不同风速条件下海表空气动力学粗糙度参数化方案

实验室和外海观测资料已经证实,高风速下海面拖曳系数的变化和中低风速下并不相同。考虑到海面飞沫以及海浪状态对拖曳系数的影响,本文提出一种新的拖曳系数计算方案,该方案可适用于各种风速条件下。在中低风速下飞沫对拖曳系数的影响可以忽略不计,无量纲的海面粗糙长度先随着波龄的增加而增加,继而随波龄的增加而减小;然而在高风速下,因气泡破裂或者波浪破碎产生的飞沫使得风廓线对数函数改变,造成拖曳系数的减小。对不同波龄而言,拖曳系数和粗糙长度达到最大值的风速并不相同。同时,高风速下,海面拖曳系数的降低减少了摩擦速度随风速增加而增加的速率。     

考虑飞沫影响的拖曳系数方案对台风条件下上层海洋海温数值模拟的影响

为了提高对上层海洋的模式模拟准确性,为台风海气耦合模式提供更加合理的动量交换耦合方案,文章应用一个分粒径段的海洋飞沫函数给出一个新的海面拖曳系数CD计算方案,它体现了台风高海况条件下海洋飞沫层使海面拖曳系数数值减小特点。论文以2014年第15号台风"海鸥"经过南海强化观测区域时段作为个例,应用POM(Princeton Ocean Model)三维海洋环流模式进行数值模拟试验,结果发现低风速情况下,考虑海洋飞沫因素后的CD与传统计算方案数值相近,在高风速情况下,考虑海洋飞沫因素后的CD方案与模式传统计算方案不同,表现出随风速增长趋缓,直至随风速略有下降现象。与传统拖曳系数方案相比,采用新的拖曳系数方案后,模拟的台风条件下上层海洋的温度降温幅度、混合层深度加深幅度、温跃层强度减弱程度都略有减弱,这些模拟特征与观测事实更加接近。     

海气动量通量研究综述

海气界面动量通量也称为风应力,是海流和表面海浪的主要驱动力,是海洋从大气获得动量的重要途径。因此,合理可靠的海洋表面风应力的参数化对于海洋、大气和波浪以及气候模式的准确预报都具有非常重要的科学意义和实用价值。对风应力拖曳系数的参数化是风应力参数化的主要内容。近来的观测发现,风应力拖曳系数随着风速的增加出现了先增后减的趋势,同时还与海面的波浪状态以及海流有关。基于观测或理论分析,目前已经得到了一系列的风应力拖曳系数计算方法或公式,有的考虑了海浪的作用,有的没有,但这些方案大都是适合中低风速,在高风速下的适用性还有待检验。本文回顾了目前在海气动量通量观测和参数化方面的研究进展,并建议应增加高风速下风速、海流以及海浪等的同步观测,以进一步完善风应力参数化方案。     

风浪和海洋飞沫对海表面拖曳系数和风廓线的影响

基于埃克曼理论,本文将波致应力和飞沫应力引入到海-气边界层的界面应力中,来研究海表面风浪和海洋飞沫对海-气边界层动量交换的影响,并得到修改后的埃克曼模型的理论解。波致应力是由风浪谱和波增长函数估计,并得到在中低风速下,波致应力、飞沫应力与湍流应力相比,对海表面拖曳系数和风廓线的影响非常小。当风速高于25米/秒时,海洋飞沫通过飞沫应力对海-气界面应力的作用远高于波致应力,以至于波致应力可以忽略。海表面拖曳系数在高风速下,随着风速的增大而减小。通过采用风浪谱的不同波龄,得到海洋飞沫的产生会导致海-气边界层风速的增加。最后,理论解与现场的观察数据进行了对比。对比后的数据表明,在中高风速下,飞沫对海-气边界层的影响远大于表面风浪。     

