基于大涡模拟与被动示踪物模型的人工鱼礁数值研究

投放人工鱼礁是解决海洋生态环境问题的重要措施之一。通过使用并行大涡模拟模式（the parallelizeda large-eddy simulation model,PALM）及被动示踪物模型模块,研究了不同流速条件（0.1,0.2,0.4和0.6 m/s）下方型人工鱼礁对流场形态、营养盐的抬升作用、和湍流动能收支的影响。研究表明,鱼礁的存在使得其附近垂向速度增大,产生上升流。受到上升流的抬升作用,鱼礁底部的示踪物迅速进入海洋上层,之后遇到鱼礁后方的背涡流,示踪物的抬升受阻,高度逐渐降低。在上升流区域以及背涡流区域的共同影响下,示踪物抬升区域的最大高度与来流流速无关。不同上升流定义对应的上升流区域的高度与来流流速均不相关;上升流区域的最大速度、平均速度与来流流速都成线性增加的关系;然而随着来流流速的增大,不同上升流定义对应的上升流区域面积的变化趋势却完全不同。投放鱼礁后,鱼礁区域底部的混合增强,区域底部的能量被输运至上层。这说明,鱼礁的存在不仅对营养物质具有抬升作用,还能将能量向上输运。     

基于观测系统模拟试验的海表气象观测站点布局方案研究

为了科学设计黄渤海海洋气象边界层观测站网并研究观测网布局对数值天气预报模式的影响,本文采用模式误差、海洋气象要素特征区域资料统计分析和观测系统模拟试验（OSSE）方法,根据边界层雾、层云降水、小风与中等风速天气条件设计布局方案,并分析站点观测要素对数值预报模式的要素预报的影响。模拟试验数据使用了每6 h NCEP再分析资料FNL（NCEP Final Operational Global Analysis data）、NCEP每天平均的高分辨率海温资料RTG_SST（Real-Time Global Sea Surface Temperature）和石油平台、浮标站等每小时实况观测资料,评估了黄渤海海洋气象站网布局各个方案的优缺点。评估结果表明,湿度和风的要素预报受实况风向风速条件影响,偏东和偏北风个例湿度要素预报较好。然而,在偏南中等风速个例中,风场预报要素更接近实况。温度场的分析综合结果显示,在海气相互作用影响较大的天气过程中,特征区域布站能明显提高温度要素的预报准确率。最后,综合分析多项模拟试验的结果,给出了改进数值预报准确率的海洋布站建议。     

积雪变化对中国森林凋落物分解影响研究进展

森林凋落物的分解对于维持生态系统物质循环和养分平衡具有重要意义,并受到不同积雪厚度下冻融格局的影响。冻融期（包括冻结过程期、完全冻结期、融化过程期）是冻土区凋落物分解的重要时期,该时期分解的凋落物量约占全年分解总量的一半。积雪减少通常会导致土壤温度降低、冻融循环次数增加,进而影响凋落物分解。通过综述近10年来积雪变化对我国森林凋落物分解影响的研究成果发现,积雪厚度减少在冻融期通常会抑制凋落物质量损失、碳元素释放和纤维素降解,生长季则起到促进作用,从全年来看多数表现为抑制作用。因此,冻融作用造成凋落物的物理破坏,对其分解的促进作用主要发生在后续生长季。积雪厚度减少在冻融期通常抑制氮元素释放,生长季和全年则无明显规律;磷元素和木质素目前研究还存在很大差异。最后,进一步阐述了积雪变化对凋落物分解影响研究存在的问题及未来研究发展方向。     

现浇X形桩桩承式加筋路堤三维有限元分析

桩承式加筋路堤在高速公路软基处理中得到了广泛应用,但目前对其承载变形机制还缺乏深刻认识。结合南京长江第四大桥北接线段软基加固工程,基于数值方法对现浇X形桩桩承式加筋路堤中桩土沉降、桩土应力、桩身轴力及超静孔隙水压力的发展变化规律进行了分析。研究结果表明,受土拱效应影响,路堤填筑荷载主要由桩体承担,桩及桩间土土压力在路堤填筑过程中均逐渐增大,在软基固结过程中,桩顶土压力继续增大而桩间土土压力逐渐减小,最终趋于各自的稳定值;路堤填筑过程中桩身轴力增长较快,现浇X形桩桩身上部较大部分区段存在负摩阻力,桩身中性点位置经历了先逐渐上移、而后向下移动,最终趋于稳定的过程。     

分层岸滩侧蚀坍塌过程及其水动力响应模拟

非均质岸滩广泛分布于冲积河流中,其侧蚀过程沿垂向具有分层特点。基于全三维水沙模型及河岸侧蚀坍塌力学模式,提出动态网格跟踪技术,构建了非均质岸滩侧蚀沿垂向差异的三维动力学模拟方法。以连续弯道概化水槽为例,模拟分析了非均质河岸侧蚀过程中三维水流结构的响应特征。研究结果表明:坡脚冲刷后,底部主流向凹岸偏移,在已有弯道环流的基础上,于坡脚处出现一反向次生流;上部粘性土层坍塌后,崩塌土体堆积于坡脚处,上部主流明显左偏,下部次生流消失;随着坡脚堆积体的冲刷搬运,下部主流进一步向凹岸偏移;如此循环,主流不断向凹岸偏移,致使岸坡持续崩退、河道摆动。     

