闽江口河网二维潮流数学模型

应用“河网正交贴体坐标”技术拟合闽江河口多汊道河网，将网格控制在河道有效区域内，使网格空间步长大大缩小，提高了计算的可信度，应用“矩阵追赶法”和“非线性二维潮流模型”等求解方法，很好地模拟了闽江河口复杂的潮流场，计算时间步长可长达10min。该数学模型已在闽江口等多个工程中得到应用，效果良好。     

潮流数值计算ADI方法的研究

依靠数值试验的方法,作者研究了有关用ADI方法模拟潮流场变化过程时的稳定性、收敛性和计算精度的问题。针对糙率、科氏力、初始水位、时间步长和水深对稳定性的影响,进行了大量的计算。结果表明:由公式求得的β作为计算结果的精度的判别参数是合理的,而β作为计算的稳定性的判别参数就不太适用了。     

南海海流数值模拟——Ⅱ.南沙邻近海域春季典型月平均流

以二维全流模式对南沙群岛邻近海域春季典型月平均流进行数值模拟。计算网格的空间步长为50km,时间步长取4min和20min两种。前者用于计算适应过程,后者用以计算发展过程和耗散过程。数值模拟结果表明,计算流与实测流基本相符。     

杭州湾南岸浅滩的漫滩潮流数值模拟

在杭州湾浅滩上采用底座式ADCP测得单点的漫滩潮流流速、流向及同步水位的变化过程,并在此基础上建立平面二维潮流数值模型,分析整个潮滩上的漫滩潮流过程及其特征。在模型漫滩边界上采用向上取水位值的处理方法,使得模型计算稳定,并获得了稳定逼真的漫滩潮流模拟结果。模拟结果表明:漫滩潮流模拟过程与实测资料基本一致。因此在漫滩潮流模拟中向上取水位值的边界处理方法是可行的。研究成果为漫滩潮流的数值模拟提供了一种较实用的漫滩边界处理方法。     

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。     

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。     

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误差的传播,采用高效的迭代格式提高运算速度,建立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。     

长江口海域潮流场数值模拟

本文使用二维非线性模式作了长江口海域潮流场数值模拟,该海域系半日潮为主,故仅考虑M₂和S₂两个主要分潮,时间步长为310秒,空间步长为5海里,计算和现场观测值拟合得很好,分析1/12T—T的整个潮流场表明,存在两个不同的潮流系统,即外海(122°E以外)的顺时针向潮流和长江口门附近的往复潮流(122°E以内),涨潮流历时小于落潮.     

长周期动力形态模型中地形演变方法探讨

PRD-LTMM是一个模拟和描述三角洲地形中、长期演变过程的动力形态模型.在长时间尺度的模拟过程中,必须从模型输入、模型物理系统本身到模型输出等各个角度考虑模拟约减处理.代表性输入条件是实现模型约减的基础,而地形时间的步长延长是提高长周期模型模拟效率的关键.延长技术通常有直接推延、时间中心推延、潮汐延展及泥沙输运率公式线性化等四种方法.通过系列敏感性试验,对PRD-LTMM模型选择潮汐延展技术来进行地形时间步长的延长处理,推延的时间长度为10 a,基于此条件下的PRD-LTMM在长周期模拟中不仅稳定性较好,而且结果也较精确.     

渤海潮混合数值模拟——Ⅱ.渤海主要半日分潮数值模拟中有关问题的处理

正确地模拟出渤海潮流场是解决渤海污染扩散数值计算的关键问题,而在潮波数值模拟中,主要是如何正确地选取适合渤海区域自然条件的糙度系数和水平粘滞系数。我们采用数值模拟的方法,求出了渤海潮波数值模拟较好的糙度系数和水平粘滞系数,并对数值模拟中选用的空间网格大小、时间步长以及不同边界的划分进行了数值试验。另外,     

