印度洋中尺度涡遥感调查和验证

海洋湍流的基本结构之一是各种尺度的涡旋,既有构成背景场流的随机小尺度涡旋,又有在统计意义上存在拟序结构的中尺度涡。针对印度洋广泛存在的中尺度涡,研究使用长时间序列、空间分布均匀的卫星测高数据,开展了印度洋中尺度涡遥感调查和结果验证。结果显示,印度洋中尺度涡主要分布在南印度洋南极绕极流区域、澳大利亚西部海域、莫桑比克海峡以及北印度洋的阿拉伯海以及孟加拉湾。北印度洋由于空间区域所限,其中尺度涡生命周期和移动距离均较小;而南印度洋存在大量长生命周期的中尺度涡,部分涡旋可以横跨整个南印度洋运动。基于ARGO现场观测数据以及多源海洋三维再处理数据,对中尺度涡遥感调查结果进行了验证,中尺度涡表层遥感信号与水下温度信号显示了较好的一致性。     

利用理想模型实验研究涡旋碰撞海岛的过程

利用区域海洋模式(regional ocean modeling system,ROMS)构建理想模型实验来探讨f-平面上涡旋碰撞海岛的过程。结果表明,在理想模型设定条件下,当北半球的反气旋式涡旋以一定速度与尺度相当的海岛发生正面碰撞时,反气旋式涡旋的部分涡度会从涡旋移动方向的左侧"绕"过海岛形成一个新的反气旋式涡旋,同时,在碰撞过程中,会在移动方向碰撞点的右侧形成一个新的气旋式涡旋。在碰撞过程中,海岛主要起阻挡作用,产生碰撞方向水流速度的切变导致涡度梯度的增加,从而使涡旋结构中的正负涡度发生聚集,导致涡旋结构的改变。     

利用连续小波提取近海大气湍流中的相干结构

利用Morlet子波对南海塔基风脉动资料进行连续小波分析,并根据能量极大值法则辨识相干结构的尺度,从而构建基于相干结构主要尺度的湍流模型。通过对小波系数进行谱分析,得到相干结构的生成周期,进而刻画相干结构的演变特征。结果表明:相干尺度提取的准周期结构在数值和波形上能够很好的反映原信号的主要结构。在分析频段内,大气湍流相干结构的生命尺度和生成周期相近,相干结构以连续出现为主,而小尺度涡旋结构的生成存在明显的不连续。最后,结合观测期间天气过程以及相应的湍流统计特征分析,给出了典型天气条件下相干结构涡动能量分布及其随时间的变化特征。     

南海北部次中尺度过程数值研究

近年来的观测与理论研究发现,海洋上混合层存在一类水平尺度为0.1~10km、时间尺度为~O(1天)的重要物理过程,称之为次中尺度过程。该过程具有较大的罗斯贝数(Ro)和较小的理查森数(Ri),它能有效地通过次级不稳定从中尺度地转过程中汲取能量,并向小尺度湍流混合串级,从而对上层海洋物质能量输运、中尺度过程变异、海气相互作用,以及混合层再分层等产生重要影响。利用区域海洋模式系统ROMS(Regional Ocean Modeling System)进行水平分辨率约为1km的高分辨率数值实验,对南海北部的次中尺度过程进行了初步探讨。分析结果表明,南海北部海域有着丰富的中尺度涡旋与海洋锋面活动,且涡旋与锋区边缘存在显著的次中尺度现象。通过对次中尺度涡旋个例的稳定性和能量分析发现,锋面海域强烈的水平浮力梯度导致了涡丝边缘的Ertel位涡小于0,并引起对称不稳定,锋生作用是该次中尺涡旋南侧发生对称不稳定的主要动力机制。同时,对称不稳定能有效地从地转剪切中汲取能量并向小尺度湍流混合串级,其能量汲取的最大值出现在20m深度,约为4×10~(–7)W×kg~(–1)。     

南海中尺度涡上海面热通量异常的季节变化

利用1999—2009年基于卫星观测反演的湍流热通量数据,并结合最新的涡旋数据集,通过合成分析的方法研究了南海涡旋导致的湍流热通量异常的季节差异及形成机理。结果表明,涡旋引起的热通量异常的水平分布表现出明显的季节差异,与涡旋导致的海表温度(SST)异常的分布特征相一致:在冬季表现为非中心对称(类似于偶极子)分布特征,而夏季则为中心对称(类似于单极子)分布特征。在涡旋内部旋转流场的作用下,因南海在不同季节其背景SST的分布不同,使得涡旋导致的热平流异常也显著不同,进而使得伴随涡旋的SST异常分布表现为单极型和偶极型。在SST异常的作用下,海面热通量异常分布也表现出相似的分布特征和季节差异。进一步分析发现,涡旋引起的热通量异常与SST异常呈线性关系,且两者的线性拟合斜率也表现出显著的季节变化:冬季的拟合斜率大于夏季。通过分析背景场的季节特征发现,背景风速和海气温差的季节差异是造成拟合斜率季节变化的主要原因。     

