1994年发生在台湾海峡的一次地震海啸的数值模拟

建立了一个地震海啸数值模式,模式包含越洋海啸传播部分和近岸海啸变形部分,在越洋海啸传播部分中采用线性浅水方程,使用蛙跃格式求解,并且选择合适的空间步长与时间步长,使差分格式中产生的数值频散与包辛尼斯克方程中的物理频散一致,这样在不影响海啸数值计算精度的前提下,节省了计算机的机时与内存.在近岸海啸变形部分的计算中,考虑了非线性对流项与海底摩擦项.同时该模式采用了多重网格嵌套技术,提高了所关心地区的计算精度.利用这个地震海啸模式模拟了1994年发生在台湾海峡的一次地震海啸,结果与观测记录较吻合.这个模型已用于我国沿海核电站可能最大地震海啸的数值计算.     

Boussinesq水波方程新型数值解法

为建立高效的Boussinesq类水波数值模型,提出了一种新型的、基于有限差分和有限体积方法的混合数值格式。针对守恒形式的一维控制方程,在等间距矩形控制体内对其进行积分并离散,采用有限体积方法计算界面数值通量,剩余源项采用有限差分方法计算。其中,采用MUSTA格式并结合高精度状态插值方法计算控制体界面数值通量。时间积分则采用具有TVD性质的三阶龙格-库塔多步积分法进行。除验证模型外,重点对MUSTA格式和广泛使用的HLL格式进行了比较。结果表明,MUSTA格式可用于Boussinesq类水波方程数值求解,综合考虑数值精度、计算效率、程序编制和实际应用这几个方面,其较HLL格式更具有优势。     

三维斜压台风模式I.数值方法

一种多重移动套网格斜压台风模式已被应用于海洋环境数值预报。模式采用坐标系的原始方程组作为控制方程。现在用于国家海洋环境预报中心的模式垂直方向为非等距４层,水平方向为ＡｒａｋａｗａＢ型格式,所采用的差分格式满足动量和能量守恒原理。模式控制方程组分离成平流过程和适应过程二组方程,并根据大气运动不同过程的特性,分别采用不同的时间步长和不同的积分方法。预报和后报结果显示该数值方法不仅可以缩短机时,而且可以得到稳定的预报结果。     

三维斜压台风模式Ⅰ.数值方法

一种多重移动套网格斜压台风模式已被应用于海洋环境数值预报.模式采用σ坐标系的原始方程组作为控制方程.现在用于国家海洋环境预报中心的模式垂直方向为非等距4层,水平方向为Arakawa B型格式,所采用的差分格式满足动量和能量守恒原理.模式控制方程组分离成平流过程和适应过程二组方程,并根据大气运动不同过程的特性,分别采用不同的时间步长和不同的积分方法.预报和后报结果显示该数值方法不仅可以缩短机时,而且可以得到稳定的预报结果.     

一种基于Roe格式的有限体积法在二维溃坝问题中的应用

溃坝属于典型的非恒定含间断的浅水问题。应用有限体积法离散二维浅水控制方程的守恒型方程组,将基于近似黎曼解的Roe格式用于数值计算溃坝问题,并利用MUSCL方法构造二阶空间积分格式和预测-校正二步法构造二阶时间格式,从而使数值解的整体达到二阶,提高了精度。文中算法在一维溃坝的Stoker问题的数值结果与解析解进行对比,结果证明了此方法的可行性。应用此方法在二维溃坝问题上的结果,说明了此算法可有效模拟溃坝水流的演进过程。     

SeaWiFS产品格式及转换

为了使更多的用户尽快使用ＳｅａＷｉＦＳ资料,国家海洋局第二海洋研究所将ＳｅａＷｉＦＳ产品从复杂的ＨＤＦ格式转换为简单的海洋二所格式。ＨＤＦ格式在记录结构,函数调用方式,参数存放次序三方面说明,海洋二所为实现格式转换花费大量时间和精力是非常必要的,为许多用户在ＳｅａＷｉＦＳ资料应用中节省了宝贵的时间,大大扩大了ＳｅａＷｉＦＳ资料的应用面和利用率。     

无结构网格二维河口海岸水动力数值模式的建立及其应用

为完全拟合河口近海复杂岸线和工程结构以及有效局部加密,设计并建立了一个无结构三角形网格二维河口海岸水动力数值模式。空间离散主要基于有限体积法以保证守恒性,时间积分采用预估修正法以提高精度。水位在三角形网格中心通过连续方程求解;水平x方向和y方向的流速U和V均在网格边中点上通过动量方程求解。流速平流项的求解中采用了TVD格式。TVD流速平流通量为一个一阶迎风格式通量和一个二阶格式通量的组合,一阶格式通量和二阶格式通量根据流速的局部分布情况得出配比,最终组合得到TVD通量。TVD格式具有低耗散和无频散的优点,提高了模式的稳定性。应用实测资料验证建立的模式,结果显示水位、流速和流向的计算值与实测值均符合良好。     

海气约化重力数值模式有限差分的稳定性

本文讨论了海气耦合约化重力模式交替方向隐式有限差分格式的稳定性条件.经计算得到这种差分格式稳定的必要条件是Δt≤2/β|j|Δs 依据此条件进行数值试验,取β=2.3×10-11/m·s,Δs=100km,|j|=33,Δt=6h,计算时间延续2a.实试结果表明,差分格式是稳定的.用此必要条件确定差分时间步长不仅保证了数值计算的稳定性,而且计算所用机时仅是常用稳定性条件时的数十分之一或数百分之一.     