海气界面沫滴悬浮层的特征

Makin利用经典的有限饱和沫滴悬浮层理论建立了高风速下的海面动力学粗糙度模型。本文基于Makin模型,研究了海面拖曳系数随风速变化关系对沫滴悬浮层厚度、沫滴极限下落速度和Charnock参数的依赖性,从而考察了沫滴悬浮层的特征,并根据观测数据确定一些参数的取值。结果表明:沫滴悬浮层高度对拖曳系数随风速变化关系影响甚微;沫滴极限下落速度对拖曳系数随风速变化关系影响较大,但由不同观测数据估计得到的沫滴极限下落速度趋于一致;Charnock参数对拖曳系数随风速变化关系影响较大。综上,基于Makin模型的拖曳系数随风速变化关系主要依赖于Charnock参数。最后,利用已有的理论研究结果及通过数据拟合给出了解析的拖曳系数随风速变化关系式,仅依赖于Charnock参数,适用于各种风速情形。     

SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响

本文以荷兰哈灵水道海域为实验区域,通过敏感性实验,研究了在14 m/s、31.5 m/s和50 m/s（分别代表一般大风、强热带风暴和强台风的极端条件）定常风速下SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响程度。结果表明,对于近岸浅水区域（水深小于20 m）,风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高影响较小,而且当风速增加到一定程度后,波浪破碎成为影响波高值的主要因素;对于深水区域（水深大于30 m）,一般大风条件下风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高影响仍然较小,随着风速的继续增大,风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高的影响逐渐显著。对于平均周期,风拖曳力系数计算方案的选择和风速的改变对其影响均较小,而由水深变浅导致的波浪破碎对其影响较为显著。根据敏感性实验结果,本文对SWAN模型中风拖曳力系数计算方案的选择做出如下建议:计算近岸浅水区域风浪场或深水区域一般大风条件风浪场时,其风拖曳力系数可以直接采用模型默认选项;而对于深水区域更大风速条件,可首先采用模型默认选项试算,然后结合当地海域实测波浪资料进行修正。     

WAVEWATCH Ⅲ第三代海浪数值模式在中国东海的应用和改进

利用东海的浮标观测数据,比较了WAVEWATCHⅢ第三代海浪数值模式的ST2、ST4和ST6三种源函数方案在东海的适用性。结果表明,三种源函数方案在波高小于3 m中低风速情形下,模拟波高与观测波高符合的很好,而在波高大于3 m的高风速情形下,模拟波高偏大。在此基础上,提出了以波龄和波陡为参数的海面粗糙度参数化公式,以此来计算拖曳系数。该方案可以自动满足拖曳系数在临界风速达到饱和的观测事实,将上述拖曳系数计算方案应用于最新的ST6源函数方案,在保持中低风速时的模拟精度的同时,可有效地改善高风速时模拟波高偏大问题,而且可使模拟周期与浮标观测结果更为一致。     

海洋飞沫对热带气旋影响的数值模拟研究——以“鲇鱼”台风为例

本文在海-气-浪-沉积输运耦合模式COAWST(The Coupled-Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport Modeling System)中,添加包含海洋飞沫效应的拖曳系数C_D和热焓交换系数C_K参数化方案,探讨海洋飞沫的动力学和热力学效应对热带气旋的影响。数值实验结果表明,海洋飞沫效应可有效改进热带气旋的路径模拟结果;只考虑海洋飞沫动力学效应时,对海表动量通量的影响甚少,可使向上感热通量和潜热通量略有增加;同时考虑海洋飞沫动力学和热力学效应时,可使海表动量通量略有增加,并使向上感热通量和潜热通量显著增加,海洋飞沫主要通过热力学效应有效增加热带气旋强度,对热带气旋强度模拟的改进效果相比于仅考虑海洋飞沫动力学效应更显著。     

