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。     

海岸河口潮流数值模拟的研究与进展

对海岸河口地区潮流场的数值模拟方法进行了较为系统的归纳总结和评述,对潮流数值模拟的发展趋势进行了分析.     

海岸河口三维潮流数学模型

本文采用有限元法建立了适用于海岸河口浅水地区的三维潮流数学模型，垂向采用绝对分层坐标系统，将整个水柱分成若干层，在每层内通过垂向积分平均，将三维问题简化为多个平面二维问题。在求解有限元方程中，引入集中质量矩阵技术，在时间上采用两步ＬａｘＷｅｎｄｒｏｆｆ格式，使有限元方程直接以显式解出，不需联立求解，节省了大量的计算时间和计算内存，通过模拟表面切应力作用在矩形水地上而引起的水流，计算结果与分析解比较一致，并将本模型应用到香港维多利亚水道中，计算结果与实测值亦符合较好，证明本模型是一个实用而有效的三维潮流数学模型。     

盐场高度分层下的三维斜压数值模拟

采用基于Backhaus的三维斜压模式计算珠江口水动力特性。改进了原模式的盐度差分格式和方程,采用二阶精度差分格式并引入了物理扩散项。改进后盐度差分方程较好地反映珠江口盐度成层现象。本文给出了两个点的水位数值模拟与实测值的对比,给出了包含8个口门珠江口的计算潮流场及盐场,讨论了盐度高度成层条件下珠江河口水动力特性。     

河口三维非线性Galerkin谱模型

作者应用Galerkin谱方法建立了河口三维非线性数值模型,研究了一个理想河口在迳流和潮汐作用下水体的运动及混合。模型中选用了经验湍模型,并选取了一个特殊的基函数系,使自由表面边界条件得以严格的满足,改进了对垂直结构拟合的收敛性。     

杭州湾的三维水流数值模拟

建立了一个基于σ变换和内外模式分裂技术三维水流数学模型,采用有限节点法（平面）和变步长差分法（σ向）对方程进行了离散;通过风生流和环岛水流两个理论模式对所建模型进行了校验,并将该模型应用到杭州湾的三维水流数值模拟中,效果良好,所建模型垂向分辨率高,简单实用,可应用于河口,海岸,湖泊等大范围水域的水流数值计算。     

三维斜压模式对冬季南海环流的数值计算

用一个三维、自由表面、原始方程模式对南海环流进行了计算.计算结果表明:黑潮在巴士海峡以西呈一反气旋弯曲流动路径,有一相对高温高盐的水舌从巴士海峡伸入南海,表明有部分黑潮水侵入南海.冬季南海的一些观测事实在模式结果里得到了很好的反映,像冬季逆风向东北方向流动的“南海暖流”和一些中尺度涡旋.同时还分析了巴士海峡沿120.75°E断面的流速和盐度的垂直结构,并同观测结果进行了比较.根据模式结果,我们还进一步讨论了“南海暖流”的形成和驱动机制.     

河口海岸环境沉积速率研究方法

沉积速率是河口海岸沉积环境的重要参数,对于河口海岸地质历史时期沉积速率的研究,大多采用^14C年龄值计算;现代河口海岸沉积速率的研究方法较多,常见的有河流输沙法,海图对比法,GIS法,放射性同位素测年法等。^14C法结合考古,孢粉等方法,能比较真实地反映河口海岸地质历史时期的沉积速率,对于现代河口海岸沉积,由于GIS和DEM方法的发展和计算机功能的支持,使海图对比的方法克服了手工带来的误差,目前仍然是一种可以使用的方法。放射性同位素^210Pb,^137Cs,^239,240Pu法使沉积速率的计算趋于定量化,在一定时间区域范围内,多种同位素测年同时运用,相互印证,从而使河口现代沉积速率更加准确。     

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.     

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。     

降低水平压力梯度误差的方法比较

由于坐标变换的关系,σ坐标海洋模式在处理陡峭地形时会产生较大的水平压力梯度误差.为减少水平压力梯度误差,前人提出了一系列改进的方法,这些方法可分为减去平均密度法、平滑地形法、网格变换法和水平压力梯度计算方程变换法4类.水平压力梯度计算方程变换法又可分为密度雅克比法、高阶精度法、有限体积法和转换到z坐标下计算水平压力梯度法.利用POM模式模拟理想海山来比较标准密度雅克比法、线性插值到z坐标法、四阶精度插值法、三次方多项式拟合法和权重密度雅克比法在计算水平压力梯度中出现的误差.模式初始时垂向分成,水平均匀,外模时间步长为12 s,内模时间步长为360 s,计算时间为360 d.从最大流速误差的结果可以看出,标准密度雅克比法得到的最大流速误差为0.45 m/s左右;线性插值到z坐标法得到的最大流速误差达到0.7 m/s;四阶精度方法计算得到的最大流速误差为0.3 m/s;权重密度雅克比方法和三次方多项式拟合法计算得到的最大流速误差相差不大,都只有0.2 m/s左右.标准密度雅克比法计算得到的单位质量平均动能最大,为9×10-4 m2/s2;四阶精度方法和线性插值到z坐标方法计算得到的单位质量平均动能差不多,为3×10-4 m2/s2;三次方多项式拟合法计算得到的单位质量平均动能为1.9×10-4 m2/s2;权重密度雅克比方法计算得到的单位质量平均动能最小,仅为1×10-4 m2/s2.标准密度雅克比法的计算耗时最短,为294 min;与其相比,三次方多项式拟合法的计算耗时增加了5.9%;权重密度雅克比法的计算耗时增加了8.8%;四阶精度插值法的计算耗时增加了23.6%.线性插值到z坐标法的计算耗时最长,需要384.5 min,相对于标准密度雅克比法的计算耗时增加了30.6%.因此,综合最大流速误差、平均动能和计算耗时的结果可知,线性插值到z坐标法的计算结果相对较差,采用权重密度雅克比法能较好地降低水平压力梯度误差.     