基于复杂网络的海洋涡旋移动特征研究——以南海为例

海洋涡旋作为一种快速连续变化的海洋现象,如何分析和挖掘其移动特征成为当前海洋涡旋定量研究的重点。本文引入空间数据挖掘的社区网络划分方法,将涡旋过程看作复杂的移动网络,对涡旋移动的聚集性特征进行探索和分析。首先,以网格为统计单元对1992-2011年近20年南海海洋涡旋移动数据进行组织,基于图论模型构建了涡旋瞬时移动（TP）,涡旋移动起止点（OD）,涡旋最小描述距离的特征点移动网（MDL）和涡旋过程移动再生数据（RSP）4种状态的海洋涡旋的移动网络图;其次,采用基于快速模块度优化的区域划分方法分别得到4种状态下涡旋移动的聚集性区域;最后,利用弦图对区域内和区域间涡旋移动规律进行了可视化分析,发现海洋涡旋的RSP数据能够弥补原始涡旋移动数据在区域划分方法中呈现的数量不足的问题,能够在足够数据量的情况下,有效地发现从起点到终点的主要移动通道和涡旋移动的聚集性区域,这些区域反映了南海涡旋从其产生、发展到结束整个演化过程的聚集性特征。     

基于角动量模型的流场涡旋提取方法

分析海洋流场数据进行流场涡旋提取是流场可视化的重要方法。通常实际存在的涡旋具有不规则性,导致涡旋的提取通常需要复杂的计算。本文分析流场数据中涡旋的特点,提出一种基于角动量最大值模型提取涡旋的方法。建立角动量模型计算获得近似涡旋中心点,然后通过空间聚集分析和流场信息熵的计算来提取区域内涡旋。实验结果表明,与传统的提取方法相比,该方法不需要通过复杂计算即可提取涡旋区域并保证准确度,可以应用于不同空间分辨率的数据,同时解决了流场信息熵计算时鞍点对涡旋影响的问题,对于弱涡旋也有较好的提取效果。     

潮流能水轮机仿真及尾流场分析

为了研究潮流能水轮机尾流场的变化规律,本文在水平轴水轮机现有理论基础上,采用计算流体力学技术建立了数值模型,计算了水轮机的功率特性,进行了网格独立性验证,比较了模型中旋转区域不同对结果的影响。仿真结果与试验结果进行了对比分析,验证了数值模型的有效性。研究了全工况下尾流场速度衰减随尖速比和距离变化的规律,结果显示在小尖速比下尾流场速度恢复情况相对大尖速比下较好;靠近水轮机轮毂中心线位置处,衰减相对较大。研究建议水轮机在同等功率表现下尽量选择在小尖速比下工作,水轮机组在实际排列时避免采用成列布置,水轮机设计阶段应综合考虑功率特性和尾流场衰减。本文研究内容可以为潮流能水轮机的研究以及阵列式应用提供参考。     

基于非结构网格RANS方法螺旋桨空化研究

基于粘性流理论探索螺旋桨空泡研究的有效方法,从而揭示螺旋桨空泡特性与其周围流场特征之间的关系.利用基于非结构网格的雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)来预报螺旋桨在均匀入流下的不同空化现象.用体积分数将混合两相流作为统一流体处理后,采用k-ω二方程湍流模型和全空化模型联立求解基于混合两相流的 RANS方程.将RANS数值计算结果与INSEAN的实验数据相比较后显示,产生空化的螺旋桨性能、导边空化与叶梢空化发生位置和形状与实验观察结果一致.研究表明此方法对均匀入流下的螺旋桨空化预报是切实可行的.     

船舶噪声对浅海海洋环境噪声空间相关的影响

通过对2001年亚洲海国际声学实验(ASIAEX)得到的海洋环境噪声数据进行处理,计算了噪声场空间相关系数、功率谱密度和垂直指向性,分别研究了受到远距离和近距离船舶辐射噪声影响的海洋环境噪声空间相关性.结果表明:船舶距离较远(10 km)时其辐射噪声会导致500 Hz以下的海洋环境噪声的空间相关性提高,而对500 Hz以上噪声的空间相关性没有影响;船舶距离较近(≤10 km)时,船舶辐射噪声会导致500 Hz以下的海洋环境噪声相关系数振荡变化,噪声空间相关性曲线在噪声信号声程差相差四分之一波长时出现第一个零点,对500 Hz以上的海洋环境噪声则会引起噪声能量升高,噪声的空间相关性也相对提高.基于现有理论,分别讨论了远距离船舶和近距离船舶产生的噪声场声学特性,对两种噪声场的海洋环境噪声空间相关性进行了合理的解释.