先锋孤立子生成的理论平均波阻 Ⅱ.数值研究

基于fKdV方程系数的正则特性，以二维两层流的先锋孤立子生成问题为算例，用数值方法对本文部分（Ⅰ）中的理论平均波阻，能量劈分及能量劈分比进行检验。从理论与数值结果的比较知，理论与数值结果符合得很好。这表明本文部分（Ⅰ）中的理论平均波阻，能量劈分及能量劈分比可用于先锋孤立子生成参数的预报，也表明本文部分（Ⅰ）中的理论可推广应用于二维非线性强迫系统。     

Generating Velocities in Precursor Soliton Generation in a Straight Channel with Arbitrary Cross Section

利用准三维的ｆＫｄＶ方程及四区间划分法,理论上求得了先锋孤立子生成诸速度—先锋孤立子的运动速度、压水区中流的速度及尾波列第一个跨零点的速度。所述理论是Ｘｕ等人的先锋孤立子生成理论的一个推广。作为应用的例子,运用作者得到的理论结果,对具有相同截面面积的等腰三角形和正方形截面的直渠中先锋孤立子生成的诸速度进行了理论预报和数值比较。比较指出,理论和数值结果吻合得很好。     

任意截面直渠中先锋孤立子生成问题中的生成周期和振幅(英文)

借助任意截面直渠中的ｆＫｄＶ方程,理论上确定了先锋孤立子生成的平均特性。基于任意截面直渠中的ＡｆＫｄＶ方程,求得了先锋孤立子生成问题中的理论生成振幅和周期。作为例子,文中预报和比较了正方形和等腰三角形断面直渠中的生成周期和振幅。并且,理论研究也证实,对于正方形渠,当渠宽ｂ＝１时,所得的结果可退化为Ｘｕ［１］等人的结果。     

问题中的理论平均波阻(英文)

利用准三维的ｆＫｄＶ方程和四区间划分法,理论给出了任意截面的直渠道中先锋孤立子生成的理论平均波阻和区间平均能量的时间变化率。基于ｆＫｄＶ方程系数的正则性,文中结果是Ｘｕ等人结果的一个推广。对具有相同截面面积的正方形和等腰三角形截面的渠道及在不同强迫源和强迫源速度条件下,对理论平均波阻和平均生成能的时间变化率进行了数值比较和理论预报。比较指出,理论和数值结果吻合得很好。     

单层流驱动超临界孤立子的数值计算

用ｆＫｄＶ模式方程对单层二维表面波进行直接的数值研究。计算得出，在共振区域先锋孤立子的生成与Ｔ、Ｙ．Ｗｕ（吴耀祖）及Ｓ．Ｊ．Ｌｅｅ等人的结果相同。在共振点与超临界转向点之间，对每一个Ｆｒ数存在初始不稳定的单峰孤立子，其振幅随时间增加。当Ｆｒ数接近共振区时，初始孤立子分裂成先峰孤立子，即先峰孤立子生成是占优的。当Ｆｒ接近超临界转向点时，这类初始不稳定孤立子最终破碎。当Ｆｒ超过超临界转向点时，存在一类稳定的超临界孤立子，其振幅不随时间变化，但是它得自时间相关方程。这类孤立子位于驱动力上方，它的振幅随Ｆｒ的增加而减少．由于它不同于自由ＫｄＶ孤立子，因此本文称之为超临界驻定孤立子。     

单一海脊地形对海洋内波生成与传播影响的分析

在海洋内波多发区,海底地形变化是影响海洋内波生成、传播和演化的重要因素。本文基于不可压缩原始N-S方程,在非静压近似条件下,通过建立适应于非线性海洋内波研究的非静压海洋动力学模型,并将其应用于正压潮驱动下的内孤立波生成和传播的数值模拟研究。根据模拟结果,研究了一类单海脊地形拓扑结构变化对内孤立波生成和传播的影响;分析并讨论了地形拓扑结构参数变化与生成的内孤立波传播至特定位置的抵达时间、强度等特征参数之间的变化关系;提出内孤立波生成之前在海脊一侧形成"L-下陷"结构的观点,并揭示了与该观点相合的能量"积聚"和"释放"机制。     

理论最低潮面定义和算法的应用问题分析

分析了理论最低潮面定义的可能最低潮面含义，研究了定义实现算法的差异，发现了长周期分潮改正公式的错误。验潮站深度基准面的重新计算结果与采用值比较表明，在多数验潮站二者存在明显差别。指出在数字化海洋空间信息构建过程中，重新确定各站意义一致的深度基准面具有必要性。     