The morphodynamic modelling of tidal sand waves on the shoreface

An artificial sand wave on the Dutch shoreface of the North Sea has been studied in conditions with relatively strong tidal currents in the range of 0.5 to 1 m/s and sediments in the medium sand size range of 0.2 to 0.5 mm. The sand wave is perpendicular to the tidal current and has a maximum height and length of the order of 5 m and 1 km, respectively. The sand wave is dynamically active and shows migration rates of the order of a few metres per year. A numerical morphodynamic model (DELFT3D model) has been used to simulate the morphological behaviour of the sand wave in the North Sea. This model approach is based on the numerical solution of the three-dimensional shallow water equations in combination with a surface wave propagation model (wind waves) and the advection–diffusion equation for the sediment particles with online bed updating after each time step. The model results show that the sand wave grows in the case of dominant bed-load transport (weak tidal currents; relatively coarse sediment; small roughness height; low waves) and that the sand wave decays in the case of dominant suspended transport (strong currents, relatively fine sediment, large roughness height; storm waves).     

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     

渤海的潮波系统及其变迁

采用二维非线性潮波微分方程对渤海M_2、S_2、K_1、O_1四个分潮进行数值模拟,得出四个分潮的潮波图,椭圆长短轴图,同潮流时图以及潮汐、潮流性质图和S_2与M_2、K_1与O_1的迟角差图。依此可以系统地了解渤海潮波系统的分布变化规律。依据30～40年代测得的渤海海图以及假设数十年后渤海的岸形对渤海进行数值模拟,从而了解过去和现在渤海潮波的变化情况,以及对未来潮波的变化作出判断。计算表明,从30年代到70年代以来,渤海南部的半日分潮波发生了很大的变化,而日分潮的潮波变化较小。     

黄海的风、潮混合特征及其对冷水团边界的影响

本文第一作者早在1985年就提出,潮混合效应控制着夏季黄海冷水团的边界及海面冷水分布(赵保仁,1985)。1987年又进一步通过水文调査资料和卫星图片给出了黄海周围的浅水陆架锋(或称潮汐锋)的分布及强锋区的跨锋断面中的温度、盐度和坏流结构特征,并指出夏季的黄海沿岸流在性质上属沿锋面运动的强流(赵保仁,1987a,b),而后又对黄海西部的陆架锋进行了一次专门调査(赵保仁等,1991)。此外,他还指出黄海的强温跃层的形成和转移现象也与潮混合现象密切相关(赵保仁,1989)。因此,研究潮混合现象对阐明发生在黄海的多水文物理现象都是至关重要的。 为深入了解黄海的潮混合特征,作者把渤海、黄海和东海作为一个整体完成了一次精度较高的潮汐、溯流数值计算,在潮汐、潮流的分布方面,揭示了前人尚未阐明的一些特征。本文根据这些数值结果,计算了近最大潮流流速和层化参数,阐明了渤海、黄海和东海的潮混合特征及其对降温期黄海冷水团分布变化的影响。此外,还用 Sim pson等人(1981)的能量模式计算了南黄海西部的风、潮混合效率。     

潮波方程数值格式与摩阻系数选取

基于一维阻尼潮波传播方程解析解,从求解数值格式及Heuristic稳定性分析方面,讨论了数值解的精度、计算耗时和摩阻系数选取等问题。研究结果表明:1)Courant数小于1时,潮波方程显格式解的精度略高于隐格式解,计算耗时少于隐格式解;2)为减少计算耗时,潮波方程的隐格式解允许较大的时间步长,但解的精度有所降低,须通过减小底床摩阻系数以保证计算精度;3)隐格式解摩阻系数的选取与Courant数有关,Courant数越大,摩阻系数的选取值比实际值越小,通过理论分析结合数值试验得到了相应的关系式。这些研究结论对实际海域的潮波传播的数值模拟具有重要的应用价值。     