海-气界面动量通量的估计方法分析与应用

首次将经验模态分解方法引入湍流稳定性分析,与传统的线性和滑动平均去势方法进行了比较,发现经验模态分解方法的去势效果最好。基于"南海平台通量观测计划"(FOPSCS)近两年的连续通量观测数据,得到了22 476个摩擦速度的估算值,结果表明,当风速小于5m/s时,拖曳系数随风速增大而减小,而风速大于5m/s时,拖曳系数随风速增大而增大,两种情形分别反映了黏性表皮摩擦和波浪引起的形状阻力对海面风应力的贡献。同时发现短风区情形的拖曳系数大于长风区情形,说明波浪成长状态会对海-气界面动量交换产生影响。     

海洋对静止热带气旋响应的某些特征

建立二层非线性原始方程海洋模式，采用湍流动能收支参数化风应力产生的垂直混合（夹卷），研究海洋对不同强度和最大风速半径的静止热带气旋（ＴＣ）的响应。数值试验结果表明，由于科氏参数随纬度变化，海洋对热带气旋的响应具有不对称性。热带气旋强度对海流，上混合层（ＵＭＬ）深度和海表温（ＳＳＴ）变化量值产生重大影响，并对它们变化范围影响较大。热带气旋最大风速半径对海流、混合层深度和海表温变化量值的影响不明显，但对它们的变化范围有明显影响。     

Research on reflux in deep-sea mining pump based on DEM-CFD

Abstract

The complex circumstances of deep-sea mining result in unexpected accidents. When a pump abruptly stops working during mining in deep seas, several tons of minerals need to be refluxed. The commonly used computational fluid dynamics (CFD) method cannot simulate the required reflux because the volume of particles is neglected. However, this parameter can be calculated using Discrete Element Method-computational fluid dynamics (DEM-CFD). Using this method, the movement of particles and the location of the blockage becomes evident. In this study, DEM-CFD was used to simulate the reflux of nodules of diameter d?≤?10, d?≤?20, and d?≤?50?mm with a volume concentration of 8%. The results indicated that particles of diameter d?≤?50?mm cannot be refluxed and they are likely to accumulate at the junction of the impeller and vanes. Thus, the diameter of the particles needs to be controlled for effective functioning of the lifting pumps, and prevent deep-sea mining accidents.     

基于Savitsky法滑行艇航行姿态参数影响研究

高速滑行艇处于滑行状态时的阻力性能一直是滑行艇水动力性能研究的重点和难点。首先采用半经验半理论的Savitsky法对棱柱形滑行艇的航行姿态与阻力进行研究分析,计算纵倾结果与试验结果吻合良好。然后改变滑行艇的长宽比、重心纵向位置与底部斜升角参数,进一步研究三种参数变化对滑行艇航行姿态与阻力性能的影响。研究结果表明:基于半经验半理论的Savitsky方法可用于棱柱形滑行艇的阻力性能分析;在高速阶段,长宽比、重心纵向位置与底部斜升角参数对阻力影响较大。     

基于浒苔暴发海水池塘的微生物生态特征研究

为研究浒苔对海水养殖环境微生物生态的影响,采用Illumia高通量测序技术测定冬季垦区进水区、浒苔暴发的池塘和排水区水体以及底泥中菌群结构,分析进水区、池塘养殖区和排水区的环境微生物结构演变过程。结果表明:（1）γ-变形细菌、α-变形细菌、放线菌、拟杆菌和δ-变形细菌为海水养殖区的优势细菌门类;（2）进水区水体和底泥微生物种类和多样性指数均高于浒苔池塘和排水区;浒苔暴发的池塘和排水区微生物群落结构较为相似;（3）浒苔池塘的水体微生物以异养细菌为主,底泥以脱硫杆菌等厌氧细菌为主,增加了底泥潜在产生硫化氢的危害;（4）进水区水体含有丰度较高的弧菌和鱼立克次氏体等条件致病性病原菌,而浒苔池塘中含量较低,说明浒苔对弧菌等有一定的抑制作用;但浒苔暴发的池塘和排水区中另一种潜在致病菌黄杆菌类的丰度较高,养殖品种务必防患此类病菌感染疾病的发生。本文从微生态学角度全面揭示浒苔对近岸海区、海水池塘和排水区微生态演变过程的影响,发现了浒苔具有抑制和增加不同致病菌的双重作用,这对水产养殖有一定指导,也为浒苔发生原因、预报、预防等研究提供一定理论参考。     