基于MCC理论的内孤立波数值模拟

基于MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口条件,结合理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成与传播的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值水槽方法。在系列数值模拟基础上,获得了内孤立波设计振幅与数值模拟振幅之间的相关关系,实现了在振幅可控条件下的内孤立波数值模拟。结果表明,在极限振幅范围内,数值模拟所得内孤立波波形均与MCC理论解吻合良好,而KdV(Korteweg-de Vries)和mKdV(modi-fied KdV)理论解只适用于小振幅的情况。同时,利用CFD数值模拟结果,对内孤立波诱导流速场特性进行了分析,结果表明内孤立波诱导水平速度在上层及波面下方流体层中垂向衰减很小,但在内界面与波面之间流体层中垂向衰减明显。     

南海北部a波和b波的生成与传播特征的数值研究

本文基于真实地形、潮汐的高分辨率三维MITgcm海洋环流模式，对南海北部a波（大振幅波列形式）和b波（孤立子形式）的生成与传播特征进行了数值研究。首先，我们总结和分析了这些波动的生成与传播特征。然后我们计算了吕宋海峡的能量收支。能量的生成在一天内有三个极大值，其中最大值对应a波的生成。吕宋海峡西边界的能通量一天内有两个极大值，较大的那个对应a波的生成而另一个对应b波的生成。我们设计了敏感性试验来探究吕宋海峡东西海脊对a、b波的生成和传播造成的影响。通过对比敏感性实验和标准试验的结果，发现对于a波的生成东海脊必不可少，但西海脊几乎没有影响。西海脊削弱了a波的振幅但未对a波波速造成明显的影响。b波来自于从东海脊生成的扰动信号。西海脊加强了这个扰动信号但减慢了它的传播速度。     

有限深两层流体内孤立波非线性数值模拟入口边界条件研究

基于有限深两层流体KdV(Korteweg-de Vries)、eKdV(extended KdV)和MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口边界条件,采用理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法。以系列数值模拟结果为依据,结合内孤立波非线性和色散参数的组合条件,给出了选择合适内孤立波理论解作为CFD数值模拟入口边界条件的方法,从而实现了振幅与波形可控的内孤立波完全非线性数值模拟。     

缓坡地形上内孤立波的破碎及能量分析

在大型重力式分层流水槽中对内孤立波沿缓坡地形的演化特征进行了实验研究,利用分层染色标识方法和多点组合探头阵列技术对其传播特性做了定性分析和定量测量。实验表明:下凹型内孤立波沿缓坡地形传播过程中的破碎先从波背部发生,继而演化出上凸型内孤立波;内孤立波破碎不仅与入射波波幅相关,而且受到地形坡度的强烈影响;入射波幅参数??0.4是内孤立波不稳定及破碎的实验判据,内孤立波能量损失出现跃升是其发生破碎的重要特征。研究进一步获得了内孤立波沿缓坡地形的三维演化结构、破碎发生条件和能量变化特性,对于复杂海洋环境中非线性内波传播特性认识及其动力学建模具有重要的科学意义。     

台湾岛东北海域潮致内孤立波二维数值模拟

现场观测和卫星遥感SAR图片均表明,台湾岛东北海域存在大量复杂的、无规则的内孤立波(列)。本文采用完全非线性非静力平衡的MITgcm模式,分别采用M2和K1分潮驱动,对该海域内孤立波的生成过程及其机制进行了二维数值模拟研究。研究揭示,该海域的内孤立波主要源于附近2个海槛处的潮地相互作用。正压潮流流经海脊时会激发内孤立波,潮流由退潮转换为涨潮时激发西向传播的内孤立波,由涨潮转换为退潮时则激发东向传播的内孤立波。通过对潮汐偏移及地形弗鲁德数的分析表明,内孤立波的产生机制是混合山后波机制。在海槛西侧,内孤立波在涨潮时向西传播,在落潮时受背景潮流的限制,西传速度明显减慢,甚至停滞;在海槛东侧,存在东传的第二模态内孤立波,并最终在向深海传播过程中逐渐消亡。本文设计了6个敏感性试验,以考察不同因子对内孤立波的生成和传播过程的影响。不同分潮驱动的数值实验表明,此区域的内孤立波主要是由半日分潮M2引起的,由于靠近全日分潮的临界纬度,单独的K1分潮不激发内孤立波。其他敏感性实验显示,海水层化对内孤立波的生成和传播有较大影响;科氏力对内孤立波的传播速度有一定的影响。     

