地球系统模式FIO-ESM对2016-2017年La Ni(n)a事件及其对中国近海地区影响的预测

最近的观测表明赤道太平洋中部及东部的水温略低于拉尼娜事件的阈值,但大气与海洋的状态还不足以完全支持转为弱拉尼娜现象.本研究基于地球系统模式FIO-ESM和集合调整卡尔曼滤波同化方案建立的短期气候同化和预测系统,进行了1992-01-01-2016-10-31的模式同化,结果表明同化系统能够为预测提供较好的初始场.随后对2016-2017年拉尼娜事件的状态以及中国近海地区气温和降水异常进行了未来6个月的预测,结果表明赤道太平洋会在2016年年底继续降温,Ni(n)o3.4区海温异常将持续略低于拉尼娜事件的阈值-0.5 ℃,说明2016-2017年为弱拉尼娜事件,2017年春季东太平洋继续降温,表明此次拉尼娜事件可能会持续较长时间.预测结果同时也表明2016年冬季至2017年春季中国近海地区存在着北高南低的气温异常分布,中国南部地区降水存在负异常.拉尼娜带来的极端天气与气候异常会对中国沿岸地区带来巨大影响,但总体来说2016-2017年拉尼娜事件对中国的影响相对较弱.     

对地球系统模式FIO-ESM同化实验中北极海冰模拟的评估

本文评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于集合调整Kalman滤波同化实验对1992-2013年北极海冰的模拟能力。结果显示:尽管同化资料只包括了全球海表温度和全球海面高度异常两类数据,而并没有对海冰进行同化,但实验结果能很好地模拟出与观测相符的北极海冰基本态和长期变化趋势,卫星观测和FIO-ESM同化实验所得的北极海冰覆盖范围在1992-2013年间的线性变化趋势分别为-7.06×105和-6.44×105 km2/(10a),同化所得的逐月海冰覆盖范围异常和卫星观测之间的相关系数为0.78。与FIO-ESM参加CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)实验结果相比,该同化结果所模拟的北极海冰覆盖范围的长期变化趋势和海冰密集度的空间变化趋势均与卫星观测更加吻合,这说明该同化可为利用FIO-ESM开展北极短期气候预测提供较好的预测初始场。     

某高精密设备平台基础隔振措施分析

结合某高精密设备平台基础隔振实际工程,基于UPFs(User Programmable Features)二次开发特点,提出考虑基础-地基-基础动力相互作用计算基础隔振分析的三维有限元方法。该方法首先将动力机器、周围地基以及高精密设备平台基础作为完整的研究对象,通过引入三维紧支黏弹性边界单元模拟半无限地基辐射阻尼效应和远场介质的弹性恢复性能,并在通用有限元软件ANSYS中实现。进而基于最小二乘方法回归分析得到振动衰减关系曲线,通过其与数值分析结果的对比验证计算模型的合理性。最后针对此工程场地条件建立隔振沟减振隔振措施的有限元模型,并对隔振沟影响因素的减振效果进行分析。计算结果表明,隔振沟的位置、深度以及长度是实际工程中需要考虑的重要因素,对其进行合理的选取可获得较好的隔振效果。     

复杂地基条件下桩-土-核岛结构相互作用模型研究

合理有效地模拟桩-土-结构动力相互作用是软土地基条件下核岛厂房结构抗震适应性分析及地基处理的关键环节。以某拟建核岛厂房实际工程为研究背景,结合SuperFLUSH软件平台,以Goodman单元模拟桩与桩周土间的接触效应,采用等价线性法描述近场软土地基非线性特性,并在模型底部和侧面引入黏性边界模拟半无限地基辐射阻尼效应,从而建立土质地基条件下桩-土-核岛结构相互作用分析模型。进而,通过对原状地基和嵌岩桩处理地基条件下核岛厂房的楼层反应谱、结构节点相对位移（绝对值）的对比分析,探讨考虑桩-土间接触效应的嵌岩桩基对核岛厂房结构的影响规律。研究成果可为实际工程中类似土质地基条件下核岛厂房结构的地基处理提供参考。     

利用热带太平洋TAO浮标阵列评估全球高分辨率浪-潮-流耦合模式同化结果

In order to evaluate the assimilation results from a global high resolution ocean model, the buoy observations from tropical atmosphere ocean(TAO) during August 2014 to July 2015 are employed. The horizontal resolution of wave-tide-circulation coupled ocean model developed by The First Institute of Oceanography(FIOCOM model) is 0.1°×0.1°, and ensemble adjustment Kalman filter is used to assimilate the sea surface temperature(SST), sea level anomaly(SLA) and Argo temperature/salinity profiles. The simulation results with and without data assimilation are examined. First, the overall statistic errors of model results are analyzed. The scatter diagrams of model simulations versus observations and corresponding error probability density distribution show that the errors of all the observed variables, including the temperature, isotherm depth of 20°C(D20), salinity and two horizontal component of velocity are reduced to some extent with a maximum improvement of 54% after assimilation. Second, time-averaged variables are used to investigate the horizontal and vertical structures of the model results. Owing to the data assimilation, the biases of the time-averaged distribution are reduced more than70% for the temperature and D20 especially in the eastern Pacific. The obvious improvement of D20 which represents the upper mixed layer depth indicates that the structure of the temperature after the data assimilation becomes more close to the reality and the vertical structure of the upper ocean becomes more reasonable. At last,the physical processes of time series are compared with observations. The time evolution processes of all variables after the data assimilation are more consistent with the observations. The temperature bias and RMSE of D20 are reduced by 76% and 56% respectively with the data assimilation. More events during this period are also reproduced after the data assimilation. Under the condition of strong 2014/2016 El Ni?o, the Equatorial Undercurrent(EUC) from the TAO is gradually increased during August to November in 2014, and followed by a decreasing process. Since the improvement of the structure in the upper ocean, these events of the EUC can be clearly found in the assimilation results. In conclusion, the data assimilation in this global high resolution model has successfully reduced the model biases and improved the structures of the upper ocean, and the physical processes in reality can be well produced.     

