冰与结构的耦合振动模型

针对冰与结构的相互作用问题进行了分析研究。在Ｓｏｄｈｉ模型的基础上提出一种新的冰与结构的耦合振动模型。通过引入冰板破坏长度的特征参数,将冰与结构的耦合作用分为加载、穿透和分离三种典型状态,给出了各种状态下的运动方程和求解方法及不同状态间的转化关系,从而获得结构冰致振动的稳态周期响应,并运用这一模型对结构与冰的各种参数的影响作了系统研究。结果表明,本模型适用于相当宽的冰和结构的参数范围及冰板弯曲的屈     

基于多光谱遥感的湖冰物候监测方法研究进展

湖冰是气候变化的指示器,其中湖冰物候与短期或长期的全球变暖、大气变化、大洋涛动等相关性显著。湖冰物候期的提取是分析湖冰对全球气候响应规律的基础,也是研究全球气候变化的重要组成部分。传统以人工或气象站点观测的湖冰物候事件的方法无法满足研究需要,遥感技术尤其是多光谱遥感提供了强有力的技术支撑。本文以湖泊冰物候事件为基础,总结了湖泊冰物候定义的四种方法;再由遥感湖冰监测的机理,指出湖冰的反射光谱特征,在此基础上综述多光谱遥感监测湖冰物候的方法,并对比几种方法的优劣。本文是利用多光谱遥感技术提取湖泊冰物候的重要依据,为遥感在湖泊冰物候变化监测和气候变化响应研究中的应用奠定了基础。     

渤海海冰特征

本文总结了中国渤海海冰的调查研究、试验分析、应用经验,给出了渤海冰的主要特征、工程应用参数,以及冰力计算方法和海冰管理的组织实施办法。副极地海域冰动力学－渤海冰研究     

海冰模式和数值预报

根据渤海冰情,在海冰动力学和热力学研究基础上,提出一种海冰动力一热力模式。该模式包括平整冰、堆积冰和开阔水三要素,采用粘一塑性本构关系计算冰内应力。利用参数化方法处理变形函数和热力增长率。该冰模式与潮流模式耦合研究渤海冰－潮相互作用,并与ＥＣＯＭ－Ｓｉ海洋模式耦合进行预报试验。该冰模式与大气模式联接,或应用气象部门数值天气预报产品进行海冰业务数值预报。本文还给出了预报结果。     

自升式钻井平台抗冰特性试验研究

自升式钻井平台在设计时通常不考虑冰荷载的作用,要实现冰区作业,首先需要对该类平台的抗冰能力进行准确评估。本文通过开展冰池试验,对自升式钻井平台冰载荷作用机理、结构冰激特性以及抗冰方法等进行研究。海洋结构受到的冰荷载大小以及结构响应值与冰厚密切相关,冰激振动机理与冰厚无关,探究不同冰速和冰厚下冰荷载及振动响应的时程曲线,可发现低冰速下结构展现出的准静态响应特征以及高冰速下的随机响应特征。冰激振动的发生是结构固有特性、冰速、冰厚、冰材料参数等因素共同影响的结果,其作用机理尤为复杂,本研究侧重于桁架式自升式平台冰区作业中结构冰激振动特性研究。     

乌梁素海湖泊冰消融过程的现场观测

为了研究湖泊冰消融过程中的水文特征,以内蒙古乌梁素海湖泊为研究对象,对湖泊冰消融过程中气温、冰温、水温和冰厚度进行连续观测,以分析冰温和水温对气温变化的响应,并建立冰厚度与累积正积温间的关系。用冰钻钻取6根处于不同消融时期的冰芯样品,测定其表观密度,并从冰的晶体类型、表面特征、冰体透明度、气泡形态和气泡数量等方面分析冰柱的形态结构。结果表明:气温是影响冰温变化的主要因素,但冰温的变化过程滞后于气温的;冰下水的温度稳定在-0.20~-0.35℃,不受气温的影响。湖冰消融期冰的表观密度为611.5~920.3kg/m3,小于纯冰的密度,其随着冰层的消融而减小;且冰层上部密度小于中下部的,这主要冰融水沿孔隙下渗有关;随着湖冰的消融,冰的晶体类型、冰表面特征、冰体透明度、气泡形态和气泡数量等方面均有较大变化。     

