全球冰—海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量,与大气和海洋的相互作用,直接影响大气环流和海洋环流,对气假及其变化及具有重要影响,文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用,改进冰－海洋热力耦合方案,利用由中国科学院大气物理研究所的３０层海洋模式和基于Ｆｌａｔｏ空化流体流变学的海冰动力模式和Ｈｉｂｌｅｒ表面热收支平衡的零层少冰热力模式,建立全球冰－海洋耦合模式,利用大月平均气候资料,模拟的南半球少冰分布及海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析,模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近,比２０层冰－海洋耦合模式的结果有显著改进,北半球海冰范围偏小,但季节变化的量值与实际相当一致,模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等,对海冰密集度的分析表明,模拟结果得以     

北半球高纬海冰主要气候特征的全球海冰气耦合模式数值模拟

利用一个全球海冰气耦合模式对北半球高纬海冰的主要气候特征进行了数值模拟。结果表明 ,模拟结果中海冰的季节变化特征合理 ,冬季海冰的主要地理分布特征都模拟得很好 ,但夏季北冰洋内部靠近欧亚大陆部分边缘海区海冰密集度模拟得偏大。模拟结果中 ,北半球高纬地区冬季海冰密集度具有显著的年际变化 ,变化最显著区域位于格陵兰海 ,其次是巴伦支海 ,这些特征均与观测结果一致。对这个海冰气耦合模式在北半球海冰平均气候状况、季节变化和年际变化方面模拟能力的检验结果表明 ,当前的研究工作为下一步进行长期变化趋势的模拟打下了基础。     

渤海海冰和海洋的动力相互作用模拟试验

利用冰-海洋动力耦合模式, 对渤海海冰和海洋之间的相互作用进行了研究和模拟试验.耦合模式中的海洋模式采用普林斯顿海洋模式(POM), 冰模式采用国家海洋局海洋环境预报中心(NMEFC)的渤海海冰业务化数值预报模式.通过模拟研究, 分析了M2分潮对海冰质点运动轨迹、冰外缘线位置、瞬时冰速和冰厚分布的影响; 同时探讨了海冰对冰下海洋的动力作用.     

非冻结合成模型冰物理模拟冰作用力的试验技术

基于渤海海冰的物理和力学特性、海冰物理模型试验的相似理论以及国际上已有模型冰的经验, 研制了一种用于模拟我国渤海海冰的非冻结可破碎功能材料, 被命名为DUT-1模型冰.该模型冰采用聚丙烯粉、塑料微珠、水泥等材料加入一定量的水由特制的搅拌机搅拌均匀倒入模具后成型制成.通过实验室常温波流水槽中进行的冰排对直桩、锥体及斜面墙结构作用的物模实验的现象观察、结果综合分析、相关理论及经验公式计算结果比较, 验证了DUT-1模型冰试验技术的可靠性.在此基础上, 进行了冰排对半圆型防波堤结构的作用、冰排与锥体结构动力相互作用的物理模型试验研究, 展现了DUT-1模型冰的应用前景.     

基于海冰分析图获取北极固定冰分布的方法研究

对北极沿岸地区固定冰的分析研究,将有助于更全面认识北极海冰的变化趋势,并为进一步探索北极航道的开发利用提供数据支撑。基于美国国家冰中心发布的2008-2018年逐周/逐两周海冰分析图发展了一个数据转化处理方法,准确提取了全北极逐周的固定冰分布格点数据。分析该时间序列发现,北极平均固定冰范围为（9.0±6.3）×10⁵ km²,呈现出（-1.0±3.9）×10³ km²·a^-1的减小趋势;4月份固定冰范围最大,多年平均值为1.6×10⁶ km²,处于北极冬季的1-6月份的范围均高于百万平方公里,而7-10月份为北半球夏季,几乎无固定冰存在。将MODIS图像作为基准数据对不同月份的七组结果进行对比验证,结果显示：结冰末期和融冰前期的平均偏差较小,如2012年3月12日的固定冰外缘线平均偏差为-0.8 km;而融冰末期的偏差较大,如2009年9月14日的固定冰外缘线平均偏差为-9.4 km;但所有月份的验证误差都小于格点网格的大小（25 km）,因此认为该方法是可行的,得到的格点数据可以代表固定冰的真实分布情况。     

南极海冰和陆架冰的时空变化动态

利用美国冰中心和雪冰中心提供的海冰资料和我国南极考察现场的海冰观测资料, 对南极海冰的长期变化进行了研究.结果表明: 20世纪70年代后期是多冰期; 80年代是少冰期; 90年代南极海冰属于上升趋势, 后期偏多; 区域性变化差别大, 东南极海冰偏多, 西南极海冰即南极半岛两侧特别是威德尔海(Weddell Sea)区和别林斯高晋海(Bellingshausen Sea)的冰明显偏少.东南极和西南极海冰的变化趋势总是反相的.90年代后期普里兹湾的海冰明显偏多, 南极大陆陆架冰外缘线总体没有明显的收缩, 有崩解也有再生的自然变化现象.西南极威德尔海的龙尼冰架(Ronne Ice Shelf)和罗斯海冰架(Ross Ice Shelf)东部崩解和收缩趋势明显, 东南极的冰架也有崩解和收缩, 但没有西南极明显.陆架冰崩解向海洋输送的冰山对全球海平面升高有一定的影响.目前, 南极冰盖断裂崩解形成的冰山, 向海洋输入的水量可使全球海平面上升约14 mm.南极海冰没有随着全球气候温暖化而明显减少, 而是按照东南极和西南极反相的变化规律进行周期性的变化、调整和制约.     

