分段循环荷载作用下非饱和土轴对称固结特性研究

基于Fredlund等提出的非饱和土轴对称固结理论,采用傅里叶级数展开法和拉普拉斯变换法提出了等应变条件下分段循环荷载作用下同时考虑径向(r方向)和竖向(z方向)渗透的非饱和土轴对称固结半解析解。基于等应变假设和径向边界条件,给出了等应变条件下的超孔隙气压力u_a和超孔隙水压力u_w的控制方程。然后利用级数展开与Laplace变换求解并给出了超孔隙压力及平均固结度的半解析解。此外,通过退化法以及有限差分法验证了所提解和相应结果的正确性。引入3种具体的分段循环荷载,研究了渗透系数之比k_a/k_w、模型尺寸N和荷载特征参数a对非饱和土轴对称固结特性的影响,所得结论更加符合实际,可为非饱和土地基处理提供理论指导。     

中尺度涡旋混合参数空间变化对物理场以及CFC-11模拟的影响

本文选用中国科学院大气物理研究所全球海洋模式(LICOM),对中尺度涡旋参数化方案(GM90方案)中等密度扩散系数和等密度面厚度扩散系数(统称为涡旋扩散系数A_ρ)对物理场及CFC-11(一氟三氯甲烷)分布的影响进行了研究。本文做了两个试验,即涡旋扩散系数采用常系数方式(对照试验)和采用在非绝热层以下A_ρ随海洋浮力频率垂直变化的参数化方案(浮力试验)。模拟结果表明,依浮力频率垂直变化的方案对模式物理场的模拟能力有一定程度的提升,如南极绕极流的输送强度比常系数方案增大了约20%~30%,与观测事实更接近;浮力试验对对照试验中过强的南极中层水有一定的削弱作用,使得模式对南大洋高纬次表层位密度的模拟有一定的改善。稍有不足的是,浮力试验对南极底层水也有一定的削弱,使得2000~3000 m深度位密度模拟较常系数方案偏低。通过对CFC-11分布、存储以及输送的研究发现,次网格参数取值的不同对南大洋CFC-11模拟情况有较大影响。浮力试验加大了南北高纬CFC-11海表的吸收通量,对南极大陆周边海域向南大洋主储藏区(34°S~60°S)的CFC-11输送能力有一定的增强,使得南大洋对CFC-11储藏量增大,大部分海区与观测资料更接近。通过CFC-11断面分析,浮力试验对南大洋上层海洋位密度模拟的改善使得CFC-11垂直结构与观测更接近。     

太平洋海气CO2通量对气候事件的响应

应用一个嵌套了海洋生物地球化学循环的太平洋环流碳循环模式,分析了1960～2000年太平洋不同海区海气碳通量随时间的变化。模拟结果显示,赤道太平洋为大气CO₂的排放区,南、北太平洋(南、北纬15°至模式计算区域南、北边界)为吸收区。3个海区海气碳通量随时间均存在显著的波动,其中赤道太平洋海气碳通量年际波动最显著。3个海区海气碳通量年际波动对气候事件的响应并不一致,在El Niño年赤道太平洋冷舌的强度和总溶解无机碳(DIC)的浓度以及输出生产力均会受到上升流减弱的影响而降低,La Niña年这些海气碳通量控制要素的分布情况则正好相反,但在南北太平洋副热带以及高纬度海区,El Niño和La Niña对这些要素带来的影响却并不一定相反,对输出生产力的影响甚至是一致的。以海表温度(SST)为例考察海气碳通量与物理场之间的关系表明,在赤道太平洋上升流对DIC的影响是控制海气碳通量变化的主要因素,而在其他海区,尤其是副热带海区,由于垂直运动的年际变化较小,且生物生产力水平较低,SST的波动对海气碳通量年际变化的影响更加重要。     

Estimates of anthropogenic CO<Subscript>2</Subscript> uptake in a global ocean model

