复杂地形下海浪数值模式的特征线计算格式

LAGFD-WAM海浪数值模式是一种第三代海浪数值模式，通过求解波数谱平衡方程，并考虑风输入、波浪破碎耗散、底摩擦耗散、波波非线性相互作用和波流相互作用等源函数，模拟波数空间下的海浪方向谱，并依此获得海浪的波高、周期和平均波向。该模式的一个显著特点是采用特征线嵌入格式求解海浪的传播。在进行浅水区域的海浪模拟时，特征线嵌入格式的数值计算方案是否合理对海浪数值模拟结果产生直接的影响。为此LAGFD-WAM海浪数值模式提出了一种新的特征线混合数值计算格式，并应用于浅水海浪数值模拟。结果表明，采用该计算方法，能够使数值模拟结果与实测结果很好符合。     

海洋中示踪物等值线的分形长度及其与混合效率的关系

涡致混合扩散是物理海洋研究中的热点和难点问题。本文基于“有效扩散”理论,研究示踪物等值线在海表地转湍流的多尺度搅拌作用下,发生拉伸、扭曲、变形、折叠等改变其几何拓扑结构的现象,并探讨了等值线分形长度的变化与混合效率的关系。研究结果表明,在地转流场的搅拌下,示踪物的等值线会被迅速拉长,并产生丰富的精细结构。这种分形式的增长可达原长度的10～20倍,是混合效率提高的主要原因;而涡丝和锋面伴随的梯度增强虽然也有贡献,但为次要因素。另一方面,在示踪物模拟过程中,小尺度扩散会通过不可逆混合对示踪物进行均匀化,从而抹平等值线的精细结构,抑制等值线的增长,限制混合效率的提高。基于“数盒子”算法计算了等值线的分形维度,其数值在1.4到1.6之间,介于一维和二维之间。但由于地转湍流数据分辨率的限制,无法考虑更小尺度(次中尺度过程)的搅拌作用,可能低估了等值线的分形长度和混合效率。本研究将海洋混合与等值线几何特征联系了起来,初步得到了分形长度和混合效率两者的经验关系式,未来可以利用图像识别等成熟遥感技术将海洋示踪物等值线的几何特征直接转换为混合效率,为诊断分析海洋混合及其参数化提供了一种新的思路。     

由模拟波面统计分析波高—周期联合分布

阐述以实测或拟合海浪谱为靶谱，用等能量分割法作波面数值模拟，从而利用模拟波面统计分析波高（Ｈ）－周期（Ｔ）联合分布，对波候的Ｈ－Ｔ联合分布，长时段海浪连续记录的Ｈ－Ｔ联合分布以及风浪，涌浪和混合浪的Ｈ－Ｔ联合分布进行了讨论，结果表明，只要已知特征波高和周期，就可反演出模拟波面，进而估测Ｈ－Ｔ联合分布情况，这对了解与各种特征波高对应的周期问题及在海洋工程应用上有一定的参考意义。     

由模拟波面统计分析波高－周期联合分布

阐述以实测或拟合海浪谱为靶谱，用等能量分割法作波面数值模拟，从而利用模拟波面统计分析波高（Ｈ）－周期（Ｔ）联合分布。对波候的Ｈ－Ｔ联合分布、长时段海浪连续记录的Ｈ－Ｔ联合分布以及风浪、涌浪和混合浪的Ｈ－Ｔ联合分布进行了讨论。结果表明，只要已知特征波高和周期，就可反演出模拟波面，进而估测Ｈ－Ｔ联合分布情况，这对了解与各种特征波高对应的周期问题及在海洋工程应用上有一定的参考意义。     

长江河口盐淡水混合的数值模拟计算

建立了河口三维非线性斜压潮流盐度数学模型，数学模型中的水平压强梯度分为水位梯度的正压项和密度变化的斜压项，以反映河口盐淡水混合中的斜压现象。采用欧拉－拉格朗日法离散潮流运动方程中的对流项和盐度扩散方程，以提高计算稳定性和数值模拟精度，提出盐度边界条件，初始条件以及盐度场计算稳定标准的设置方法，针对长江河口水域的盐淡水混合情况进行模拟计算，结果反映了部分混合型河口盐度分布特征，表明所建立的河口三维非线性斜压潮流盐度数学模型能够较好地模拟长江河口盐淡水混合的时空分布。     

