吕宋海峡内波吸引子的三维数值模拟

Internal waves propagate along wave beams that are inclined with respect to the horizontal plane. It is conjectured that the internal waves generated in the Luzon Strait may be confined between the double ridges in the strait and concentrate to a closed trajectory, the so-called internal wave attractor, due to the reflection of wave beams from the lateral boundaries, sea surface and bottom. This work carried out two experiments using a three dimensional non-hydrostatic general circulation model, MITgcm, to investigate the possibility that the ridges in the Luzon Strait allows for internal wave attractors. Baroclinic current in both of the experiments demonstrate the forming of ring-like patterns in some section around 20° and 21°N, indicating that the development of the internal wave attractors are allowed in the Luzon Strait. The different resolutions and initial conditions in the two experiments also reveal that the internal-wave-attractor phenomenon is robust in this region.     

基于非静压模型的波浪破碎模拟

波浪破碎是海岸工程所关注的关键水动力学问题之一,而波浪破碎的数值模拟技术的研究方兴未艾。高效的浅水方程基于静压假定,而通过引入动压项建立的完全非静压模型,可成功应用于色散水波的模拟。自由表面的捕捉采用的垂向坐标变换技术,较之VOF（Volume of Fluid）模型,计算效率较高。但垂向坐标变换不能模拟大曲率自由表面变形,即波浪破碎过程。对于破碎波的模拟,一种高效的模式分裂法应用至非静压模型,即在波浪破碎局部水域将模型分裂为静压模型和非静压模型,破碎波波峰附近退化至静压模型,并持续至波浪破碎结束再恢复为动压模型。通过典型算例,验证了模式分裂法的适用性及对于波浪破碎过程的模拟精度,鉴于模式分裂法对于波浪破碎过程的模拟未引入新的概化模型,计算效率较高,可应用于大尺度的海岸带波浪的变形、破碎及越浪的数值模拟。     

深圳海岸复杂地形气流与湍流特征的数值模拟

利用三维非静力能量闭合（Ｅ－ε）的边界层模式，以深圳海岸复杂地形进行了实际模拟。结果给出了该地区海陆风情形下气流和湍流孤变化特征。在海风发展盛期，气流方向由大面积的水域和内陆的位置决定，不规则海岸线对局地气流影响不大，夜间陆风时，不规则海岸线对局地气流影响较大，湍流能量高值颁在陆地上空的不稳定层内，水面上湍能很小。模拟结果与实测结果上比较吻合。     

凹坑地形风流结构对污染物散布的模拟研究

利用建立的三维非静力高分辨率高阶湍流闭合模式与随机游动扩散模式研究了一个深凹露天矿区污染物散布的规律,同时在风洞中进行了示踪实验。结果表明,由于凹坑内复环流结构的存在,使得坑内污染物浓度较大,且浓度最大值出现在源的上风侧。数值试验与风洞试验结果吻合较好。     

沿程非均匀分布植物区对海啸波消减的数值研究

为研究近岸植物的非均匀分布对海啸波的消减作用,采用非静压单相流模型计算了5种不同密度分布植物与孤立波的相互作用,分析不同密度分布植物对海啸的消波特性。结果表明在植物总株数相同时,具有不同分布密度植物的消波效果相近,透射波波高差小于3%、最大流速差小于5.4%,但是不同植物密度分布情况下植物区前的反射系数有所不同,反射系数最大差为80.2%。此外,所有分布的植物区对波高和流速的透射系数随着波高和植物区长度变化的趋势是一样的,在不同入射波高和植物区长度情况下5种分布均呈现出相似的沿程衰减机制。     

近岸波浪传播的非静压数值模型

基于均匀网格,建立了沿水深积分的非静压波浪传播数值模型,模型的求解分静压步和动压步两部分。静压步的控制方程为全非线性浅水方程,采用有限体积格式求解,通过采用线性重构技术和全隐式离散底摩阻项,保证了格式的和谐性、守恒性和水深非负性,有效处理了海岸动边界问题。动压步通过应用有限差分方法求解泊松方程考虑动压力,使得模型具备模拟色散性波浪传播的能力。引入波浪破碎指标,波浪破碎后模型退化为静压模型,破碎波自动捕捉为间断。通过算例对所建立模型进行了验证。     