Numerical study on residual current and its impact on mass transport in the Hangzhou Bay and the Changjiang Estuary I. A3-D joint model of the Hangzhou Bay and the Changjiang Estuary

ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＲｅｓｉｄｕａｌｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｉｔｓｉｍｐａｃｔｏｎｍａｓｓｔｒａｎｓｐｏｒｔａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｃｏａｓｔａｌｅｎ ｖｉｒｏｎｍｅｎｔ.Ａｌｔｈｏｕｇｈｌｏｔｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｏｎｅｏｎｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｍａｓｓｔｒａｎｓ ｐｏｒｔｉｎｔｈｅＨａｎｇｚｈｏｕＢａｙａｎｄｔｈｅＣｈａｎｇｊｉａｎｇＥｓｔｕａｒｙ (Ｃａｏ ,1 989;ＣａｏａｎｄＦａｎｇ ,1 986 ;Ｃｈｅｎｅｔａｌ.,1 992 ;ＨｕａｎｄＨ…     

渤、黄、东海夏季环流的三维斜压模型

基于拉格朗日时均观点描述环流,建立起潮流与准定常流共同占优势系统中的陆浅海环流模型,并诊断计算了夏季渤、黄、东海的三维环流图。模拟结果较好地再现了渤、黄、东海主要流系的特征。对照冬季结果,对渤、黄、东海环流的季节变化做了阐述。从环流垂向分量的分布图上,可发现渐闽近海、长江口外存在较明显的上升流区。另外,对夏季渤、黄、东海的热盐环流和潮致余流分别进行了模拟,发现它们均能在黄海构成一逆时针向的五流系统,这对形成和维持夏季黄海冷水团的存在有重要作用。热盐环流的模拟结果表明,黄海冷水团环流含有“热成流”的成分;通过Lagrange余流的计算发现环绕黄河冷水团的环流还含有“潮成流”的成分。     

港珠澳大桥隧道沉管安装定位及姿态监测技术

重点介绍了针对港珠澳大桥海底沉管对接过程中水下精密定位及姿态监测技术方法,采用了水上RTK定位与水下姿态监测技术相结合,并实时监测测量塔挠度,通过三维坐标转换实现了高精度的对接定位及姿态监测,开发可视化仿真模拟软件,指导沉管水下对接。简要介绍了安装定位过程的实施步骤、关键工序和定位精度分析。     

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.     

A study of estuarine flow using the roving adcp data

A study of estuarine flows during a neap tide was performed using 13-hour roving acoustic Doppler current profiles (ADCP) and conductivity-temperature-depth (CTD) profiles in the Altamaha River estuary, Georgia, U.S.A. The least-squared harmonic analysis method was used to fit the tidal (M₂) component and separate the flow into two components: the tidal and residual (M₂-removed) flows. We applied this method to depth-averaged data. Results show that the M₂ component demonstrates over 95% of the variability of observation data. As the flow was dominated by the M2 tidal component in a narrow channel, the tidal ellipse distribution was essentially a back-and-forth motion. The amplitude of M2 velocity component increased slightly from the river mouth (0.45 m/sec) to land (0.6 m/sec) and the phase showed fairly constant values in the center of the channel and rapidly decreasing values near the northern and southern shoaling areas. The residual flow and transport calculated from depth-averaged flow shows temporal variability over the tidal time scale. Strong landward flows appeared during slack waters which may be attributed to increased baroclinic forcing when turbulent mixing decreases.     

河口最大浑浊带形成的动力模式和数值试验

应用改进的ECOM模式,耦合泥沙输运模型,研究理想河口最大浑浊带形成的动力机制。河口最大浑浊带位于滞流点处,上下游余流均向该处输运泥沙,造成该处泥沙汇合,而由流场辐合产生的上升流又使该处的泥沙不易落淤。南岸(河口东向)的泥沙浓度比北岸高,最大浑浊带位于南岸,这是由于盐水入侵带来的高盐水位于北岸的底层,其斜压效应使底层的环流由北向南流动,把底层高浓度的泥沙向南岸平流,聚集于南岸底层。除上游河流泥沙来源外,强大的涨落潮流冲刷床面,使沉降于床面的泥沙再次悬浮,成为余流输运泥沙的来源之一。     

河口环流和盐水入侵I--模式及控制数值试验

本文应用ECOM模式,设计1个控制试验,研究理想河口环流和盐水入侵的动力过程.数值计算结果表明,盐水入侵产生盐度锋面,在锋面处底层存在着向陆的密度流,为保持断面上质量连续,上层的流速趋于增大;近口门附近底层流有偏南分量,表明有横向环流存在.在口门外因斜压和底形的作用,产生明显的上升流.盐水入侵在空间上具有不对称性,高盐水位于北岸的下层.在拦门沙上游出现上下2个相反方向的横向环流,而在口门处只出现1个顺时针方向的横向环流.从动力机制上分析了盐水入侵的空间不对称性和横向环流的产生.