拉普拉斯变换应用于数值预报

一、引 言 自从数值预报成功地发展以来,高频波动的存在一直是被研究的主要问题之一,并且各种初始化方法和积分方法都得到了发展。作为一种初始化方法Lynch(1984)介绍了拉普拉斯变换(LT)。对于一般的非线性方程组,由于其非线性项应用LT方法是极其困难的。但是这些项的变化缓慢,允许我们将其视为常数。转换方程是隐式的,为了取得需要的滤波解,必需引进迭代的初始化格式。LT方法不仅应用于初始化,而且Van Isacker和Struy-laert(1985)还将它应用到正压模式方程的积分上。这种具有永久滤波性质方法所允许时间步长的优点比其它积分方法大得多。     

斜压海洋动力学的一种三维数值模式 Ⅰ.动力学方程数值格式

依据自由海面海洋动力学原始方程建立了一种三维有限差分数值模式,可用于潮波、风暴潮和海流的数值模拟和预报。运动方程和连续方程的数值格式采用内、外模态分离的技术。外模态采用交替方向隐格式,用于计算海面高度和垂直平均流速,时间步长不受Ｃｏｕｒａｎｔ－Ｆｒｉｄｅｒｉｃｈｓ－Ｌｅｗｙ条件限制;内模态采用半隐格式,用于计算海流的垂直２颁布,其时间步长可大于外模态时间步长。模式的计算程度比一般显式模式可快１０倍     

一维全非线性Green-Naghdi水波方程数值模型

建立了求解一维全非线性Green-Naghdi水波方程的中心有限体积/有限差分混合数值格式。采用结构化网格对守恒形式的控制方程进行离散和积分,界面数值通量采用有限体积法计算,剩余项则采用中心有限差分格式求解。其中,采用中心迎风有限体积格式计算控制体界面数值通量,并结合界面变量的线性重构方法,使其在空间上具有四阶精度,通过引入静压重构技术和波浪破碎指标使模型具备处理海岸水-陆动边界及波浪破碎的能力。时间积分则采用具有总时间变差减小(Total Variation Diminishing,TVD)性质的三阶龙格-库塔法进行。应用该模型对孤立波在常水深和斜坡海岸上的传播过程及规则波跨越潜堤传播的实验进行了数值模型研究,数值计算同解析解及实验数据吻合良好。     

潜型水平板水动力特性的数值研究

运用数值解析方法研究一个位于自由水面下的水平、刚性薄板的水动力特性。这种水平板可作为一种固定式浮型防波堤使用。假定流体为势流，波浪为线性时间谐波，利用格林定理，可将拉普拉斯控制方程简化为第二类Fredholm积分方程。采用线性分布的不连续单元，通过边界元法，可建立求解薄板源强分布的一组线性代数方程组，引入三维格林函数计算各个基本单元，并由积分方程直接求得附加质量，阻尼力和散射力。结果发现当板非常接近自由表面时，在一定频率范围内，附加质量为负值。本文另一主要特点是引入了GMRES快速迭代算法，这种算法可大量节省计算机内存，计算单元数高达数千个并且具有良好的收敛特性。     

eaWiFS产品格式及转换

为了使更多的用户尽快使用ＳｅａＷｉＦＳ资料,国家海洋局第二海洋研究所（以下简称海洋二所）将ＳｅａＷｉＦＳ产品从复杂的ＨＤＦ格式转换为简单的海洋二所（ＳＩＯ）格式。ＨＤＦ格式在记录结构、函数调用方式、参数存放次序三方面说明,海洋二所为实现格式转换花费大量时间和精力是非常必要的,为许多用户在ＳｅａＷｉＦＳ资料应用中节省了宝贵的时间,大大扩大了ＳｅａＷｉＦＳ资料的应用面和利用率。同时,对ＨＤＦ格式的深入了解,可以为我国的海洋卫星资料数据格式提供技术参考。     

