地震槽波的数学-物理模拟初探

针对地震槽波在低速层的传播特性，开展了煤层内地震槽波勘探的数值模拟和物理模拟研究的初探工作.在数值模拟研究方面，采用交错网格有限差分法对煤层中的地震槽波进行三分量全波场模拟.基于波场快照和人工合成地震记录研究了不同模型中的波场特征和各种波型的传播规律.在物理模拟方面，通过选用不同配比的环氧树脂和硅橡胶类材料构建地震槽波物理模型，利用透射法和反射法观测系统获得了清晰的地震槽波记录以研究槽波的地震学特征.研究表明，在煤层内槽波的地震波场中，Love型槽波的能量小于Rayleigh型槽波的SV分量，大于Rayleigh型槽波的SH分量.相对于Love型槽波和Rayleigh型槽波的SH分量，Rayleigh型槽波的SV分量在围岩中的泄露能量较强.在煤层界面附近的围岩中，地震波仍以槽波形式传播，随着距离的增加能量逐渐衰减.随着煤层变薄，煤层槽波主频向高频方向移动，频散现象增强，传播速度增大.     

联合多点地质统计学与序贯高斯模拟的随机反演方法

岩相和储层物性参数是油藏表征的重要参数，地震反演是储层表征和油气藏勘探开发的重要手段.随机地震反演通常基于地质统计学理论，能够对不同类型的信息源进行综合，建立具有较高分辨率的储层模型，因而得到广泛关注.其中，概率扰动方法是一种高效的迭代随机反演策略，它能综合考虑多种约束信息，且只需要较少的迭代次数即可获得反演结果.在概率扰动的优化反演策略中，本文有效的联合多点地质统计学与序贯高斯模拟，并结合统计岩石物理理论实现随机反演.首先，通过多点地质统计学随机模拟，获得一系列等可能的岩相模型，扰动更新初始岩相模型后利用相控序贯高斯模拟建立多个储层物性参数模型；然后通过统计岩石物理理论，计算相应的弹性参数；最后，正演得到合成地震记录并与实际地震数据对比，通过概率扰动方法进行迭代，直到获得满足给定误差要求的反演结果.利用多点地质统计学，能够更好地表征储层空间特征.相控序贯高斯模拟的应用，能够有效反映不同岩相中储层物性参数的分布.提出的方法可在较少的迭代次数内同时获得具有较高分辨率的岩相和物性参数反演结果，模型测试和实际数据应用验证了方法的可行性和有效性.     

隔震曲线梁桥不同等级地震的振动特性模拟分析

曲线桥梁抗震特性模拟分析对于曲线桥梁隔震、减震有着重要意义。基于隔震曲线桥梁设计过程中的特点,通过非线性水平弹簧单元对铅芯橡胶支座双向非线性的能力进行模拟,根据SAP2000科学选择强震观测地震波,并考量曲线桥梁本身存在的特性对桥梁振动特性产生的影响,针对隔震曲线桥梁在不同等级地震下振动特征进行模拟分析,其中,通过隔震曲线桥梁铅芯橡胶支座模型的构建和梁桥不同等级地震计算模型、输入地震波与传感器量测等步骤得到的模拟结果为:不同地震波与加速度峰值输入过程中,地震动较小下的支座水平刚度比较大,且结构相对稳定;地震幅值增大时,桥梁支座水平刚度减小,且支座的恢复力位移滞回变化曲线面积比较大,能够更多地将地震输入能量消散掉,减小能量不断向曲线桥梁上方传递的速度,可有效减轻地震反应,起到隔震的效果。     

