东中国海HYCOM模式垂向坐标对比研究

基于挪威南森环境遥感中心改进的NERSC-HYCOM 模式, 利用单向嵌套技术与欧洲中心提供的2008 年ERA-I 高分辨率强迫场针对东中国海及其邻近海区进行了不同垂向坐标配置的四个敏感性试验。通过分析东中国海区域的温度、盐度, 流速的分布和变化, 探讨了HYCOM 模式中不同垂向坐标设置对东中国海近岸区域的影响以及黑潮流速及路径对不同坐标设置的响应, 期望对HYCOM 模式更深入的研究提供参考。结果表明: (1)在东中国海区上层并不适于采用等密度坐标方案, 也就是说应该采用z坐标或σ坐标用以表征此处混合层的季节性变化特征; (2)针对东海大陆架区给出了10 个位置上的模式与浮标观测资料的温、盐平均误差(ME)、均方根差(RMS)及相关系数(R)指标, 发现对于不同区域, 每种试验的适用性都不同; (3)使用高频资料时, 模拟的流速普遍偏高, 东海黑潮冬夏路径的异同指出了σ-z-iso 与z-iso 试验模拟效果较好, 但模拟的日本岛南岸的弯曲流场位置偏南; 而z-only 试验模拟的日本岛以南的黑潮路径是有所改观的, z坐标的分辨率对表层的黑潮路径影响很大; σ-only 试验模拟的整个黑潮路径的效果最差。     

三种垂向混合方案对HYCOM模拟能力的影响

基于HYCOM设计了3组数值试验,分别采用KPP(K-Profile Parameterization),KT(Kraus and Turner),MY(Mellor and Yamada)2.5三种垂向混合方案,比较分析了这3种混合方案对全球大洋的模拟能力。结果表明:KPP方案和MY2.5方案模拟的温度场十分类似,在中高纬度几乎一致,在赤道断面上MY2.5方案的最大误差小于KPP方案,对于暖池区SST的模拟MY2.5方案的误差也稍小于KPP方案,但二者的差别并不明显。在模拟赤道潜流时,MY2.5方案暴露出明显不足,其模拟效果要明显差于KPP方案和KT方案。KT方案模拟效果的好坏依赖于混合层底的确定是否准确,其在中高纬度海域的模拟效果要明显优于热带海域。总之,在热带海域,KPP方案的模拟整体效果最好,在中高纬度海域,KPP方案和MY2.5方案差别不大,而KT方案则更适用于中高纬度。     

南海sCHIsM 模式不同垂向坐标研究

基于 sCHIsM 模式建立南海三维流场模式,进行了设置 g 坐标 、sZ 坐标与局地 g 坐标的数值模拟研究。结果表明, 在不加同化条件下, 垂向坐标对南海斜压环流和海温模拟有比较明显的影响, 在越南外海尤为显著, g 坐标和局地 g 坐标能 够较好地模拟出越南外海的涡旋, sZ 坐标对涡旋的模拟效果比较差, 局地 g 坐标对海温的模拟效果最好, 而 g 坐标对海温 的模拟结果最差。总体而言, 局地 g 坐标可以兼顾南海斜压环流和海温模拟的要求。     

混合坐标模式HYCOM模拟COADS强迫下的南海平均环流

采用混合坐标模式(HYCOM)模拟南海环流,同时利用海表温度卫星资料和吕宋海峡Sb-ADCP观测海流数据来评估模式结果.地形敏感性实验表明,吕宋海峡地形数据对模拟黑潮入侵方式影响较大,在地形误差较大的情况下,模拟的黑潮可能以反气旋流套方式入侵.和Pathfinder海表温度卫星资料比较,模式输出的月平均温度在海盆区域误差较小.ERA-15资料强迫所模拟的吕宋海峡上层环流和Sb-ADCP观测一致,而COADS结果低估了吕宋海峡的体积输送.     

三种垂向混合方案对HYCOM模拟北太平洋西边界流系的影响研究

基于HYCOM(Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model),以OFES(OGCM for the Earth Simulator)资料为参考,分析了KPP、MY2.5、KT三种不同混合方案对北太平洋西边界流系的模拟结果的影响。结果表明:三种不同混合方案模拟的上层海洋平均流场与OFES资料相似,但在流向和流幅上略有差异,其中KPP方案模拟的流速与OFES资料最为接近,MY2.5方案次之,KT方案与其差别最大。通过代表性断面上流速的对比分析,对模式就北赤道流、棉兰老流、棉兰老潜流、黑潮的模拟效果进行比较,KPP方案模拟的效果同前人的观测和研究最为接近。分析了北赤道流,棉兰老流,棉兰老潜流,黑潮的流量的季节变化特征,其中KPP方案与OFES资料计算的棉兰老流和棉兰老潜流的季节变化特征与前人描述比较一致,表现为春强秋弱。KPP方案和OFES资料的计算结果表明,北赤道流和棉兰老流大致上是同向变化的,而在冬季棉兰老流同黑潮的变化基本上是一致的。     

