渤海海冰漂移过程的数值模拟和试验

建立了一个包含潮流作用的准定常海冰动力学模式，利用实测风资料和计算的潮流场对辽东湾中部的冰块漂移过程进行数值模拟，模拟的冰块漂移过程和实况基本一致。表明模式具有反映冰漂移过程动力特征的能力。通过对各动力因子的数值试验，说明引入潮流作用的必要性，并分析了各动力因子在冰漂移过程中的作用。     

渤海海冰漂移数值研究

本文利用海冰－海洋动力耦合模式对渤海典型天气形势下海冰动力过程作了数值模拟，海冰模式建立在动量和质量守恒基础上，忽略了海冰变化的热力过程。海冰厚度被划分为三类：堆积冰、平整冰和开阔冰，冰的形变由一个厚度的重新分布约束条件确定。海洋模式是一个二维风暴潮模式．同时考虑了潮汐的作用。风场资料来自于沿岸气象观测站每日四次的风观测，计算网格是十分之一经纬度。主要的分析和模拟是在大气和海洋共同作用下海冰的漂流特点。观测结果比较表明，数值模拟结果基本上反映了该海域流冰的漂移性质，同时也可为短期冰情预报提供有益的参考。     

渤海海水漂移数值研究

本文利用海冰－海洋动力耦合模式对渤海典型天气形势下海冰动力过程作了数值模拟，海冰模式建立在动量和质量守恒基础上，忽略了海冰变化的热力过程。海冰厚度补划分为三类：堆积冰、平整冰和开阔冰，冰的形变由一个厚度的重新分布约束条件确定，海洋模式是一个二维风暴潮模式，同时考虑了潮汐的作用。风场资料来自于沿岸气象观测站每日四次的风观测。计算网络是十分之一经纬度。主要的分析和模拟是在大气和海洋共同作用下海洋的漂流     

秦皇岛近岸海域保守污染物漂移的数值模拟与分析

采用FVCOM数值模型的水动力模拟结果为拉格朗日粒子追踪漂移模型提供背景潮流场,模拟了秦皇岛近岸7个河口保守污染物在风和潮流作用下的漂移轨迹,分析了两种作用对污染物在近岸运移轨迹的影响关系。结果表明:无风状态下,以金山嘴为界,金山嘴以南各河口粒子漂移距离相对较长,受到近岸潮流的影响,粒子运动轨迹与秦皇岛近岸流场走向相符;1级风力下,漂移轨迹顺着潮流的方向移动,漂移距离甚至会小于无风状态,尤其是1级风力下的NE风和NWN风;在2-3级风力下,风的去向即为粒子漂移的方向,风力越大漂移距离越远、漂移范围也越大。     

海冰动力学过程的数值模拟

讨论了海冰动力学性质并阐述决定海冰漂移的动量平衡,冰脊和水道形成及确定冰应力与形变、强度之间关系的海冰流变学.提出了模拟海冰动力学过程的数值模式,模式中冰厚分布由开阔水、平整冰和堆积冰3种要素表示.在这3要素的预报方程中引入形变函数,采用一种参数化方法模拟冰脊和水道.为了表示冰内相互作用,将海冰作为一种非线性粘性可压缩物质,采用粘-塑性本构关系.本文还概述和讨论了模式中所采用的数值方法,应用此模式模拟了渤海、波罗的海的波的尼亚湾和拉布拉多海的冰漂移.渤海冰漂移模拟结果明显地显示出潮周期变化,还模拟了渤海的冰脊和水道,进行了海冰流变学参数的敏感性试验.并将此冰模式与大气模式和边界层模式联接,给出渤海海冰预报结果.     

渤海潮汐对冰作用的数值模拟

为研究渤海潮对海冰运动的作用,将渤海海冰模式与Ｂｌｕｍｂｅｒｇ的ＥＣＯＭ－ｓｉ模式通过动力作用联结,构成一种海冰一海洋动力耦合模式。应用上述耦合模式对渤海冬季潮流对冰的动力作用进行模拟研究,得出了渤海海冰运动的一些显著特征。     

块状冰对螺旋桨水动力性能的影响

基于重叠网格模型,通过非定常RANS数值模拟与结果分析,研究了块状冰的尺寸、轴向运动和冰桨位置对螺旋桨水动力性能的影响。选用切割体网格绘制整体静止计算域的背景网格,之后结合棱柱层网格绘制螺旋桨子计算域和冰块子计算域的重叠网格,不同的计算域之间通过两者的重叠区域进行数据传递和插值。计算结果显示,当冰块固定在桨前时,螺旋桨产生的非定常推力和扭矩均以叶频为基频进行周期性变化,而且两者的时间平均值和振幅主要受冰块在螺旋桨盘面内的轴向投影面积、冰桨轴向位置和冰桨水平位置的影响;当冰块在桨前沿轴向匀速靠近螺旋桨时,冰桨轴向距离逐渐变小,冰桨周向相对位置发生周期性的变化,使得推力和扭矩两者均以叶频振荡,而且两者的时间平均值和振幅均随着冰桨轴向距离减小而增加。     

青岛港码头溢油风险分析研究

本文采用油粒子模式,在模拟潮流的基础上分别预测了青岛港溢油油膜在静风,冬、夏主频风和不利风向4种情况下的动态漂移过程.通过对油膜运动漂移过程的模拟,具体分析了溢油发生后对周边的敏感目标产生的影响,从而为应急计划的制定提供一定的导向作用.     