水平轴潮流能水轮机阵列对区域潮流场影响研究

为考察水轮机阵列对区域潮流特性的影响,本文基于Delft 3D-Flow建立斋堂岛及附近水域的三维水力学模型并通过实测数据进行校验。经验证后的模型,采用TSE方法确定阵列在目标水域中的放置位置,并通过动量损失方式模拟水轮机对流场的影响,进而研究和评估在一定水域面积下不同水轮机数量组成的阵列对潮流场的影响。仿真结果显示:该水域放置水轮机阵列将对附近较大范围水域的水位产生影响,在靠近阵列处水位变化最大能达到3 cm;对区域流速影响较为显著,当阵列中水轮机密度较大时,其尾流影响区域局部时刻流速下降能达到45 cm/s且影响距离可延伸至其下游2 km外。     

基于多元传感参数的性能指标预测方法研究

针对利用传感数据实现产品性能指标预测问题,本文提出了一种基于多元传感参数的性能指标预测方法。该方法以减少多元传感参数冗余、提高多元传感参数的性能指标预测准确率、缩短测试周期为目的。该方法使用特征选择算法去除冗余传感参数,使用学习算法建模,实现性能指标预测。3个真实传感数据集上的实验结果表明,该方法能有效降低特征维数,性能指标预测准确率均达到91%以上,周期最多缩短了84.19%。     

基于遥感的海岛生态系统服务功能变化研究

Based on the interpretation of the remote sensing data presented by the resource satellite, this paper states the fact that the land-use area in Donghai Island, which is located in the south of Zhanjiang, Guangdong Province,had expanded by 576.71 hm2 in the 25 years from 1986 to 2010 because of human activities such as land reclamation; in the meantime, great changes in types of land cover on the island have occurred. The definite change in land use leads to the remarkable transition in its ecosystem service value. Therefore, by applying the Costanza method in this paper to quantificationally analyze the changes in its ecosystem services on this island;the Costanza method is a calculation technique that shows the service value per unit area of island. It is found that from 1986 to 2010, especially in the recent years, due to the rapid development in the petrifaction, steel and port industries, the areas of cultivated land, woodland, grassland and desert have decreased in different degrees, while the lands for residence, industry and traffic construction and the areas of water and wetlands have increased.Consequently, compared with the number of RMB 547.57×106 yuan per year in 1986, the ecosystem service value of Donghai Island was greatly reduced to RMB 493.94×106 yuan per year in 2010. As for the spatial distribution, it presents a feature that it is higher in the west and low in the east. The results manifest that it is of great significance to analyze the changes in the ecosystem service function on the basis of the service value of the island presented by the remote sensing data in a quantificational way, which will contribute to the promotion of ecological compensation.     

香港巨牡蛎对3种微藻的选择性摄食研究

从微藻粒径大小、饵料密度以及营养价值角度,选取牟氏角毛藻（Chaetoceros muelleri）、亚心形扁藻（Platymonas subcordiformis）、球等鞭金藻（Isochrysis galbana）分别作为硅藻、绿藻和金藻的代表,开展了不同规格的香港巨牡蛎对3种微藻在同等密度、同等生物量混合条件下的摄食选择性研究。结果显示,香港巨牡蛎在两种不同混合藻条件下对3种不同微藻摄食选择性有显著性差异（P<0.01）。3种藻相同密度混合条件下,大、中、小3种规格香港巨牡蛎更倾向摄食粒径较大的亚心形扁藻,且贝类规格越大选择倾向性越低,摄食选择效率分别为0.32、0.35、0.48,对球等鞭金藻无明显选择性。3种藻等生物量混合条件下,香港巨牡蛎对亚心形扁藻和球等鞭金藻的摄食有选择性,且规格大小对选择效率影响显著（P<0.01）,个体越小选择性越强,小规格香港巨牡蛎倾向滤食亚心形扁藻（P<0.01）,大、中规格更倾向摄食粒径较小的球等鞭金藻。两种混合条件下,香港巨牡蛎都对牟氏角毛藻都有负的选择效率,而且牟氏角毛藻密度越高负值绝对值越大。微藻的细胞大小、形状、营养价值以及香港巨牡蛎的个体大小都对摄食选择性有着明显的影响,香港巨牡蛎的摄食选择性在现场海区中还明显受到生境及食物条件的限制。     