基于机器学习的内孤立波波要素关系研究

内孤立波在海洋中的传播会携带能量和动量,不同振幅的内孤立波对海洋中的能量交换及海上工程等影响也不同,因此,研究内孤立波振幅与半波宽度、水深、分层条件、密度等水文特征参量之间的关系显得尤为重要。以往在研究中建立内孤立波振幅与它们之间的关系时,会受到不同理论有效适用范围的限制。本文借助实验室的水槽方法,设计了不同的水深、分层及密度条件下的内孤立波系列综合实验,发现内孤立波的振幅与半波宽度、水深、分层条件以及水体密度等参量之间并非简单线性关系。因此,利用机器学习的方法建立内孤立波振幅与上述参量之间的非线性关系,建立了支持向量机（SVM）和随机森林（RF）两种机器学习模型。将1 266组实验数据建立样本库,其中包含训练集970组,测试集296组,对模型进行参数调优,最终通过测试集验证,SVM模型的平均相对误差为17.3%,RF模型的平均相对误差为15.5%。该方法适用于多种不同的水文条件,有效解决先前理论存在的适用性问题。     

两层分层流体中初始内孤立波分裂的数值研究

本文导得了1个研究内波分裂的射线型二维KdV方程。利用这一方程的一维退化方程进行了实验室尺度下孤立子型内波分裂的数值研究。数值结果表明,深水区的初始内孤立波和实测的内孤立波(内潮)在通过陆坡区时都会产生分裂,并在陆架上(浅水区)生成一内孤立子波列。这表明在实际海洋条件下,深海区内潮的分裂是陆架上海洋内孤立子波包(或波列)生成的主要机制之一。     

孤立子型热源强迫——导致局地副高单位体增强的一种可能机制

结合夏季东亚大陆季风雨带强对流降水过程中局地凝结热强迫作用的天气实际，从动力学上探讨了这类局地热源扰动的强迫作用对该地区位势场和风场的影响及其可能出现的天气系统的响应模态。研究结果表明，局地“狭窄”的准孤立子型的热力强迫作用可以激发出较为“宽广”的准孤立子型的位势场和风场的响应，从而对夏季东亚大陆梅雨期间局地范围内副高单体的生成和增强机制提供了一种可能的动力学途径，同时也对分析和预报夏季西太平洋副     

基于机器学习的内孤立波遥感探测研究综述

海洋内孤立波是一种在稳定层化海水内部广泛分布的波动,对物质能量传输和海洋环流具有重要作用,也对海洋工程建设和舰船航行安全产生了重要影响。机器学习技术利用数据训练模型,使计算机具备学习和改进性能的能力,在图像检测、分割和预测等领域得到广泛应用。探讨了机器学习在内孤立波检测识别、参数反演和传播预测方面的应用,并指出当前研究中存在的问题,如内孤立波数据集和专门算法研究不足等。最后,分析了机器学习在内孤立波研究中的未来发展趋势。     

基于FLUENT的内孤立波质量源造波方法

为研究内孤立波质量源数值造波方法,本文采用两个点源形式的质量源,分别放置于两层流体的上下层中作为内孤立波激发源。推导源项表达式,从不可压缩流体的Navier-Stokes方程出发,结合内孤立波Kd V、e Kd V理论,基于商业软件FLUENT发展了一种内孤立波质量源数值造波方法。通过数值模拟,分析了质量源造波过程中内孤立波的生成过程,并将数值模拟结果同理论及实验作对比。结果表明:基于此方法生成的内孤立波波形、波高及波致水平速度与理论及实验吻合度较好,该方法是可行的,并且耗时短、效率高。     

南海北部内孤立波SAR遥感反演的初步研究

应用海洋内孤立波2层流体模型的SAR遥感反演技术,对南海北部内孤立波SAR遥感反演进行了初步研究.对于不存在由同一波源生成的2个内孤立波波包的SAR遥感图像资料,可以利用Levitus等的月平均温盐资料确定跃层深度和约化重力加速度,进而确定内波波速并进行内波振幅的反演.这样能够充分利用宝贵的SAR图像资源.     

浮式生产储油系统内孤立波载荷特性实验

将置于大尺度密度分层水槽上下层流体中的两块垂直板反方向平推,以基于MCC理论解的内孤立波诱导上下层流体中的层平均水平速度作为其运动速度,发展了一种振幅可控的双推板内孤立波实验室造波方法,并对内孤立波作用下浮式生产储油系统(FPSO)的载荷特性开展了系列实验。结果表明,无因次内孤立波水平力和力矩幅值均与先导内孤立子无因次振幅之间呈线性关系,其斜率与上下层流体深度比有关;在各种上下层流体深度比下,无因次内孤立波垂向力幅值与先导内孤立子振幅之间近似呈幂函数关系。     

海浪同化预报模型理论基础

将共轭变分同化方法应用于LAGFD－WAM海浪数值模式，导出了海浪谱能量平衡方程的共轭方程以及风输入、破碎、底摩擦、波波非线性相互作用和波流相互作用的相庆共轭源函数，建立了海浪同化模型，数值计算仍采用特征线嵌入计算格式，为合成孔径雷达波谱反演资料和卫星高度计有效波高资料同化奠定理论基础。