黄海浒苔漂移输运模式的建立与应用

本文利用NCEPGFS预报风场和中国近海高分辨率三维MASNUM海浪-潮流-环流耦合海洋数值预报系统的预报数据,建立黄海浒苔漂移输运模式,用于黄海浒苔溯源和漂移输运数值模拟研究。使用2009年5月份黄海表层漂流浮标数据和2012年MODIS卫星遥感浒苔漂移分布资料对所建立的漂移输运模式进行验证,结果表明所建立的模式能够有效的模拟出浒苔暴发区漂流浮标运动状况,并能够有效地模拟出2012年浒苔漂移输运过程。最后运用所建立的模式开展2008年和2010年浒苔漂移输运过程,模拟结果与文献报道的卫星观测结果一致。模拟结果表明,受海洋表层流影响两年浒苔特征显著不同:2010年浒苔影响海域明显小于2008年,且2010年浒苔主体没有大规模在青岛近岸堆积。     

刘公岛海域潮流泥沙数值模拟研究

本文以刘公岛旅游码头扩建工程为例,探索平面二维数值模式MIKE21FM在海洋工程环境影响评价工作中的应用。在MIKE21FM的基础上,建立了刘公岛周围海域潮流场数值模型和泥沙输移数值模型,分析和预测刘公岛旅游码头工程建设前后周边海域的水动力条件和泥沙冲淤状况。数值模拟的潮位、潮流流速和流向与实测资料吻合较好,表明MIKE21FM能精确有效地模拟刘公岛及其周围海域潮流运动过程和特征。对工程建设前后数值模拟结果比较分析,表明工程建成后对周边海域的水动力特征和地形地貌环境影响甚微,为该工程的设计和规划提供技术依据。模拟结果表明,MIKE21FM模式能够模拟实际工程中的复杂流动,可以在海洋工程环境影响评价中推广应用。     

海冰模式和数值预报

根据渤海冰情,在海冰动力学和热力学研究基础上,提出一种海冰动力一热力模式。该模式包括平整冰、堆积冰和开阔水三要素,采用粘一塑性本构关系计算冰内应力。利用参数化方法处理变形函数和热力增长率。该冰模式与潮流模式耦合研究渤海冰－潮相互作用,并与ＥＣＯＭ－Ｓｉ海洋模式耦合进行预报试验。该冰模式与大气模式联接,或应用气象部门数值天气预报产品进行海冰业务数值预报。本文还给出了预报结果。     

基于质点-网格模式的海冰厚度变化过程数值模拟

根据渤海冰情,在海冰动力学和热力学研究基础上,应用一种质点-网格海冰模式于渤海海域.该模式采用了质点-网格法,有效地避免了传统模式的数值扩散问题.该模式采用了冰厚分布函数,用多种类型冰代替用于渤海业务预报的平整冰、堆积冰和开阔水3-level模式.进行理想场的数值试验,模拟冰厚变化动力过程.还使用该模式和业务预报模式对于实际渤海冰情进行了不同个例的预报试验,发现该模式在提高冰外缘线预报精度方面有一定的优势.     

海冰动力过程的改进离散元模型及在渤海的应用

海冰的断裂、重叠和堆积等离散分布特性广泛地存在于极区和副极区的不同海域,并对海冰的生消、运移过程有着重要影响。针对海冰在不同尺度下的离散分布特点,发展海冰动力过程的离散元方法有助于完善海冰数值模式,提高海冰数值模拟的计算精度。为此,本文针对海冰生消运移过程中的非连续分布和形变特性,发展了适用于海冰动力过程的改进离散元模型(MDEM)。不同于传统离散元方法,该模型将海冰离散为具有一定厚度、尺寸和密集度的圆盘单元。海冰单元设为诸多浮冰块的集合体,其在运移和相互接触碰撞过程中,依照质量守恒发生单元尺寸、密集度和厚度的相应变化。基于海冰离散性和流变性的特点,该模型采用黏弹性接触本构模型计算单元间的作用力,并依据Mohr-Coulomb准则计算海冰法向作用下的塑性变形及切向摩擦力。为验证该模型的可靠性,本文对海冰在规则水域内的运移和堆积过程进行了分析,离散元计算结果与解析值相一致;此外,对旋转风场下海冰漂移规律的模拟进一步验证了本文方法的精确性。在此基础上,对渤海辽东湾的海冰动力过程进行了48h数值分析,计算结果与卫星遥感资料和油气作业区的海冰现场监测数据吻合良好。在下一步工作中将考虑海冰离散元模拟中的热力因素影响,发展具有冻结、断裂效应的海冰离散元模型,更精确地模拟海冰动力-热力耦合作用下的生消和运移过程。     