Experimental investigation on the effect of spudcan shape on spudcan-footprint interaction

The interaction between a spudcan and an existing footprint is one of the major concerns during jack-up rig installation. The influence of spudcan-footprint interaction has recently been well addressed by a number of researchers. A lack of investigation exists in mitigating spudcan-footprint interaction issues. In the field, stomping and successive repositioning is conventionally used in installing a rig adjacent to an existing footprint. Water jetting and perforation drilling are also sometimes suggested. This paper reports a measure for easing spudcan-footprint interaction issues, with the efficiency of a spudcan with 4 slots tested through model tests carried out at 1 g on the laboratory floor. The soil conditions tested simulate soft to moderate seabed strength profiles close to the mudline, varying the undrained shear strength. The most critical reinstallation locations of 0.5D and 1D (D = spudcan diameter) and existing footprint depths of 0.33D and 0.66D were investigated. By comparing with a conventional spudcan, the spudcan with slots reduced the induced maximum moment, horizontal force, and horizontal sliding distance by up to 80%, 40%, and 98% respectively. Critically, no additional operations, such as stomping/repositioning, perforation drilling, water jetting, are required to be performed offshore.     

红树林植株形态及种植密度对消波能力影响的数值模拟研究

本研究利用非结构网格有限体积海洋模型FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)、MDO(Mellor-Donelan-Oey)波浪模型以及可分层的植被波耗散参数化方案,通过对比有无红树林工况评估红树林的波浪衰减能力,研究了不同形态的红树林在高水位与低水位情况下的消波能力,分析了植株密度对红树林消波能力的影响。结果表明,红树林的消波系数与林带宽度呈非线性正相关,与水深的关系则与红树结构有关。以白骨壤(Avicennia marina)为代表的A型植株形态在低水位下的消波系数极大值为67.9%,高水位下则能够达到94.4%;以红海榄(Rhizophora stylosa)为代表的B型植株形态的消波系数在低水位和高水位的极大值分别为90.6%、89.4%;以角果木(Ceriops tagal)为代表的C型植株形态的消波能力在高低水位区别不大。植株密度的增加能提高红树林消波系数上限,还能使得红树林消波系数对林带宽度的变化更为敏感,减小达到消波系数极大值所需要的林带宽度。在保护现有的红树林生态系统或建立新的红树林综合减灾防护系统时,应注意不同植株结构红树林的...     

基于统计分析的半潜式平台气隙预报方法研究

以浮式半潜平台为研究对象,针对影响气隙结果的波浪非线性效应进行研究分析。通过分析平台气隙响应特性,确保平台在极端海况下的安全性。首先通过数值计算与模型试验,对一座浮式半潜平台在极端海况下的气隙响应进行计算与测量;进一步对平台附近18个典型位置的波面升高响应进行统计分析与概率分布拟合处理;最终求得反映各处波浪非线性强度的非线性因子∂值,并与OTG-13规范中的建议值对比讨论。结果发现∂的计算值与建议值并不完全一致,由于波浪受平台运动及平台结构扰动影响,平台下浮体附近处波浪非线性效应较强,计算值较建议值大,需要重点考虑分析。相应地,距离平台结构较远位置处的计算结果与建议值一致。