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。     

胶州湾潮汐潮流高分辨率数值模拟研究

基于采用无结构网格和有限体积方法的FVCOM陆架模式,考虑8个主要的天文分潮,建立胶州湾三维高分辨率数值模型来重现和研究其潮汐潮流变化状况。与实测资料对比验证表明,模拟结果与实测值吻合较好。在此基础上,根据模拟结果计算得到了较以往更为精细的同潮图和潮汐、潮流、余流分布特征。研究结果揭示,最大可能潮流和最大余流都发生在团岛附近,流速分别可达2.14和0.43 m/s;除了湾口附近前人报道过的4个余流系统外,还在中部首次揭示了2个相对较弱的余流系统;潮流能通量在内外湾口呈"左进右出"的结构;胶州湾的平均纳潮量为8.31亿m3;染色试验表明,胶州湾30 d的水交换率为36.8%。     

Numerical modeling of hyperpycnal flows in an idealized river mouth

Numerical experiments in an idealized river mouth are conducted using a three-dimensional hydrodynamics model (EFDC model) to examine the impacts of suspended sediment concentration (SSC), settling velocity of sediment and tidal mixing on the formation and maintenance of estuarine hyperpycnal flows. The standard experiment presents an illustrative view of hyperpycnal flows that carry high-concentrated sediment and low-salinity water in the bottom layer (>1.0 m in thickness) along the subaqueous slope. The structure and intra-tidal variation of the simulated hyperpycnal flows are quite similar to those previously observed off the Huanghe (Yellow River) mouth. Results from the three control experiments show that SSC of river effluents is the most important parameter to the formation of hyperpycnal flows. High SSC will increase the bulk density of river effluents and thus offset the density difference between freshwater and seawater. Low SSC of river effluents will produce a surface river plume, as commonly observed in most large estuaries. Both the settling velocity of sediment particles and the tidal mixing play an important role in maintaining the hyperpycnal flows. Increasing settling velocity enhances the deposition of sediment from the hyperpycnal layer and thus accelerates the attenuation of hyperpycnal flows, whereas increasing tidal mixing destroys the stratification of water column and therefore makes the hyperpycnal flows less evident. Our results from numerical experiments are of importance to understand the initiation and maintenance of hyperpycnal flows in estuaries and provide a reference to the rapidly decaying hyperpycnal flows off the Huanghe river mouth due to climatic and anthropogenic forcing over the past several decades.     

北部湾冬季风生环流的数值模拟及其对海洋环境的影响分析

利用Finite Volume Coastal Ocean Model(FVCOM)三维模式以及National Centers for Environmental Prediction(NCEP)Climate Forecast System提供的北部湾的冬季风场,建立了北部湾冬季的风生环流模型。模拟得到北部湾冬季表中底层的风生环流结构。结果表明:整体上看,环流从琼州海峡流入北部湾,沿越南沿岸向南流动。从分层结构上看,冬季表层北部湾中部位置被1个大范围逆时针环流控制,南部湾口附近也存在1个不闭合的逆时针环流;而中层和底层的环流在琼州海峡西北和西南侧各形成1个小的逆时针环流,同时北部湾北部中间位置呈现1个顺时针环流。琼州海峡、广西及越南沿岸环流流速较大,有利于污染物的输移扩散,而北部湾北部中间位置,莺歌咀附近出现闭合环流且海南岛西南岸流速较小,不利于污染物的输移扩散,对冬季北部湾的海洋环境会产生不利影响。     

利用被动示踪物模拟对黑潮入侵南海的数值研究

由于缺少观测数据和对黑潮水准确定义,很难识别出从太平洋入侵到南海的黑潮水团。本文基于一个经过观测验证的三维模式MITgcm,利用被动示踪物标记黑潮水,研究了入侵南海的黑潮水的时空变化。研究表明,在冬季,黑潮水入侵的范围最广,几乎占据了18°N-23°N和114°E-121°E的区域;并有一个分支进入台湾海峡;黑潮入侵的范围随深度增加逐渐减小。在夏季,黑潮水被限制在118°E以东,且没有分支进入台湾海峡;入侵的范围从海面到约205米是增大的,之后随深度增加逐渐减小。通过分析从2003年到2012年黑潮入侵的年际变化,与厄尔尼诺年和正常年相比,冬季黑潮入侵后向台湾海峡的分支在拉尼娜年是最弱的,这可能与中国大陆东南方向的风应力旋度有关。通过吕宋海峡的黑潮入侵通量（KIT）是西向的,其年平均值约为-3.86×10⁶ m³/s,大于吕宋海峡通量（LST,约-3.15×10⁶ m³/s）。250米以上的KIT约占了全深度通量的60-80%。此外,从2003年到2012年KIT与Niño 3.4指数的相关系数到达0.41,小于LST与Niño 3.4指数的相关系数0.78。     