木本植被覆盖岸坡上波浪爬升过程的数值模拟研究

近岸木本植物构成的生态缓冲带作为新型的海岸软防护结构，兼具功能性和生态友好性，在沿海工程建设中愈发受到关注，如何深入开展其防护效果的机理研究是目前亟待解决的问题。本文采用数值模拟方法，在N-S方程中分别考虑树枝和树干的拖曳力影响，提出了木本植被作用下波浪沿斜坡爬升的表面波衰减的连续介质等效模型，并采用MAC法来跟踪自由曲面上的水颗粒轨迹。本文以波浪沿1/30的斜坡爬升为算例，对比讨论了有无植被作用下波浪的传播过程，并将算例结果与以往试验结果规律进行对照，验证了数值模型的有效性。最后，分别讨论了植物枝干的高度、密度、树枝倾斜角度等植被特性和波浪因素对植被消浪效果的影响，得到植被消浪的基本规律。文中的计算结果也可为实际的护岸工程和生态景观设计提供参考。     

不同形态海湾的水底平衡剖面研究

研究海湾平衡剖面对理解海湾地貌演变具有重要意义。本文给出了收缩型、扩张型和矩形3种典型海湾平面形态对平衡剖面的影响。建立了海湾长度远小于潮汐波长的短尺度海湾的平衡剖面和对应的时均悬沙浓度的解析解。采用水深平均的水动力方程、泥沙输移方程和地形演变方程的耦合模型对以上3种类型海湾的平衡剖面进行了数值模拟，得到了这3种类型海湾的水面、流速、时均悬沙浓度和平衡剖面的计算结果，并利用水面数值结果确定了海湾水面解析解所含的一个待定常数。研究结果给出了3种不同海湾平面形态所对应的平衡剖面形态:矩形海湾对应斜坡型；收缩型海湾对应下凹型；扩张型海湾对应上凸型。所得海湾平衡剖面和时均悬沙浓度的解析解与数值解一致。     

Monte-Carlo模拟与经验路径模型预测台风极值风速的对比

台风是我国东南沿海区域每年发生的严重自然灾害之一。本文分别采用传统的Monte-Carlo模拟方法以及较为先进的经验路径模拟方法预测中国东南沿海区域台风的极值风速(10 m高度处10 min平均值)，并对两种方法的预测结果进行了对比。本文将东南海岸线向内陆扩展约200 km的区域划分为0.25°×0.25°的网格，以每个网格点作为研究点。首先采用Monte-Carlo模拟方法产生每个研究点1 000年间的虚拟台风事件。然后采用经验路径模型方法构建了西北太平洋1 000年的热带气旋事件集，采用模拟圆方法从中提取对各个研究站点有影响的台风事件。接着采用Yan Meng风场模型计算每个研究点台风的最大风速，构成极值风速序列。最后采用极值分布模型预测每个研究点不同重现期的极值风速，并对两种不同方法预测的结果进行了对比。研究发现在研究区域的内陆侧经验路径方法预测的风速略高于Monte-Carlo模拟方法预测的结果，而在海岸沿线一带经验路径方法预测的结果略低，这主要是由两种方法构造的虚拟台风的中心压强存在差异以及模型本身的不确定性造成的。本文的研究结果可以为防灾减灾系统提供有益的参考。     

最近和即将发生的崩解事件不会削弱埃默里冰架的稳定性

冰架崩解约占南极物质损耗总量的一半。借助卫星遥感本世纪已经观测到多次大型崩解事件，引发了公众对气候变化问题的广泛关注。然而作为冰架消涨的自然循环，某些崩解事件只是周期性重现而并非近年来南极升温导致。2019年9月-10月，我们通过“哨兵一号”雷达卫星和“京师一号”小卫星完整地记录到发生在埃默里冰架前端的一次大型崩解事件，并利用冰流数值模式模拟了本次以及未来两次即将发生的崩解事件对该冰架的动力学影响。遥感观测表明，埃默里冰架前端发育有两条纵向、两条横向和一条斜向共五条大型裂隙。它们沿尖端继续向上游延伸可以造成三次崩解事件，其中第一次发生于2019年9月末，D28冰山随普里兹湾涡流向西北方向旋转漂移。依据前人推测的崩解周期，我们在模型中设置五组试验，选择露出海面体积、接地面积、冰流通量三个参数估算冰架对三次崩解的响应。结果表明，通过设计合理的网格系统，我们的模型能够捕捉到每次崩解事件释放的物理信号。三次崩解总体响应趋于一致，仅表现出微弱的差异。在一个60年的崩解周期内，三次崩解引发冰流加速70 m/a，前端减薄2 m，接地线退缩60 km2，共约造成40亿吨额外的物质损耗。然而上述变化仍然处于最新卫星估算误差内部，所以我们认为这些崩解事件并不会显著削弱埃默里冰架整体的稳定结构。考虑到这还是首次明确观测到该冰架进入新一轮崩解周期，未来仍必要收集更长时间序列的遥感资料用以验证模式结果。     