黄河三角洲冰-泥(沙)互层及其产出的沉积构造

冬季,黄河三角洲独特的水文条件和气候环境形成了大量冰 泥互层的特殊现象。按成因,黄河三角洲上冰 泥互层可分为沉积型和侵蚀充填型两种。冬末春初,当气温回升,冰层融化,在冰 泥互层区可以形成3种特殊的、未见报道的沉积构造:冰成泥沙笋、冰成豆粒和冰融水滴坑。这些沉积构造和冰 泥互层区遗迹是冰 泥互层现象重要的地质记录,可用以指导古代地层中类似现象的识别和正确解释。冰 泥互层多发育于冬季广泛出露的边滩、心滩和部分河道上,是暴露与准暴露沉积环境和低温(±0℃)气候条件下的产物。结合黄河三角洲和莱阳盆地莱阳组马耳山段地层研究认为,对冰 泥互层及其产出的沉积构造的研究对于沉积环境和气候条件恢复具有重要意义。     

抗冰导管架平台动力特性分析

目前的抗冰导管架平台结构设计主要是考虑极限冰力引起的破坏,尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。为了更好研究冰荷载、冰激振动机理以及提出合理的概念设计,冰荷载下抗冰导管架结构的动力特性分析是十分必要的。基于现场冰与导管架结构相互作用的多年观测以及数值模拟研究,分析渤海辽东湾典型导管架结构在交变冰力作用下的动力特性,提出了适于冰荷载研究与抗冰导管架结构概念设计、分析的简化力学模型,解释柔性抗冰导管架结构动力效应显著的原因。     

后记

本专辑分为两部分。 前部分是极冰研究信息,主要是海冰数值模拟进展。随着卫星等高技术探测手段应用到海洋和气象卫星上,对两极冰的监测已积累了20多年的全面的、系统的资料,为极冰的研究创造了必要的条件。极冰在全球气候变化中起着重要的作用。因此,研究极冰及其对气候的影响已成为全球气候研究计划的重要组成部分。这部分的内容主要分5节:海冰的性质和     

南极阿蒙森海冰间湖的时空变化及其影响因素

本文利用由卫星微波辐射计数据反演获得的薄冰厚度和产冰速率数据,分析了南极阿蒙森海冰间湖(Amundsen Sea Polynya, ASP)在2003—2010年和2013—2020年期间的时空变化特征,结合大气再分析数据中的表面风速和气温数据,进一步探究了影响阿蒙森海冰间湖变化的因素。研究表明,阿蒙森海冰间湖位于斯维茨固定冰舌(Thwaites Fast-ice Tongue, TFT)以西的沿岸海域,大体呈现反L形,即在风的作用下,阿蒙森海冰间湖从TFT西侧向西发展,从多特森冰架(Dotson Ice Shelf, DIS)沿岸向北发展。此外,阿蒙森海冰间湖在南极冬半年的4—10月期间基本维持开放状态,但是其面积与产冰速率在相邻的两天常常发生大幅度变化,并且与其上空的风速之间具有良好的相关性。研究发现,东风分量通过调节冰间湖内部海冰的输运,主导了阿蒙森海冰间湖的面积变化;南风分量携带来自DIS沿岸陆地的冷空气加剧阿蒙森海冰间湖表面的热损失,是冰间湖产冰速率增加的决定因素。     

一种冰-海洋模式的热力耦合方案

冰与海洋的热力耦合对冰与海洋环流的模拟有极其重要的影响,是冰-海洋相互作用的一个重要方面.对其精确确定需要详细考虑冰-海洋界面附近的湍流过程,这在长时期的模拟特别是气候模拟中,常受到技术条件的限制.过去的研究常常假设冰下海洋混合层的温度为冰点,特别是在单纯冰模式的模拟中,但考虑海冰漂移和冰点变化的效应时,这一假设是不精确的.因此,弱化冰下海洋混合层温度为冰点的约束,不考虑详细的冰-海洋界面和海洋混合层的湍流过程,根据冰-海洋耦合系统的能量收支关系,设计了一个简化的冰-海洋热力耦合方案.对该方案引起的海洋混合层适应、热力结构和海冰发展的影响进行了分析,并将其用于全球冰海洋耦合模式的数值试验,结果表明,在大气热力强迫下该耦合方案既可使冰区混合层海水温度向冰点适应,又使冰边缘带海水温度与冰点保持明显差异,能够较好地反映冰-海洋热力相互作用.利用该耦合方案构造的全球冰-海洋耦合模式模拟的海冰范围及季节变化与实际观测非常接近.     