湍能封闭模型在渤海潮流模拟中的应用

将一个三维湍能封闭模型应用于渤海潮流模拟，通过流速分解的初边值方法，计算了渤海全海区潮波系统、潮流结构，结果与观测符合较好。计算同时给出了湍粘性系数和湍动能的时空分布，比较常湍粘性系数和湍的垂直抛物分布及湍能封闭模拟表明，湍粘性系数的不同选取会对流场结构有显著影响。     

A new approach to the local time stepping problem for scalar transport

A new scalar transport method is proposed to reduce computational time when a large number of scalars are transported in coupled hydrodynamic-ecosystem models. The new Local Mass Transport (LMT) method confines subtime transport computations to regions where the local Courant–Freidrichs–Lewy (CFL) number exceeds a given numerical stability criteria for a global (large) time step, but the method does not require either contiguous regions or special boundary algorithms between regions as used in previous Local Time Stepping (LTS) approaches. The new method uses conservative transport of mass rather than dissolved concentration. This approach allows different faces of a single grid cell to use different subtime steps. The new LMT method is further extended to include background filtering (LMTB) so that scalars below a pre-defined background concentration are ignored in transport calculations. This new approach can further reduce computational time where large regions are at or below an irrelevant background concentration. Both LMT and LMTB methods can be more computationally efficient than global subtime stepping.     

平面二维流场中质点运动的可视化

对平面二维流场中质点运动的可视化进行了研究,提出了一种适用于三角形非结构化网格系统中质点运动轨迹的跟踪算法,利用数值计算方法的稳定性限制条件对质点位置的搜索算法进行了优化,极大地降低了算法的时间复杂度,提高了计算效率,采用Shepard插值法求解质点的速度,四阶龙格库塔方法积分质点的运动轨迹,选用Visual Fortran语言实现了质点运动的动态显示,将本文方法与平面二维潮流模型相结合,用于渤海潮流场中质点运动规律的研究,初步得出了渤海中质点运动和水效换的一些规律。     

黄海在有无潮作用下对“布拉万”不同响应的数值模拟研究

黄海是典型的强潮驱动的陆架浅海。为了研究黄海对台风的响应特点,本文利用区域海洋模式(Regional Ocean Modeling Systems,ROMS)分别模拟了在有潮和无潮作用下黄海对台风"布拉万"的响应过程。结果表明,不管潮存在与否,"布拉万"经过黄海后都引起了海表面降温和流速的近惯性振荡响应,这种响应主要分布于黄海中部较深区域,带通滤波提取的近惯性流速具有垂向第一模态特征。同时,研究发现强背景潮流能显著地影响黄海对"布拉万"的响应过程。主要结论如下:一方面,由于潮的存在,近岸垂向混合均匀的较暖水体与远岸较冷水体之间会形成潮混合温度锋面,"布拉万"过后,暖水发生了明显的离岸扩张,尽管路径右侧的混合层降温更显著,但是左侧即黄海西岸的暖水扩张更明显;另一方面,潮的存在减弱了布拉万产生的近惯性振荡响应,半日潮流在黄海仍然占据主导地位。在混合层中潮流的作用减弱了"布拉万"产生的近惯性能量,但也使其更易穿过跃层传入黄海内部。     

东海三定点周日海流观测的准调和分析

应用短期资料的潮流准调和分析方法，对东海三定点测站获得的表、中、底3层的25h连续海流资料进行了分析，计算了3测站O1，K1，M2，S2，M4，MS4 6个主要分潮的北、东分量潮流调和常数，并给出了各测站在各层的潮流椭圆要素。计算结果表明：该海区潮流属于正规半日潮流性质，半日分潮流的北分量大于东分量，呈现旋转流的性质，按顺时针向旋转。分析结果也反映出表层、中层的浅水分潮在观测海流中所占的份额高于底层的浅水分潮。结果有助于了解该海区的潮流性质并为潮流数值模拟提供校验实测数据。通过与同期获得的悬浮物浓度剖面数据的比对，将有助于研究潮流与该地区悬浮泥沙浓度分布之间的关系。