南极海冰增加对全球7月气候的影响

采用了OSU两层大气环流模式进行数值试验, 研究了南极海冰增加的气候效应.试验中海温取为气候平均值, 南极海冰作为外强迫源影响大气, 大气响应完全是环流内部调整的结果.调整的途径首先是对外强迫的局地响应--南极下垫面的温度发生变化, 结果使得冬季南大洋绕极低压带的位置偏北、强度增加, 南半球大气以强经向环流为主, 绕极气旋强大活跃.这种变异主要以Rossby波列的形式影响到南半球的中高纬度, 再通过斜压的越赤道气流, 即经向热交换的变化影响到北半球的大气环流, 导致北半球夏季大气环流呈纬向分布, 极地冷空气活动减弱.大气环流的变异又影响到气候诸要素, 反映明显的是越赤道气流在印度洋上的加强和太平洋上的减弱, 使得西南季风加强, 东南季风减弱; 太平洋副高位置的偏北, 导致中国华北、华东和江淮流域少雨、高温, 北美中高纬度严重多雨和低温.     

基于GPS的海冰实时监测系统及其应用研究

海冰是高纬度海区特有的海洋现象。运动的海冰具有巨大的能量,对冰区的石油平台、港口堤坝、船只等构成了巨大的威胁,因此实时获取准确的海冰运动信息对于海冰灾害的防治有重要的现实意义。我国海冰为一年海冰,冰体较薄,用于极地的海冰跟踪设备并不适用于我国北方海域。设计并提出了一种基于GPS的海冰定位跟踪系统,系统包含冰上定位发射和接收两个部分。冰上部分质量较轻且外形增加了防滑设计,接收端接收到数据后自动入库,并与地图匹配显示。监测系统于2015-2016年冬季在辽东湾海域进行了应用测试,应用试验表明,该方法能够较好地进行海冰定位与跟踪,定位误差在5 m以内,运行时间较久,较适用于我国薄冰海域。     

基于光滑质点流体动力学的海冰热力-动力数值模式

考虑海冰热力因素对其厚度、密集度的影响,在光滑质点流体动力学(SPH)基础上发展了一个海冰热力-动力数值模式。该模式既解决了传统欧拉有限差分法和质点网格法存在的数值扩散问题,同时弥补了光滑质点动力学海冰动力模式未考虑热力因素的不足,具有精确模拟冰缘线运动、计算精度高等优点。首先介绍了光滑质点流体动力学的基本原理,并对海冰生消的热力因素进行了分析,将影响冰厚和密集度的热力因素引入到光滑质点流体动力学的海冰动力模式中,得到该热力-动力模式的控制方程。应用该数值模式对渤海海冰进行了48 h数值模拟,得到了海冰厚度和速度矢量的分布规律;对JZ20-2海域的海冰厚度、冰内温度场分布以及热力因素的变化特性进行了讨论。数值模拟结果表明,该数值模式能够很好地适用于渤海海冰数值模拟,是一种有效的海冰数值模拟方法。     

全球海面变化的两极冰盖模型

在Clark等(1976)提出的在粘弹性地球上全球海面变化的数值模型和笔者(1992)提出的一极冰盖质点模型的基础上,考虑冰盖在两极的实际分布,建立两极冰盖质点分布的数理模型。计算结果表明,一极模型中海面变化的的极值区在S极,而两极模型中海面变化极值区在南半球的中纬度地区。     

对全球海面变化均衡模式的改进

以J.A.Clark为代表的全球海面变化均衡模式为基础,讨论冰盖形或对地核运动的影响。数值计算表明,由于地核偏离地心的运动,不同海区大约有±1.54m的海面波动。把这个结果叠加在均衡模式的结果之上,会使预测的结果与所观察结果更为符合。     

热带生物海岸对全球变化的响应

以热带生物海岸现代过程研究成果为基础,结合国内外相关资料,分析我国红树林海岸和珊瑚礁海岸对全球变暖、海平面上升、大气CO2浓度升高和海洋酸化的响应.其中,全球变暖和大气CO2浓度升高总体上有利于红树林生长发育,海平面上升对红树林和珊瑚礁的影响取决于红树林潮滩淤积速率和珊瑚礁礁坪堆积速率与海平面上升速率之间的对比关系.海平面加速上升将威胁部分红树林、珊瑚礁及其后的海岸堤防.全球变暖海表异常高温导致珊瑚白化、海洋酸化导致珊瑚和珊瑚藻钙化率降低将成为21世纪珊瑚礁的重大威胁.全球变化的不确定性和生态系统响应机制仍然有待进一步研究.主要是人类不合理开发活动导致目前红树林和珊瑚礁的广泛严重破坏,加强海岸带综合管理和生态环境保护,加强生态系统恢复重建,是有效适应本世纪全球变化影响的重要措施.     