A global ocean general circulation model (L30T63) is employed to study the uptake and distribution of anthropogenic CO₂ in the ocean. A subgrid-scale mixing scheme called GM90 is used in the model. There are two main GM90 parameters including isopycnal diffusivity and skew (thickness) diffusivity. Sensitivities of the ocean circulation and the redistribution of dissolved anthropogenic CO₂ to these two parameters are examined. Two runs estimate the global oceanic anthropogenic CO₂ uptake to be 1.64 and 1.73 Pg C yr^-1 for the 1990s, and that the global ocean contained 86.8 and 92.7 Pg C of anthropogenic CO₂ at the end of 1994, respectively. Both the total inventory and uptake from our model are smaller than the data-based estimates. In this presentation, the vertical distributions of anthropogenic CO₂ at three meridional sections are discussed and compared with the available data-based estimates. The inventory in the individual basins is also calculated. Use of large isopycnal diffusivity can generally improve the simulated results, including the exchange flux, the vertical distribution patterns, inventory, storage, etc. In terms of comparison of the vertical distributions and column inventory, we find that the total inventory in the Pacific Ocean obtained from our model is in good agreement with the data-based estimate, but a large difference exists in the Atlantic Ocean, particularly in the South Atlantic. The main reasons are weak vertical mixing and that our model generates small exchange fluxes of anthropogenic CO₂ in the Southern Ocean. Improvement in the simulation of the vertical transport and sea ice in the Southern Ocean is important in future work.     

一个太平洋海盆尺度环流模式及其模拟结果

在中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的全球气候海洋环流模式(LICOM)的基础上构建了一个太平洋海盆环流模式,并对其模拟结果进行了深入的分析.在模拟中对中尺度示踪物输送采用了两种方案,即传统的水平扩散方案(HOR)和包括涡旋诱导速度的等密度面扩散方案(GM).对这两个试验的气候平衡态结果分析发现,该模式较好地模拟出了太平洋的环流特征,包括副热带大涡、副极地涡旋以及南极绕流(ACC)等.赤道附近的各种流系亦得到了较好的模拟,模拟的150°W赤道潜流的最大流速为40 cm/s,出现在次表层130 m左右,虽然模拟值比基于NCEP资料估计的最大流速80 cm/s小,但与其位置十分相近.两个试验均较好地模拟出了温盐的分布结构,包括北太平洋和南太平洋中层水的形成以及南极底层水的输送等.通过详细分析两个试验结果发现,总的说来在目前模式所采用的参数条件下,GM的结果稍好于HOR的结果.这些模拟结果表明,在LICOM基础上构建的太平洋环流模式从总体上是能再现许多观测特征的,可为今后进一步研究被动示踪物在北太平洋的分布等问题提供一个十分有用的工具.     

二维温盐环流模型研究^14C在海洋中的分布

海洋碳循环模式中常使用放射性同位素＾１４Ｃ来检验该模式的物理模型是否较好地反映了海洋中的大尺度变化的过程。本工作使用的物理模型是包括太平洋、大西洋和南大洋在内的二维温盐环流模式，在给定的年平均海表强迫下积分４０００年后，环流达到准稳态，其定常流场用来驱动＾１４Ｃ模式。对＾１４Ｃ模式积分５０００年以上，可得到＾１４Ｃ稳态的分布。使用不同的二氧化碳海气交换系数和垂直湍流扩散系数值进行了７个实验，发现使     