不同TVD 格式对内孤立波数值模拟结果影响研究

为了研究不同TVD格式对内孤立波模拟结果的影响,利用改进后的SUNTANS三维非静压海洋模型,通过理想算例和南海东北部海域内孤立波的模拟,比较分析了求解温盐方程TVD格式的4种经典通量限制函数(superbee, minmod, van Leer和MUSCL)对计算结果的影响。综合理想算例和南海东北部海域模拟结果,在所讨论的4种通量限制函数中,利用MUSCL限制函数所得模拟结果最优,建议在南海东北部海域内孤立波模拟中采用MUSCL限制函数。     

辐射方案对GRAPES全球模式的影响

辐射过程是中期数值天气预报模式和气候模式中一个重要的物理过程。本文针对GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) 全球模式非静力半隐式半拉格朗日的特点, 进行了不同辐射方案的敏感性比较试验, 以期找到一个适合于GRAPES全球模式的辐射方案。用到的方案包括WRF模式中的RRTM长波辐射方案、 NASA的Goddard短波辐射方案以及ECMWF的长短波辐射方案。试验结果表明, ECMWF的辐射方案更适合于GRAPES模式, 30天平均的北半球500 hPa高度场距平相关系数较WRF的辐射方案提高了近2%。另外, 针对实际运行中存在的辐射计算不稳定问题, 对辐射方案进行了气压订正和温度订正, 并对2005年7月影响我国的海棠台风进行了模拟试验, 气压订正后的120小时模式预报在对副热带高压和台风的描述上更接近于分析, 可用预报时效也有了明显提高。     

Diagnosis of the forcing of inertial-gravity waves in a severe convection system

The non-hydrostatic wave equation set in Cartesian coordinates is rearranged to gain insight into wave generation in a mesoscale severe convection system. The wave equation is characterized by a wave operator on the lhs, and forcing involving three terms—linear and nonlinear terms, and diabatic heating—on the rhs. The equation was applied to a case of severe convection that occurred in East China. The calculation with simulation data showed that the diabatic forcing and linear and nonlinear forcing presented large magnitude at different altitudes in the severe convection region. Further analysis revealed the diabatic forcing due to condensational latent heating had an important influence on the generation of gravity waves in the middle and lower levels. The linear forcing resulting from the Laplacian of potential-temperature linear forcing was dominant in the middle and upper levels. The nonlinear forcing was determined by the Laplacian of potential-temperature nonlinear forcing. Therefore, the forcing of gravity waves was closely associated with the thermodynamic processes in the severe convection case. The reason may be that, besides the vertical component of pressure gradient force, the vertical oscillation of atmospheric particles was dominated by the buoyancy for inertial gravity waves. The latent heating and potential-temperature linear and nonlinear forcing played an important role in the buoyancy tendency. Consequently, these thermodynamic elements influenced the evolution of inertial-gravity waves.     

多尺度大气数值预报的技术进展

随着计算机和计算理论的发展,数值模式正在向全球化、精细化发展,以适应多尺度、多目的应用的要求,从而模糊了大气环流模式和中尺度数值模式的界限,其主要手段就是改进模式动力框架、离散化手段、计算方法、物理过程的普适性。在实际应用中如何提高模式的多尺度计算性能则是问题关键。该文从模式球面坐标系、网格构造、离散化方法的动力特性、垂直坐标和地形处理以及对物理过程的要求出发,探讨分析多尺度大气数值模式的特点:全球/区域可选、非静力近似、具有良好的频散关系和详细的物理过程,垂直高度坐标和"剪切"地形对多尺度通用模式的改良十分重要。除上述特点外,模式所采用的计算方法也应该最大限度地描述大气动力过程特性,采用高性能计算方案有利于多尺度预报。结合当前多尺度预报的国际研究热点和开发前沿,探讨我国新一代多尺度数值预报系统GRAPES的进一步发展及改进方向。