有限元法在垂直钻进系统设计中的应用

介绍了垂直钻进系统的工作原理及组成，纠斜机构是由均布在同一圆周上的3个导向块组成，导向块是自动垂钻系统中最主要的执行机构，承受较大的压力。为保证系统设计的可靠性，利用先进的有限元分析方法模拟导向块在工作状态下的受力情况，通过创建有限元模型，施加载荷并求解，分析查看结果等步骤对零件进行仿真分析，较真实地反映出零件在受力状态的应力和应变情况，预测零件的结构强度并分析其设计合理性，使对零部件关键参数的设计更合理，有效解决设计中的可靠性分析和结构优化问题。     

顾及地类转换差异的城市空间扩展元胞自动机模型及应用研究

元胞自动机模型已经成为城市空间扩展模拟研究的重要方法之一,并得到广泛应用。然而,现有的城市扩展元胞自动机模型仍存在不足。由于元胞状态设置较为简单,从而使模型转换规则中对不同用地类型向城市用地转换的差异与强度考虑不够。基于此本文在元胞自动机模型的框架下,设计了多元结构的元胞状态及转换规则,提出了顾及地类转换差异与强度的城市扩展元胞自动机模型。在计算非城市用地向城市用地转换的转换概率时,该模型考虑了3个方面的概率：① 地形地貌、经济发展等城市发展的驱动因素对城市用地扩展的影响概率,该概率采用logistics方法进行计算;② 邻域元胞的用地类型对中心元胞转换概率的影响,该概率采用扩展摩尔型方法进行计算;③ 不同类型的非城市用地（本研究中包括耕地、林地和裸地3种类型）向城市用地转换的强度,该概率由模拟基期土地利用数据与目标年份土地利用数据的叠加,得出不同类型的非城市用地在此时间段内向城市用地转换的规模,进而确定不同类型的非城市用地向城市用地转换的强度。最后,将以上3种概率的乘积作为元胞转换的概率。通过转换概率与转换阈值的对比判断中心元胞是否在下一个阶段转换为城市用地。经过迭代计算,不断增加城市用地元胞的数量。当模拟城市用地的结果与目标年份的城市用地规模差值在一定的范围内时停止模拟,得出最终结果。模型构建完成后,本文以长株潭城市群核心区为例进行了模拟实验。以2001年该地区的土地利用数据为基期数据,模拟2010年该地区的城市用地规模和空间分布。研究结果表明,根据本文提出的模型模拟的城市扩展结果与真实数据相比具有较高的一致性。模拟结果正确率达到68.66%,比基于传统logistics回归的元胞自动机模型的模拟精度提高了4.25%,Kappa系数为0.675。该模型较好地模拟了长株潭城市群核心区城市扩展,在城市空间扩展模拟中具有较好的适应性与有效性。     

弧形海岸裂流的数值模拟研究

弧形海岸波浪产生的裂流严重危害人类活动,但是目前对其特征缺乏充分认识。本文对Haller物理模型实验和三亚大东海的数值模拟表明FUNWAVE模式具有较好的裂流模拟能力。基于该模式进行了多种弧形海岸条件的裂流数值模拟,给出裂流的一些特征：（1）海岸弯曲度增大,裂流增强;（2）海岸坡度对裂流有比较大的影响,太陡或太平缓的海岸不利于形成裂流;（3）海岸尺寸减小,裂流减弱;（4）波高和波周期增大,裂流增强,但是对于某些海岸而言,0.4m波高可能就存在危害比较大的裂流。     

苏州市一次重霾污染天气过程的数值模拟

本文对苏州地区2015年12月13—15日发生的一次典型的重霾污染天气过程进行了数值模拟,分析了颗粒物及其组分的时空变化特征及其气象影响因子,以期为该区域空气污染治理和预防提供科学依据。结果表明:(1)利用WRF-Chem模式对此次重霾污染天气过程的污染气体成分进行数值模拟后发现,小时平均的PM_(2.5)、PM_(10)、CO、SO_2、NO_2模拟值与实测值的相关系数较高,达到0.68以上,通过了P0.01的显著性检验,且日变化过程对应也较好。(2)通过分析此次污染过程的天气背景,发现污染形成期高空环流比较平直,中层为均匀的弱高压控制,地面受弱高压脊控制,这种形势容易导致颗粒物的堆积。后期地面等压线密集时,风速大,有利于污染物的输送与扩散。(3)通过分析此次污染过程期间气象要素的变化发现,有逆温、风速小、相对湿度大等不利的气象条件是导致此次污染过程发生的重要原因之一。(4)HYSPLIT轨迹分析显示,此次重霾过程主要受北方大范围灰霾颗粒物南下影响,北方污染气团逐步南推,14至15日本地大气扩散条件差、污染物累积,最终导致本地污染加重,从而发生重霾事件。(5)火点图的分布进一步验证了此次重霾污染过程是由外来污染气团输入所导致。     

大涡技术对模拟台风眼墙替换过程的影响

眼墙替换是影响台风强度和内核结构的一种重要过程。本研究在高分辨率的数值理想试验中加入大涡模拟技术,对比分析大涡模拟对眼墙替换过程的影响。结果表明:大涡模拟的加入使得模拟台风的强度和边界层入流增强。整个眼墙替换过程共用时约20～22 h,但大涡模拟试验中外眼墙形成更迅速,同时强度和上升运动偏弱。外眼墙完全取代内眼墙之后的台风强度超过替换过程之前的强度。此外,使用大涡技术可以更好地模拟出眼墙替换过程中内外眼墙之间的moat区下沉运动,结构特征与前人观测中所发现的结构特征一致。因此,在台风数值研究中引入大涡模拟技术,有助于更好地模拟眼墙替换过程中的台风结构特征和变化。