南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统研制

本文主要介绍了南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的研制概况。预报区域为99°E~135°E,15°S~45°N,包括渤海、黄海、东海和南海及其周边海域。为了给耦合预报模式提供较准确的预报初始场,在预报开始之前,分别进行了海浪模式和海洋模式的前24小时同化后报模拟。海浪模式和海洋模式都采用了集合调整Kalman滤波同化方法,海浪模式同化了Jason-2有效波高数据;海洋模式同化了SST数据、MADT数据和ARGO剖面数据。为了改进海洋温度和盐度的模拟,我们在海洋模式的垂向混合方案中引入波致混合和内波致混合的作用。预报系统的运行主要包括两个阶段,首先海浪模式和海洋模式进行了2014年1月至2015年10月底的同化后报模拟,强迫场源自欧洲气象中心的六小时的再分析数据产品。然后耦合预报系统将同化后报模拟的结果作为初始场进行了14个月的耦合预报。预报产品包括大气产品（气温、风速风向、气压等）、海浪产品（有效波高和波向等）、海流产品（温度、盐度和海流等）。一系列观测资料的检验比较表明该大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的预报结果较为可靠,可以为南海及周边海洋资源开发和安全保障提供数据和信息产品服务。     

静态集合样本的构造及其在全球海浪滤波同化中的应用

本文提出一种最佳静态集合样本的构造方法,利用不同时段内海浪有效波高的模拟偏差构造静态集合样本,并将其与由模拟结果和观测资料统计的模式误差进行概率密度分布及时空相关性分析,结果表明24h间隔有效波高偏差与后者的相关性最好,称为最佳静态集合样本,可用于近似背景误差。将所构造的静态集合样本应用于滤波同化调整过程,采用MASNUM海浪模式,利用Jason-1卫星高度计数据,对2008年全球海域开展海浪同化实验,实验结果表明,基于最佳静态集合样本的海浪同化调整,可以有效地改善海浪模式的模拟效果。     

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究——Ⅱ.集合样本对同化效果的影响

背景误差相关结构的确定是影响海浪同化效果的关键因素之一。集合Kalman滤波是一种较为成熟的同化方法,其可以对背景误差进行实时更新和动态估计,现已广泛应用于海洋和大气领域的研究。本文基于MASNUM-WAM海浪模式,分别采用静态样本集合Kalman滤波和EAKF方法,针对2014年全球海域开展海浪数据同化实验,同化资料为Jason-2卫星高度计数据,利用Saral卫星高度计资料对同化实验结果进行检验。结果表明,两组同化方案均有效提高了海浪模式的模拟水平,EAKF方案在风场变化较大的西风带区域表现显著优于静态样本集合Kalman滤波方案,但总体上两者相差不大。综合考虑计算成本和同化效果,静态样本集合Kalman滤波方案更适用于海浪业务化预报。     

基于非规则类矩形剖分的高效并行海浪数值模式

针对MASNUM全球海浪数值模式,设计了一种负载近绝对均衡的非规则类矩形剖分及计算格点序列化排序与交换方案,建立了高效并行海浪数值模式.基于国家超算济南中心的神威蓝光平台,对建立的全球并行海浪模式进行了1°×1°,(1/2)°×(1/2)°,(1/4)°×(1/4)°和(1/8)°×(1/8)°四种不同水平分辨率的无IO并行测试,测试规模达到131072进程.测试结果表明:随着进程数目的增多,四种分辨率并行模式的计算速度均在提高.当进程数目为基准进程数目的4倍时,四种分辨率的加速效率均在80%以上;当进程数目达到8倍基准进程数目时,1°×1°,(1/2)°×(1/2)°和(1/4)°×(1/4)°三种分辨率加速效率都还在80%以上,而此时(1/8)°×(1/8)°分辨率使用131072进程的加速效率仍可达62%;当进程数目为24倍基准进程数目时,1°×1°分辨率的加速效率可达72%,(1/2)°×(1/2)°分辨率的加速效率为62%,而此时(1/4)°×(1/4)°分辨率使用98304进程的加速效率仍可达到38%.从加速比和加速效率来看,采用非规则类矩形剖分的并行方案可以使得全球海浪数值模式具有高并行效率.