徐圩港区邻近海域溢油模拟分析

利用MIKE21水动力模型对徐圩港区附近海域进行潮流数值模拟,并利用实测资料对模型计算的潮位、流速及流向进行验证。验证结果显示:数模结果与实测值吻合较好。该潮流数学模型可以反映研究海域水动力特性,并作为溢油模块的水动力基础数据。基于欧拉-拉格朗日"油粒子"理论考虑油膜运动过程中扩散、蒸发、乳化等过程,建立了徐圩港区邻近海域二维溢油扩散模型,模拟不同潮时情况下发生溢油,考虑不同风况(夏季常风向、冬季常风向和最不利风向),分析不同情况下的溢油油膜漂移路径、漂移路程及扫海面积。结果表明:72 h内油膜最大扫海面积及漂移路程均出现在落潮期最不利风时溢油,分别为28.2 km2和25.8 km。在夏季常风和最不利风的落潮期发生溢油,油膜会经过口门飘向西北侧海域,对该区域生态环境会造成一定影响。     

董家口港溢油漂移数值模拟

采用油粒子模式,以原油为溢油油种,在模拟潮流的基础上分别预测了董家口30万t码头航道溢油油膜在静风、西北风和不利风向3种情况下的油膜动态漂移过程。对溢油油膜漂移路径及扫海范围的模拟,可为码头溢油应急计划的制定提供一定的导向作用。     

事故性溢油对湄洲湾环境影响的预测

本文采用已建立的湄洲湾潮流场和水质点拉格朗日运动模型，利用概率预测模式，描述一旦发生事故性溢油，海上表面油膜的漂移和扩展过程，预测最大可能的污染海域范围；并建立海上溢油动力模式，探讨连续排放溢油的漂移和扩展过程，通过Mackay公式算出在油膜覆盖下水体的油含量。     

一种冰-海洋模式的热力耦合方案

冰与海洋的热力耦合对冰与海洋环流的模拟有极其重要的影响,是冰-海洋相互作用的一个重要方面.对其精确确定需要详细考虑冰-海洋界面附近的湍流过程,这在长时期的模拟特别是气候模拟中,常受到技术条件的限制.过去的研究常常假设冰下海洋混合层的温度为冰点,特别是在单纯冰模式的模拟中,但考虑海冰漂移和冰点变化的效应时,这一假设是不精确的.因此,弱化冰下海洋混合层温度为冰点的约束,不考虑详细的冰-海洋界面和海洋混合层的湍流过程,根据冰-海洋耦合系统的能量收支关系,设计了一个简化的冰-海洋热力耦合方案.对该方案引起的海洋混合层适应、热力结构和海冰发展的影响进行了分析,并将其用于全球冰海洋耦合模式的数值试验,结果表明,在大气热力强迫下该耦合方案既可使冰区混合层海水温度向冰点适应,又使冰边缘带海水温度与冰点保持明显差异,能够较好地反映冰-海洋热力相互作用.利用该耦合方案构造的全球冰-海洋耦合模式模拟的海冰范围及季节变化与实际观测非常接近.     

兴化湾及周边海域潮流动力特征与数值模拟研究

基于2011年兴化湾及周边海域的流速、流向的观测资料,应用短期资料的潮流准调和分析方法,对海流周日连续观测数据进行分析,探讨海域潮流特征。最后,针对兴化湾岸线复杂、岛屿众多的特点,基于FVCOM数值模式,采用非结构三角形网格,建立兴化湾及周边海域潮流动力数值模型,经实测站潮汐、潮流数据对模拟结果验证,模型能够较好的刻画各测站潮汐、潮流过程特点,反映研究海域流场特征规律,可为该海域海洋环境保护和海洋开发利用提供科学论证依据。     

Research on tidal current characteristics and numerical simulation of the Xinghua bay and the surrounding waters

基于2011年兴化湾及周边海域的流速、流向的观测资料,应用短期资料的潮流准调和分析方法,对海流周日连续观测数据进行分析,探讨海域潮流特征.最后,针对兴化湾岸线复杂、岛屿众多的特点,基于FVCOM数值模式,采用非结构三角形网格,建立兴化湾及周边海域潮流动力数值模型,经实测站潮汐、潮流数据对模拟结果验证,模型能够较好的刻画各测站潮汐、潮流过程特点,反映研究海域流场特征规律,可为该海域海洋环境保护和海洋开发利用提供科学论证依据.     

蓬莱19-3 油田事故溢油数值模拟

利用FVCOM(Finite-volume coastal ocean numerical model)数值模型和MM5风场预报模式,在对渤海海域水动力场进行数值模拟的基础上,基于"油粒子"的欧拉-拉格朗日跟踪法和随机走动原理,并考虑风对溢油油膜漂移扩散的直接作用,建立了海洋溢油油膜漂移轨迹和扩散的数值预测模型。利用建立的模型对2011年6月蓬莱19-3油田事故溢油进行了数值模拟,模拟结果与RADARSAT卫星遥感监测数据相吻合。研究结果表明:在渤海中部地区夏季事故溢油模拟预测中,风漂移因子取0.024最为合理,模型可用于渤海蓬莱19-3油田附近事故溢油轨迹和扩散的快速预报,从而为该区域的溢油事故应急响应提供科学依据。