河口海岸三维水流数值模型中几种垂向坐标模式研究述评

回顾了近年来国内外河口、近岸海域三维斜压水流数值模式研究的进展,着重讨论了不同垂向坐标下三维水流模式的发展状况以及存在的问题。地形拟合坐标(σ坐标)模式可以很好地拟合床面地形和自由面,已在物理海洋学中被广泛使用。但在地形变化剧烈,尤其在密度层结效应明显的海域,σ坐标模式中的水平压强梯度力误差会引起伪密度流。寻求高精度的数值模式以及更加有效的拟合坐标变换将是值得努力的方向。     

HYCOM模式对东海黑潮的气候态模拟

使用三重嵌套的HYCOM(The HYbrid Coordinate Ocean Model)数值模式模拟气候态东海黑潮。模式水平分辨率从大区模式的1°×1°cosθ提高到小区模式的1/8°×1/8°cosθ。对模拟结果的分析表明:(1)高水平分辨率模式对黑潮特征量的模拟有明显的改进。这些改进主要由两方面的原因引起:地形分辨率的提高和改善的斜压效应。(2)小区模式的模拟结果较好地再现了PN断面的垂向结构。基本反映了PN断面流速和流量的季节变化规律。夏季流速最强、流量最大,秋季流速最弱、流量最小,冬、春两季处于过渡期。(3)模式成功地模拟出东海黑潮东侧的逆流。该逆流流速稳定,夏季流速略大。(4)模式模拟出了PN断面的流速双核结构。     

海洋内波垂向结构的一种数值算法

依据由海上实测资料得到的海水密度、声还及浮性频率随深度的分布等数据，数值求解线发现人波垂向问题方程，确定了其主要模态的弥散关系及其特征函数。     

海洋内波垂向结构的一种数值算法

依据由海上实测资料得到的海水密度、声速及浮性频率随深度的分布等数据，数值求解线性内波垂向问题方程，确定了其主要模态的弥散关系及其特征函数。     

重力异常垂向一阶导数的一种简便算法

利用拉格朗日插值导出了重力异常垂向一阶导数的计算公式，给出了地面以及地面之上不同高度的求导系数。该公式可以计算地面上的重力垂向一阶导数，还可以直接计算地面之上任意高度上的垂向一阶导数。鉴于该公式除系数不同外，与上延公式完全相同，因此，程序设计尤为简单。使用本公式对模型数据和实际资料进行了处理，证明了本算法的实用性。     

A new hybrid vertical coordinate ocean model and its application in the simulation of the Changjiang diluted water

Based on the analysis of the advantages and disadvantages of some vertical coordinates applied in the calculation of the Changjiang diluted water(CDW),a new hybrid vertical coordinate is designed,which uses σ coordinate for current and σ-z coordinate for salinity.To combine the current and salinity,the Eulerian-Lagrangian method is used for the salinity calculation,and the baroclinic pressure gradient(BPG) is calculated on the salinity sited layers.The new hybrid vertical coordinate is introduced to the widely used model of POM(Princeton Ocean Model) to make a new model of POM-σ-z.The BPG calculations of an ideal case show that POM-σ-z model brings smaller error than POM model does.The simulations of CDW also show that POM-σ-z model is better than POM model on simulating the salinity and its front.     

Parametric vertical coordinate formulation for multiscale, Boussinesq, and non-Boussinesq ocean modeling

Two physical parameters are introduced into the basic ocean equations to generalize numerical ocean models for various vertical coordinate systems and their hybrid features. The two parameters are formulated by combining three techniques: the arbitrary vertical coordinate system of Kasahara [Kasahara, A., 1974. Various vertical coordinate systems used for numerical weather prediction. Mon. Weather Rev. 102, 509–522], the Jacobian pressure gradient formulation of Song [Song, Y.T., 1998. A general pressure gradient formation for ocean models. Part I: Scheme design and diagnostic analysis. Mon. Weather Rev. 126 (12), 3213–3230], and a newly introduced parametric function that permits both Boussinesq (volume-conserving) and non-Boussinesq (mass-conserving) conditions. Based on this new formulation, a generalized modeling approach is proposed. Several representative oceanographic problems with different scales and characteristics––coastal canyon, seamount topography, non-Boussinesq Pacific Ocean with nested eastern Tropics, and a global ocean model––have been used to demonstrate the model’s capabilities for multiscale applications. The inclusion of non-Boussinesq physics in the topography-following ocean model does not incur computational expense, but more faithfully represents satellite-observed ocean-bottom-pressure data. Such a generalized modeling approach is expected to benefit oceanographers in solving multiscale ocean-related problems by using various coordinate systems on the same numerical platform.     