东中国海海浪数值模式的研究

为建立适应东中国海的海浪数值模式，主要基于目前广泛使用的WAVEWATCHⅡⅠ海浪数值模式进行东中国海海域的海浪数值模拟。以NCEP和NCEP与QSCAT的混合风场资料为输入，模拟了两个时间段的东中国海海域的海面风浪场。选取的两个有实测资料的输出点分别在渤海和东海。从所得结果来看，使用NCEP与QSCAT混合风场模拟的东海观测点处的波高和风场的观测值和模拟值符合的较好；利用1998年相应时间段的NCEP风场模拟的上述两点结果与实测比较也是可以接受的。研究结果说明，在目前情况下，运用NCEP与QSCAT混合风场建立统一的东中国海海浪数值预报模式是可行的，同时为东中国海波气候学研究及海洋大气耦合作用研究奠定了模式基础。     

球坐标系下MASNUM海浪数值模式的建立及其应用

为开展海浪对海洋上混合层的搅拌混合作用及其对海气界面通量的影响等研究,在LAGFD WAM区域海浪数值模式基础上建立了球坐标系下的全球海浪数值模式.重点导出了球坐标系下的海浪能量谱平衡方程及其复杂特征线方程,该组方程包含了背景流场对波动传播的调整、波动沿大圆传播的折射等.数值积分则采用复杂特征线嵌入计算格式.初步数值模拟结果表明,该海浪全球数值模式能够较为精确地刻画海浪的动力过程.     

不同波峰定义对波峰统计特征值的影响

在三维随机海浪数值模拟的基础上,获得了波峰的空间分布。为了验证由不同的波峰定义方法得到的波峰长度和波峰方向角等特征量的准确性,对直接利用波峰边界上距离最远的两点之间距离定义波峰长度和利用椭圆拟合波峰和以椭圆的要素定义波峰长度2种不同方法得到的波峰长度统计结果进行了比较,发现由2种方法定义得到的波峰特征量的值基本一致,尤其是波峰长度个数的统计值极为接近,由2种方法得到的统计值精确度相当。这表明,不同定义方法对边界不规则波峰长度统计值的影响较小。     

海浪混合作用对热带海洋海表面温度模拟的影响

赤道太平洋冷舌模拟偏低且过于西伸是一个共性问题。基于特征波参数化理论,利用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析风场驱动海浪模式WAVEWATCHⅢ模拟所得的有效波高、波周期、波长等海浪要素,计算出海浪混合作用引起的垂直涡动动量系数和热混合系数,将其引入到SBPOM(Stony Brook Parallel Ocean Model)环流模式的动量控制方程中,由此探究海浪混合作用对热带海洋海表面温度模拟的影响。初步数值模拟研究结果表明,海浪混合作用的考虑,有效地改进了环流模式模拟热带海洋海表面温度偏低和赤道冷舌偏冷且过于西伸的现象,使得环流模式对热带海洋的模拟效果更好。     

THEDIAGNOSTICNUMERICALSIMULATIONOFTHREE－DIMENSIONALBAROCLINICCIRCULATIONINTHEYELLOWANDBOHAISEAS

给出一黄渤海三维斜压的数值诊断环流模式，并进行了环流的数值模拟。在黄渤海冬季及夏季的环流模拟研究中，考虑了影响环流的因素，如海面风应力、热盐效应、地形及边界流量交换等影响因子。由模拟结果，正确再现了黄海冷水团密度环流、黄海暖流和沿岸流等的三维特征，并对这些特征的成因进行了分析     

Large-eddy simulation of turbulence with the use of a mixed dynamic localized closure: Part 1. Formulation of the problem,model description,and diagnostic numerical tests

A numerical large-eddy simulation model for calculating the nonstationary three-dimensional dynamics of an incompressible liquid or gas at large Reynolds numbers is presented. This model employs a high-order accurate conservative scheme and a dynamic-type mixed localized closure. The characteristic features of calculating turbulent flows on the basis of large-eddy simulation techniques are discussed.     

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。     

Statistics of Wave Crest Characteristics

The statistical distribution of wave crest characteristics such as crest length, crest height, joint crest height and length are analyzed based on numerical simulation of 3-D random waves. The effects of directional functions and wave crest defining methods on crest characteristics are also studied.The results show that wave crests are no longer uniform and continuous in directional wave field; the distribution of crest length is obviously influenced by the directional function; the statistics of crest characteristics obtained by the two different methods are almost the same.     

Large-eddy simulation of turbulence with the use of a mixed dynamic localized closure: Part 2. Numerical experiments: Simulating turbulence in a channel with rough boundaries

Several long-term numerical experiments were conducted on simulating turbulent flow in a channel confined by two rough plates. Computations were based on a model that describes the dynamics of a three-dimensional incompressible fluid at very large Reynolds numbers. This model uses a localized dynamic mixed closure and a fourth-order-accurate conservative scheme. The results of the experiments are compared to the data of observations and direct numerical simulation. It is shown that an a posteriori reconstruction of the modeled velocity field leads to a close approximation of the statistical characteristics of the model solution to the statistical characteristics of the observed variability.     