渤海冰情航空遥感技术研究

本文着重介绍了国家“七五”重点科技攻关专题“海冰航空遥感技术研究”的主要成果。经过五年的高空和地面试验、研究及应用,初步形成了包括航空遥感海冰监测系统、测冰航线设计、海冰地面定标分析、航空遥感测冰航线设计、海冰地面定标分析、航空遥感测冰资料地面处理在内的航空遥感测体技术系统并得到应用。该系统具有监测和分析海冰类型、流冰密集度、冰块大小、流冰范围、海冰厚度、冰脊分布和海冰温度等参数的能力。在可见光、红外和微波波段测一年冰的应用技术研究方面,取得较大进展,达到了80年代国际先进水平。     

渤海冰-海洋耦合模式Ⅰ.模式和参数研究

在国内外冰-海洋耦合模式研究基础上,根据渤海水文、气象和冰情特点,以国家海洋环境预报中心的渤海海冰预报模式和POM海洋模式为基础,开发了一个冰-海洋耦合模式.在该耦合模式中,冰和海洋之间的动量和热量交换是双向的,冰厚和冰密集度的变化不仅由冰表面和冰底的热收支决定,还由开阔水的表面热收支决定.侧重阐述了耦合模式的动力和热力学过程的耦合,并对模式中一些热力参数进行了讨论.     

渤海冰-海洋耦合模式——I．模式和参数研究

在国内外冰-海洋耦合模式研究基础上，根据渤海水文、气象和冰情特点，以国家海洋环境预报中心的渤海海冰预报模式和POM海洋模式为基础，开发了一个冰-海洋耦合模式．在该耦合模式中，冰和海洋之间的动量和热量交换是双向的，冰厚和冰密集度的变化不仅由冰表面和冰底的热收支决定，还由开阔水的表面热收支决定．侧重阐述了耦合模式的动力和热力学过程的耦合，并对模式中一些热力参数进行了讨论．     

基于黏聚单元法计算分析海洋平台锥形立柱冰载荷

基于非线性有限元分析方法和LS-DYNA计算软件,使用黏聚单元法建立层冰的数值模型,并进行了层冰与锥形立柱相互作用的数值模拟,研究抗冰锥角、冰厚等参数对立柱所受冰载荷的影响。模拟结果与实测和试验结果吻合良好。研究结果表明:使用黏聚单元法建立的层冰模型可以较好地模拟出层冰的破碎和堆积过程,冰载荷计算结果与ISO冰力标准结果以及离散单元法计算结果吻合较好;锥形立柱的抗冰锥角大小对冰载荷影响明显,随着锥角增大,水平方向的最大冰力增大而竖直方向上最大冰力减小;锥形结构改变了碰撞过程中层冰的破坏形式;结构物所受冰力大小与层冰厚度呈正相关,且增加速度接近线性。     

块状冰对螺旋桨水动力性能的影响

基于重叠网格模型,通过非定常RANS数值模拟与结果分析,研究了块状冰的尺寸、轴向运动和冰桨位置对螺旋桨水动力性能的影响。选用切割体网格绘制整体静止计算域的背景网格,之后结合棱柱层网格绘制螺旋桨子计算域和冰块子计算域的重叠网格,不同的计算域之间通过两者的重叠区域进行数据传递和插值。计算结果显示,当冰块固定在桨前时,螺旋桨产生的非定常推力和扭矩均以叶频为基频进行周期性变化,而且两者的时间平均值和振幅主要受冰块在螺旋桨盘面内的轴向投影面积、冰桨轴向位置和冰桨水平位置的影响;当冰块在桨前沿轴向匀速靠近螺旋桨时,冰桨轴向距离逐渐变小,冰桨周向相对位置发生周期性的变化,使得推力和扭矩两者均以叶频振荡,而且两者的时间平均值和振幅均随着冰桨轴向距离减小而增加。     