极端波浪条件下黏土质斜坡海床稳定性解析

海洋资源开发引起海底软黏土的结构性破坏,导致土体强度弱化,在百年一遇的极端波浪作用时极易发生斜坡海床的局部失稳甚至大范围海底滑坡,给海洋工程建设和正常运营带来严重影响。目前,主要采用极限平衡法评价这类海底斜坡,但该法只能给出近似解。基于极限分析上限方法,推导了极端波浪诱发的波压力对斜坡海床的做功功率,建立了外力功与内能耗散率平衡方程;利用最优化方法,结合数值积分和强度折减技术,求解了不同时刻的斜坡海床稳定性系数,并针对扰动后的斜坡海床开展了有限元解的对比验证。在此基础上,深入探讨了不同波浪参数(波长、波高和水深)和坡长小于一个波长等极端条件下的海底斜坡稳定性。     

抛锚撞击水下管汇的数值模拟研究

船舶抛锚撞击水下管汇会影响到管汇的正常作业,基于ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件,建立锚-水下管汇-海床土体的三维有限元模型,对抛锚碰撞水下管汇的过程进行数值仿真。通过求解水下管汇受碰撞后的等效应力、应变的时间历程及受撞击部位的凹陷损伤深度,发现最大等效应力点出现在管汇与锚接触位置处,管汇的碰撞部位最终发生凹痕变形。同时讨论锚与管汇接触面的形状以及海床土体对水下管汇损伤程度的影响,当冲击能量相同时,锚与水下管汇的碰撞接触面积越小,水下管汇的损伤深度就越大;当锚与管汇接触的接触面积相同时,冲击能量越大,水下管汇的损伤变形越大。海床土体的剪切弹性模量对管汇的凹陷损伤深度以及最大等效应力影响与冲击能量有关,海床土体的内摩擦角对管汇的碰撞影响较小。     

礁坪上波浪传播的数值模拟

本文基于具备间断捕捉能力的二阶全非线性Boussinesq数值模型,对规则波和随机波在礁坪地形上的传播变形进行了数值模拟。该模型采用高阶有限体积法和有限差分方法求解守恒格式的控制方程,将波浪破碎视为间断,同时采用静态重构技术处理了海岸动边界问题。重点针对礁坪上波浪传播过程中的波高空间分布和沿程衰减,礁坪上的平均水位变化,以及波浪能量频谱的移动和空间差异等典型水动力现象开展数值计算。将数值结果与实验结果对比,两者吻合情况良好,验证了模型具有良好的稳定性,具备模拟破碎波浪和海-岸动边界的能力,能较为准确地模拟波浪在礁坪地形上的传播过程中发生的各种水动力现象。     

湄洲湾潮流数值计算

采用不规则三角形网格的分步杂交法,建立了湄洲湾海域二维变动边界潮流数值模型,通过计算得到最大潮流分布、同潮时线与等振幅线、潮流椭圆、潮致欧拉余流分布及不同时刻潮流场分布。     

TRMM海表降水率同化在热带气旋Danas(2001) 数值模拟中的应用研究

研究了TRMM/TMI海表降水率资料的四维变分同化在热带气旋(TC)数值模拟中的作用.使用中尺度气象模式MM5设计了若干数值试验模拟了TC Danas(2001)由热带低压初生到台风生成的发展过程.在满足MM5模式动力约束的前提下,将TRMM海表降水率资料直接同化进入较高分辨率(18 km)的模式初始场.结果表明,使用MM5模式的4D-VAR同化系统直接同化TRMM/TMI海表降水率资料是可行的.这种做法提高了TRMM资料的利用率,不仅在模式初始场中加入了更多实测信息,而且避免了两次同化(1DVAR+4DVAR)可能引起的误差.直接同化TRMM资料通过调整气压、温度、湿度等要素初始场,改善了模式对热带气旋结构(如暖心、涡度、散度)的描述和降水的模拟.在此基础上,同化不仅改进了对Danas强度的模拟,而且成功地模拟了热带气旋环境场的演变过程,因而改进了路径的模拟.