全球海洋模式对CFC-11分布的初步模拟研究

使用中国科学院大气物理研究所(IAP)三十层全球海洋模式(L30T63)研究了CFC-11在全球海洋中的吸收和分布,初步讨论了决定其分布特征的可能因素.该模式采用自由表面结构和Gent-McWilliams中尺度示踪物参数化方案.通过对控制试验得到的CFC-11模拟结果分析可知,CFC-11海表浓度受温度影响显著,其分布形状大致与温度相似,但梯度相反.通量的分布受温度影响很大,且表现出很明显的季节变化特征,如不饱和区一般出现在冬季海区的中层水形成处或者强对流混合存在的区域.另外,对CFC-11的模拟结果与三个大洋的五个断面航测资料做了对比,发现模拟结果与观测资料吻合较好,能比较清楚地反映CFC-11输送与等密度面垂直分布以及环流场的密切关系,如在南大洋50°S以北至35°S以南等密度面的向下加深区是CFC-11的主要贮存区等.与大多数前人的工作相比,该模拟结果较好地反映了CFC-11在南大洋的分布特征.从这些反映出该模式对于大洋十年尺度物质交换与海洋内部输送的模拟是比较准确的.     

城市固体垃圾填埋场不均匀沉降分析

老垃圾填埋场竖向扩建时垃圾堆体的不均匀沉降控制是中间防渗衬垫系统设计的基础,正确计算和分析垃圾堆体的不均匀沉降将是老填埋场竖向扩建时成功与否的关键。研究了竖向扩建时垃圾不均匀沉降,并介绍了不均匀沉降的计算方 法,结合工程实例对老填埋场竖向扩建时垃圾不均匀沉降影响进行了分析,从工程技术角度提出了相应的解决方案。     

岩石单颗粒压缩破碎的数值模拟分析

岩石颗粒破碎是影响粒状材料剪切强度和变形的最主要因素, 岩石颗粒破碎并不是想象的那么难, 像花岗岩颗粒有时在很小的压应力作用下就可以破碎。岩石单颗粒破碎的物理试验结果常常很离散, 完成大量单颗粒破碎的物理试验费时费力不现实, 采用离散单元法(Discrete element method, DEM)PFC软件模拟单颗粒压缩破碎试验, 既能克服单颗粒破碎物理试验的缺陷, 又能解决单颗粒破碎物理试验工作量大的难题, 是研究单颗粒破碎的理想选择。基于DEM的软件PFC2D, 将粒径为0.075～0.1245mm的基本粒子捆绑成不同粒径的单颗粒, 模拟岩石单颗粒压缩破碎试验, 观察颗粒破碎演化过程, 统计单颗粒破碎强度。计算单颗粒压缩破碎后颗粒分布的分维, 验证单颗粒破碎强度的分形模型和单颗粒破碎强度的尺寸效应。文中引用玄武岩单颗粒破碎试验结果, 与单颗粒破碎的离散单元模拟结果进行比较, 验证单颗粒破碎强度的尺寸效应和修正的Weibull理论的离散单元模拟结果。     

A global ocean biogeochemistry general circulation model and its simulations

An ocean biogeochemistry model was developed and incorporated into a global ocean general circulation model (LICOM) to form an ocean biogeochemistry general circulation model (OBGCM). The model was used to study the natural carbon cycle and the uptake and storage of anthropogenic CO2 in the ocean. A global export production of 12.5 Pg C yr-1 was obtained. The model estimated that in the pre-industrial era the global equatorial region within 15o of the equator released 0.97 Pg C yr-1 to the atmosphere, which was balanced by the gain of CO2 in other regions. The post-industrial air-sea CO2 flux indicated the oceanic uptake of CO2 emitted by human activities. An increase of 20－50 mol kg-1 for surface dissolved inorganic carbon (DIC) concentrations in the 1990s relative to pre-industrial times was obtained in the simulation, which was consistent with data-based estimates. The model generated a total anthropogenic carbon inventory of 105 Pg C as of 1994, which was within the range of estimates by other researchers. Various transports of both natural and anthropogenic DIC as well as labile dissolved organic carbon (LDOC) were estimated from the simulation. It was realized that the Southern Ocean and the high-latitude region of the North Pacific are important export regions where accumulative air-sea CO2 fluxes are larger than the DIC inventory, whereas the subtropical regions are acceptance regions. The interhemispheric transport of total natural carbon (DIC+LDOC) was found to be northward (0.11 Pg C yr-1), which was just balanced by the gain of carbon from the atmosphere in the Southern Hemisphere.