螺旋桨对海冰切削作用的DEM-FEM耦合分析

当船舶在冰区航行时,螺旋桨会与海冰相互碰撞并导致桨叶的变形和损坏,进而影响船舶的航行安全。为研究海冰与螺旋桨的相互作用过程,采用离散元(DEM)—有限元(FEM)耦合方法构建海冰—螺旋桨切削模型。海冰和螺旋桨模型分别采用具有黏结—破碎特性的球体离散单元和8节点六面体有限单元构造。基于该DEM-FEM耦合模型讨论了不同切削深度下,螺旋桨所承受冰载荷的特点和规律;最后,研究了螺旋桨切削海冰过程中进速系数、推力系数、扭矩系数之间的对应关系,并讨论了海冰—螺旋桨相互作用过程中冰压力、Mises应力和变形的分布特点。以上研究可为寒区船舶安全航行和螺旋桨设计提供有益的参考。     

预测细粒酒精模型冰物理和力学参数的实验关系

依据模型冰物理性质控制其力学性质的原则 ,利用能量平衡观点建立了冰内未冻结液体含量同制冰过程中的冰池温度、降温及升温时间、模型冰厚度 (喷雾时间×流量 )的理论关系 ,以其量纲表达式作为预测模型冰物理和力学参数的综合控制指标 ;通过系统测量酒精溶液冰点温度、冰池大厅气温、模型冰温度、冰内未冻液含量、冰密度、冰压缩强度、冰弯曲强度和冰变形模量 ,获得了不同冰点温度模型冰的物理和力学参数同该综合控制指标的实验关系 ;实现了用人为可控制因子定量控制模型冰物理和力学参数的目的     

南极普里兹湾达恩利角固定冰附近局地高密陆架水的来源

本文采用固定冰数据集和南极象海豹获取的现场观测数据集,分析了南极达恩利角固定冰附近局地高密陆架水的变化。结果表明：首先,达恩利角固定冰存在显著季节变化,对于达恩利角冰间湖及局地高密陆架水的生成都具有重要影响。其次,达恩利角固定冰在2000-2014年期间年际变化很小,无显著增减趋势。第三,达恩利角固定冰附近局地高密陆架水有两个显著来源：（1）3-4月,达恩利角固定冰快速生成时伴随着强烈的盐析作用,进而局地生成高密陆架水;（2）5月,达恩利角固定冰达到最大范围,局地盐析作用减弱至很小,而上游在冰架水抑制作用减弱后,麦肯基湾冰间湖海域的高密陆架水生成增强,能够向西北输运至达恩利角固定冰附近。本研究初步证明达恩利角固定冰除了维持达恩利角冰间湖存在的作用外,对局地高密陆架水生成也可能有重要影响,同时指出一条重要的水团输运路径,这有助于提高对达恩利角附近冰-海相互作用的理解,对该地区开展更多观测或模拟研究是必要的。     

乌梁素海结冰过程中总磷的迁移过程研究

以内蒙古乌梁素海为研究对象,测量不同冰厚时冰体与其对应冰下水体的总磷(TP)含量,探究结冰过程中TP在冰-水界面及冰体内部的迁移过程。结果表明:水体中TP的均值含量是其对应冰体内的1.51倍,即乌梁素海结冰过程中具有排磷效应,根据固-液平衡理论对乌梁素海结冰过程中磷的迁移作出了合理解释:当温度低于低共熔点温度时就会发生共晶转变,此时湖水中将有H2O(s)和TP(s)同时析出。在冰体内部,因冰盖和昼夜温差的影响,使上层冰体的TP含量大于中下层冰体,且TP随着排磷通道在冰体内部迁移,由于冰盖厚度的改变使冰生长速率发生变化,导致冰体内部及冰-水界面处TP的迁移通量发生改变