状况进行了模拟。结果表明，胶州湾及其附近海域存在许多大小、强弱和旋转方向不同的余流涡；湾内COD浓度东部比西部高，湾口外的COD浓度等值线成舌状分布，向东伸展；余流和COD浓度垂向分布差异并不显。模拟结果与胶州湾的实测资料符合较好。     

基于无监督机器学习的胶州湾海底工程环境适宜性综合评价

海岸带工程地质环境的稳定性对于海洋工程的建设安全和沿海经济繁荣十分重要。在胶州湾海域已有地质、水文等数据的基础上,对胶州湾海底工程环境适宜性进行了分区。通过无监督机器学习的谱聚类算法,构建了胶州湾海底工程环境适宜性综合评价模型。结果表明,胶州湾整体工程环境适宜性趋势为北高南低,从北向南依次可分为适宜性高、适宜性较高、适宜性较低和适宜性低四个区域。相关性分析表明,影响胶州湾海域海底工程适宜性的因素从高到低依次为冲淤分布、沉积物类型、坡度、第四系沉积物厚度、水深、海流流速、断裂分布。本研究可为胶州湾工程环境和地质灾害预防提供参考,有助于海洋工程环境稳定和经济安全保障。     

胶州湾北部水域浮游植物研究Ⅰ——种类组成和数量变化

根据 1995年 3月至 1996年 1月胶州湾北部水域调查资料 ,对调查区浮游植物种类组成、细胞数量、优势种组成和季节变化进行了分析研究 ,并与历史资料进行了比较。结果表明 ,浮游植物主要由硅、甲藻组成 ,其中硅藻在细胞数量和种类上都占优势 ;浮游植物细胞数量平面分布的总趋势依月份而异 ;季节变化属双周期类型 :高峰期出现在 1月和 9月 ,低谷期出现于 5月和 11月 ;与历史资料不同的是 ,网采浮游植物的种类和细胞数量都呈现出不同程度的下降趋势。