青岛地区海雾分布及大气边界层条件分析

青岛地区海雾多发,观测表明海雾对沿海地区影响范围不尽相同,特别是海雾影响内陆的机理尚缺乏研究。本文利用观测资料及数值模式统计了青岛地区4月-7月海雾分布特征,并对不同影响范围海雾典型个例进行对比分析,结果表明:海雾发生日数自沿海向内陆递减。胶州湾沿岸雾日数比黄海沿岸明显减少,胶州湾东北部的雾日数要少于胶州湾西北部。海雾多发生于高空形势稳定,低层偏南流场的天气条件下。大气边界层内逆温层的的范围大致影响着海雾的分布。只影响沿海的海雾,地面为偏南风,风速在3~8 m/s之间,内陆风力减弱不明显。500 m以下大气边界层内风速切变大。湍流作用使海雾向内陆推进过程中倾斜抬升为低云,地面雾区减弱。能够影响内陆地区的海雾,多出现在地面风力较弱的情况之下,大部分在1~3 m/s之间。500 m以下大气边界层内风速切变小,大气边界层内湍流强度不强,使沿海到内陆的逆温层能够始终维持,沿海海雾在弱南风影响下延伸影响内陆地区。     

砾石单元法与SPH耦合模型在数值波浪水槽中的应用研究

为研究以流体粒子描述波浪运动，以固体单元描述砾石运动的两相介质大变形运动，在港口、海岸工程科学研究中具有重要意义。本文提出砾石单元法（GEM），介绍了光滑粒子动力学方法（SPH）和GEM的基本原理，阐述了GEM与离散单元法（DEM）的异同之处，说明了采用SPH方法与GEM构建波浪砾石耦合运动数学模型的方法和过程。应用SPH方法建立数值波浪水槽，用GEM模拟波浪作用下堆积砾石的滚落、坍塌变形，构建了SPH方法与GEM耦合数学模型。模拟了水槽造波和波浪生成过程和波浪作用下砾石的滚落、坍塌变形，并与物理模型试验成果进行了比较，结果基本吻合。本文提出的GEM法具有模拟单相堆积砾石运动和堆积砾石与流体粒子耦合多相介质运动的功能，是对DEM法的补充和改善。本文提出的堆积力学球概念和拟序排列求解方法是砾石单元法的重要组成部分。     

碟形越浪式波能发电装置的三维数值模拟

基于计算流体力学软件的三维数值模拟技术,分析了碟形越浪式波能发电装置的越浪性能,通过构建基于水气两相VOF(Volume of Fluid)模型的三维数值波浪水槽对该装置进行三维数值模拟研究,数值计算结果与物理试验结果相互对比验证较为吻合,验证了所构建的三维数值波浪水槽的可靠性,通过考察装置的坡度、导流叶片个数、干舷高度对越浪性能的影响确定装置的最优结构参数。结果表明,在装置的斜坡面边缘增加回流板可减少波浪的反射,提高装置的越浪性能。在数值模拟中将装置的斜坡面边缘处安装回流板对碟形越浪式波能发电装置参数进行优化,通过分析回流板的长度对装置越浪性能的影响来探索最优回流板长度。