积分多层原始方程的半拉格朗日交替方向隐式法

Bates为了积分浅水方程而发展的有效的半拉格朗日交替方向隐式(SLADI)法被推广到多层原始方程模式。假定基本状态是等温的,线性分析表明这种模式对平流是无条件稳定的,对重力惯性波有与浅水情况相同的稳定性判据。使用实际大气资料进行的积分表明,与爱尔兰气象局业务上使用的显式半拉格朗日模式(Bates和Medonala,1982年)相比,该模式允许使用长的时间步长,并产生了相当大的效益。把这个模式写在C网格上(Arakawa C网格),在垂直方向上使用σ—坐标,(σ=P/P_s),使用图 1中给出的变量垂直分布。离散控制方程组如下:     

交替蛙跳格式在POM的应用

讨论交替蛙跳格式在二维POM的运用。这个交替蛙跳格式是在z坐标下开发的针对线性浅水波方程的一种新的高效无耗散的格式。首先通过一维问题的试验,给出了σ坐标下非线性浅水波的演化特性及其交替蛙跳格式的数值特性,证实该格式的可行性以及优于传统格式的计算效率、守恒性及稳定性。其次,针对该格式二维问题运用讨论了科氏项相应的数值处理,给出了一套完整的数值计算方法,并应用于正压方程和POM外模的数值计算。研究表明,交替蛙跳格式具有两倍于传统蛙跳格式的计算效率,且不再需要Assenlin时间滤波,由此避开了时间滤波带来的数值衰减,具有良好的数值守恒性能。     

采用质点跟踪方法对物质输运方程平流项数值格式的改进

用数值模式对河口海岸地区的物质输运进行计算时,平流项的数值格式必须要能对物质浓度锋面进行正确处理,以避免产生过多的数值耗散或频散。本文中设计了一种在网格内设置一些质点并对质点进行跟踪的格式计算平流项。结果表明,质点跟踪格式在一维情形下无频散和几乎没有耗散,在二维情形下无频散和在水深变化剧烈的地方基本避免了垂向数值耗散。与其他数值格式的耗散性和频散性相比,本文中设计的数值格式明显地提高了物质输运方程中平流项的计算精度,在河口海洋物质输运的计算中具有较大的应用价值。     

在NWP模式中的数值方法——空间方面

一、方法和被发现的性质 在以前的两次“东京会议”之前,在数值天气预报模式中对空间离散化的唯一可行方法是有限差分法。由于转换技术的发明,现在情况大大地改观了,许多全球模式(尤其是中期)如今都使用谱方法。在许多情况下(如日本气象厅,欧洲中期天气予报中心)甚至有限区域模式(短期)已经或者正在发展谱方法(Tatsumi,1985;世界气象组织,1985)。 谱方法在减少相速误差和处理极地问题的优越性是众所周知的。在中期预报上给人印象最深的进步就是使用了谱模式,特别是欧洲中期天气预报模式(Bengtsson,1985)。然而经常出现的问题是——如果它是一个问题的话——是用虚假负地形来描写陡峭的山脉,而这种虚假负地形的局地影响已被认为“在某些情况下是不理想的”(Jarraud and Baeele,1985)。也许人们能在这里增加一些灵活性,以致使某些模式的结果更近似。目前这种灵活性在格点模式中已经引入或正在得到普及,但在谱模式中显然还是不能应用。     

斜压海洋动力学的一种三维数值模式──Ⅱ.温度、盐度和垂直涡动粘性系数的计算

根据海水温度和盐度平流扩散方程给出一种数值计算方案并采用混合长度理论给出垂直涡动粘性系数的计算方法。对于温度和盐度方程,其平流过程采用了Lax－Wendroff格式,水平扩散采用显格式,垂直扩散采用隐格式。时间步长主要受平流过程的Courant-Friedrichs-Lewy条件限制。垂直涡动粘性系数计算依据Prandtl混合长度理论,并考虑了海水层化的抑制作用,因而其数值与流场及密度场结构有关。温度、盐度及垂直涡动粘性系数的计算与动力方程中内模态的计算同步进行。应用本模式模拟渤、黄、东海由潮流、密度流和风海流迭加而成的综合海流,得出了良好的结果。     

非线性波传播的新型数值模拟模型及其实验验证引入变换速度变量

以一种新型的含变换速度变量的Boussinesq型方程为控制方程组,采用五阶Runge-Kutta-England格式离散时间积分,采用七点差分格式离散空间导数,并采用恰当的出流边界条件,从而建立了非线性波传播的新型数值模拟模型.对均匀水深水域内波浪传播的数值模拟,说明在引入变换速度后进一步增大了模型的水深适用范围.对潜堤地形上波浪传播的数值模拟说明,在引入变换速度后进一步提高了模型的数值模拟精度.     

显式完全平方守恒差分格式在近岸海流数值模拟中的应用

用显式完全平方守恒差分格式及其改进分解算法对南海月平均流和海面起伏进行了数值模拟，与隐式完全平方守恒差分格式相比，计算时间可省３－５倍，具有良好的时间效益，而且，其计算效果不比稳式完全平方守恒差分格式差。因此，显式完全平方守恒差分格式及其改进分解算法具有良好的实用价值。