唐山沿海地区地面沉降渗流固结耦合模拟研究

唐山沿海地区经济在迅速发展,沿海地区城市化规模在扩大,地下水开采量增大,地面沉降加剧.文中分析了唐山沿海地区的水文地质条件,概化为3个含水层、3个弱透水层,共6个压缩层.建立了三维地下水流和垂向一维压缩完全耦合模型.采用25a的观测资料校正模型,计算值与实测值拟合较好,模型具有较高的仿真性和适用性.预测了10a末的地面沉降;当地下水以现有开采量开采时,沉降中心累计达1192.3mm, 10a沉降352.3mm,沉降速率为35.23mma-1;当地下水的开采量在现有开采量的基础上增加10%时,沉降中心累计达1260.8mm, 10a沉降420.8mm,沉降速率为42.08mma-1; 当地下水的开采量在现有开采量的基础上减小10%时,沉降中心累计达1088.7mm, 10a沉降247.9mm,沉降速率为24.79mma-1.增大10%的地下水开采量, 10a地面沉降量增加68.5mm;减少10%的地下水开采量, 10a地面沉降量减少104.4mm.因此,控制地下水开采量是控制地面沉降的有效方法.     

全球矿产资源潜力评价空间数据库数据模型探讨

概述了全球矿产资源潜力评价空间数据库的重要性,它是进行全球地质矿产潜力评价的基础数据库,涉及到经济、地理、地质、矿产、物化探、遥感,以及勘查、生产过程中各种信息资源;简要介绍了国内外全球矿产资源数据库建设的背景、现状与进展;从全球、地区(或国家)和局部(或重要成矿带)3个层次上,探讨了全球矿产资源潜力评价空间数据库的研究内容,并提出了全球矿产资源潜力评价空间数据库的图层划分方案.     

烃源岩演化与生、排烃史模拟模型及其应用

本文提出了烃源岩演化与生、排烃史综合模拟模型。该模型包括埋藏史模块、热史模块、成熟史模块、生烃史模块与排烃史模块５个组成部分，模块之间具有密切的联系，前一模块的输出结果可作为后一模块的输入条件。其中埋藏史、热史模块是由现今状态出发，逆时序恢复地层的古埋深、古孔隙度与古地温；而成熟史、生烃史与排烃史模块则以沉积物开始沉积时为起点，顺时序再现烃源岩有机质热演化、生烃与排烃等地质作用的过程，给出成熟度、生排烃强度、排烃效率等结果。所有模块结果均可作为地质时间的函数。     

130年来全球气温变化的模拟

本文利用海-气耦合的能量平衡模式研究了全球平均气温的变化。在对130年来全球气温变化的模拟研究中,比较全面地考虑了各种辐射强迫因子。此外,对于厄尼诺-南方涛动对全球平均温度的贡献也做了模式估计。数值模拟的全球温度序列与观测序列的相关系数达0.884,可解释77.8%的温度变化,并反映出温度的年际和年代际变化的特征,这可能是目前国内外同类工作的最佳结果。     

应用MPM­2模式新元古代气候初步研究

新元古代(650MaB.P.)是地球演化历史上最重大的转折时期之一,这一时期地球气候的模拟研究,对于了解气候变迁、现代气候的形成、自然地理环境的演变有重要意义; 在地质学上,对于地层划分和对比,地壳演化研究以及矿产资源成因和探测都有重要意义。本文在借鉴国内外已有研究的基础上,应用MPM­2——一个中等复杂程度的地球系统模式(EMIC),通过太阳常数和大气二氧化碳浓度的敏感性试验,对新元古代地球气候进行了模拟研究,结果表明在650Ma前,地球全球平均温度一直低于零度,即地球一直是“雪球”,直到650Ma前,全球平均温度大于零,“雪球”消融,雪球时代才结束。     

不同围压时含孔洞模型裂缝扩展的 连续—非连续数值模拟

为了有效地模拟连续介质向非连续介质的转化,发展了一种拉格朗日元方法、变形体离散元方法及虚拟裂纹模型耦合且考虑四边形单元沿对角线开裂的连续—非连续方法。利用该方法,模拟了不同围压时含孔洞模型的变形—开裂过程,统计了拉裂缝及剪裂缝区段数目,监测了一些单元的最大主应力。研究结果表明:当围压较小时,初始拉裂缝首先出现在孔洞的顶、底部,然后向模型的上、下端扩展,在初始拉裂缝的左、右两侧的拉应力集中区中产生远场拉裂缝,随后在孔洞的左、右两侧出现剪裂缝,最后,剪裂缝贯穿模型;当围压较大时,远场拉裂缝数量较少,未充分发展,远场拉裂缝与剪裂缝的发展阶段的界限不分明。含孔洞模型的最大承载力的下降是由于孔洞左、右两侧的剪裂缝向外扩展造成的。随着围压的增加,开始出现初始拉裂缝的时步数目增大,初始拉裂缝两侧的远场拉裂缝数目变少、出现变晚。