三维斜压陆架海模式的应用: 南海上混合层的季节变化

从一个三维斜压陆架海模式的数值模拟结果来揭示南海上混合层的季节变化规律,结果表明:(1)在南海北部上混合层的厚度(即混合层的下界深度)具有明显的季节性变化,与在南海南部上混合层的变化明显不同,前者的混合强度的变化幅度远比后者的要大得多.(2)在中南半岛中部东岸外海的西边界区域内,由于经常受冷涡控制,下层冷水涌升,上层水体层化显着,使得该海区垂直混合减弱.(3)在一些气旋(反气旋)涡的边缘,混合层厚度等值线分布密集,且水平梯度较大.(4)南海上混合层的厚度分布特征与上层环流的分布格局之间存在着较好的地转调整关系.     

基于HUST-Ship的船舶耐波性数值试验水池参数化建模方法研究

基于自研的HUST-Ship黏性流CFD求解器,提出了一种船舶耐波性数值试验水池参数化建模方法和网格生成技术。在自研的CFD软件平台中,根据波浪参数(规则波的波长、波高和不规则波的特征周期、有效波高)自动生成船舶耐波性数值试验水池。以结构化重叠网格技术为基础,分别对船舶与水池进行网格划分并进行网格的组装、重叠,实现船舶在耐波性数值试验水池中的数值“试验”,对船舶耐波性进行数值预报。根据波浪种类分为规则波数值试验水池与不规则波数值试验水池,可对各类波浪条件实现精确可靠的数值造波,模拟船舶在各种波浪环境中运动响应、耐波性事件与非线性运动特性。采用参数化建模方法生成的耐波性数值试验水池能够提高建模和网格生成效率,通过对国际标模进行数值预报并与船模试验结果对比,验证了参数化建模方法生成的耐波性数值试验水池对船舶在波浪中运动性能的计算精度。     

Dynamic Analysis of Towed and Variable Length Cable Systems

Towed cable systems are frequently used in marine measurements where the length of the towed cable varies during launch and recovery. In this paper a novel method for modeling variable length cable systems is introduced based on the finite segment formulation. The variable length of the towed cable is described by changing the length of the segment near the towing point and by increasing or decreasing the number of the discrete segments of the cable. In this way, the elastic effects of the cable can be easily handled since geometry and material properties of each segment are kept constant. Experimental results show that the dynamic behavior of the towed cable is consistent between the model and the physical cable. Results show that the model provides numerical efficiency and simulation accuracy for the variable length towed system.     

海浪同化预报模型理论基础

将共轭变分同化方法应用于 LAGFD- WAM海浪数值模式 ,导出了海浪谱能量平衡方程的共轭方程以及风输入、破碎、底摩擦、波波非线性相互作用和波流相互作用的相应共轭源函数 ,建立了海浪同化模型 ,数值计算仍采用特征线嵌入计算格式 ,为合成孔径雷达波谱反演资料和卫星高度计有效波高资料同化奠定理论基础     

波峰特征量的统计分布

本文在作者另文数值模拟得到的三维海浪基础上 ,进一步分析给出了三维波峰长度、高度及方向角度等特征量的统计分布。发现考虑海浪的方向性质后波峰分布不再是均匀连续的 ;波峰的长度分布受方向函数影响 ,方向分布越宽 ,波峰的平均长度越短 ,波峰的方向角分布越宽 ;波峰高度和长度在波峰高度较小时有很大的相关性 ,而在波峰高度很大时无关     

大连大魏家滨海岩溶区海水入侵化学过程

通过不同比例的海水与淡水的混合作用及其混合水对碳酸盐岩的混合溶蚀作用的室内模拟实验,对滨海岩溶区海水入侵过程中的化学过程和水-岩作用进行了研究。在海水入侵过程中,海水与淡水的混合作用是以机械混合为基础的复杂化学过程;过渡带混合水对围岩(碳酸盐岩)的混合溶蚀作用则是以分子扩散和表面反应为主的复杂化学过程;而混合水与岩溶空间内的松散沉积物间的各种离子交换作用主要是阳离子交换吸附。室内模拟试验和野外实测地下水化学组分剖面资料对应说明,淡水、海水界面之间的过渡带中部区的混合溶蚀作用最强,亦可能是岩溶最发育的部位。