An improved model for estimating the TOC in shale formations

Determination of the total organic carbon (TOC) from well logs is an important step in formation evaluation of shale reservoirs. The ΔlogR model is one of the most commonly used methods in determining the TOC of the source rocks. Wang et al. (2016) made three revisions on ΔlogR model to enhance the prediction accuracy, one of which is to use a changeable slope of log₁₀R_t versus porosity logs to replace a fixed value. Based on the original ΔlogR model and Wang's revision, we propose an improved model for a better TOC estimation in this paper. Specifically, the approximate linear baseline is replaced by a theoretical one. Under this condition, both the slope and resistivity and porosity log values of the baselined rocks vary from depth to depth. The determination of theoretical baseline is presented, and the varied baseline log values are obtained by a simple mathematical technique. In addition to the shale play of Western Canada Sedimentary Basin, two study areas of Sichuan Basin and Ordos Basin in China, were used to assess the applications of the proposed model and its improvement over the original model. The analysis and discussions presented in this paper indicate that the improved model offers more reliable results in shale plays with large lithological variations. Also, the TOC content of the three study areas was estimated using the proposed model. The results showed that the TOC values estimated from well logs and core analysis are in good agreement.     

一种改进的水合物沉积物弹塑性损伤本构模型

为了全面考虑水合物对沉积物的力学影响,提出了一个改进的水合物沉积物弹塑性损伤本构模型。首先通过分析水合物在沉积物中的存在形式,认为沉积物的力学特性是水合物胶结以及密实两种作用共同影响的结果;然后在弹塑性损伤理论框架内,引入状态相关砂土本构模型来描述水合物填充的影响,从而建立一个能反映体变特性和围压影响的水合物沉积物本构模型;最后,利用已有试验结果对模型进行了验证。此成果可为将来的水合物开采提供参考。     

四象限非对称风场对风暴潮的改进研究

分析了Holland 模型风场和四象限非对称模型风场的差异和适用性,基于ADCIRC 模型建立了适合华南沿海的高分 辨率风暴潮模式,将上述两种模型风场作为强迫场分别模拟1117 号台风“纳沙”风暴潮过程,结果表明：在珠江口、琼州 海峡岸段的风暴潮模拟有了较大的改进,究其原因是四象限模型相比Holland 模型更灵活、能够更好刻画“纳沙”台风非对 称风场结构,说明该风场模型可用于改进风暴潮数值模拟。     

用于深海极端环境下的pH电极制备方法改进

pH值是表征深海热液环境以及扩散流区域溶液化学性能的基本参数,因此原位精确获取溶液pH值是很多海洋科学研究者关注的问题。以前试制的电化学原位传感器IrOx电极,在实际海试中虽然对海底异常信号有响应,但由于信号漂移问题,电极只能用于定性地发现异常。基于熔融碳酸锂氧化金属原理,提出了改进传统熔融碳酸锂法,并设计了强制空气对流和碳酸锂添加过氧化钠两种制备方法。通过实验室的性能测试以及相应的表面扫描电镜测试表明,用改进的方法制得的电极,校正曲线均符合能斯特定律。用强制空气对流和混合碳酸锂/过氧化钠法制得的电极,其性能均明显优于传统熔融碳酸锂法。可推断,在熔融碳酸锂氧化贵金属铱的过程中,氧含量的充分与否是影响IrOx电极的性能和表面形态的重要因素,其中性能最优的是混合碳酸锂/过氧化钠法制得的电极。该类电极具有如下优点:重复性好;在大跨度pH溶液之间的响应快速稳定,长时间连续监测的漂移小于5 mV;同一批次所制备电极性能几乎相同;使用寿命长等。因此,该pH电极可用于深海的原位探测。该工作为进一步制备高性能的IrOx电极奠定了坚实的基础。     

基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型

海洋中尺度涡对浮游生物的分布、能量和盐分的输送具有非常重要的影响,海洋中尺度涡的自动检测是监测、分析中尺度涡时空变化的重要基础。针对传统基于物理特征检测海洋中尺度涡的方法存在受限于人工设计参数导致精度不高的问题,本文依据海洋卫星反演的海表面高度图,提出了一种基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型。该模型在海洋中尺度涡的特征提取阶段嵌入了卷积注意力机制,使得模型能够关注于海表面高度图中最具有类别区分度的区域,同时引入了残差学习机制解决了网络过深导致模型难以训练的问题。本文以南大西洋的卫星海表面高度数据集为例开展实验验证,结果表明,本文提出的模型海洋中尺度涡检测准确率达到了93.28%,显著优于EddyNet等现有模型。模型可为海洋学家通过海表面高度探测中尺度涡提供可靠技术方法。