一次冷空气恶劣海况的模拟研究

为了给航海、岛礁海浪发电、防灾减灾等提供海浪信息,促进军地海洋建设,利用CCMP(Cross-Calibrated Multi-Platform)风场驱动第三代海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ(WW3),对2013年3月上中旬发生在中国海的一次强冷空气海浪场过程进行数值模拟,结果表明:本次冷空气给东中国海带来明显的大浪过程,其中高于4 m的海浪区域基本维持在黄渤海区域以及东海北部,冷空气在移动过程中涌系的传播较为明显; 对于低纬海区,冷空气的影响主要是通过台湾海峡和巴士海峡的地形对南海北部浪场产生较大影响,但相较于东中国海区,南海受冷空气大浪影响较弱.     

SWAN模式对西行台风所致台风浪的模拟分析

针对西行台风浪特征难以把握的问题,基于目前国际先进的第三代海浪模式SWAN(simulating waves nearshore),以具有高精度、较高时空分辨率的CCMP(cross-calibrated,multi-platform)风场为驱动场,模拟分析影响中国海域的一系列西行台风浪特征。结果表明:以CCMP风场作为SWAN模式的驱动场,对中国海的台风浪进行数值模拟是可行的,模拟的有效波高具有较高精度;从统计的几个西行台风来看,近台风中心波高的低值中心主要位于台风中心的南部或西南部;西行台风的台风浪大值区并不严格分布于危险半圆(第一、第四象限),西行台风浪的大浪区主要分布于第一、第二象限,大浪区与传统的危险半圆重叠区域主要为第一象限。本研究为提高对西行台风浪的预报能力提供理论基础。     

基于热带风暴“三巴”的台风浪数值模拟研究

利用第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ构建二重嵌套台风浪模型,采用NCEP分析风场为驱动场,以热带风暴"三巴"为例将模式运用到中国近海台风浪模拟中,采用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)再分析数据(有效波高)作为对比对象.验证结果表明,该模式能较好地反映中国近海海域台风浪过程,同时说明NCEP分析风场适用于该海域波浪数值研究.     

江苏辐射沙脊群海域海浪精细化预报模型研究

基于SWAN海浪模式与ADCIRC风暴潮模式的耦合模式,综合考虑江苏辐射沙脊群海域的水深、地形、潮位对近岸浪的影响,采用非结构网格技术、并行计算技术以及海浪—风暴潮实时耦合技术,通过可调参数和物理过程的优化,建立适应于江苏辐射沙脊群海域的海浪精细化数值预报模型,网格分辨率最高达100m.通过对影响该海域的两次台风和两次冷空气过程的后报检验发现,该模型可以较好地反映海浪的传播过程,建立的预报系统能够满足海浪精细化数值预报业务化运行的需求.     

大跨度公铁两用斜拉桥三维风速场实测与模拟

为得到沪通公铁两用长江大桥(后简称沪通大桥)桥址区风速时程序列,对沪通大桥开展了现场风速实测,对桥址区的风场特性进行分析,得到基于实测数据的风速谱,并将其与规范给出的风速谱进行参数对比.之后采用基于实测风速谱显式分解的谐波合成法,将该桥的三维脉动风速场简化为多个线状的一维脉动风速场,分别对两个主塔、公路桥面、铁路桥面的脉动风速进行数值模拟,模拟值与目标值吻合较好.结果表明:采用实测的风速谱参数可以很好地得到大跨度桥梁数值模拟三维脉动风场,并与规范给出的统一功率谱有一定的差异性,体现了规范谱应用于不同地区,尤其是复杂气象条件时的局限性.得到的基于实测风特性的大跨度斜拉桥风速时程序列,为桥梁的风振分析提供了基础,具有良好的实用效果.     

波流耦合模式及其在理想潮汐通道中的应用

波浪和水流是近岸地区最重要的2种动力要素,为探究两者之间相互作用关系,本文利用MCT耦合器,将第3代海浪模型SWAN和区域海洋模型ROMS进行耦合,建立了SWAN-ROMS波流双向实时耦合模型。针对理想潮汐通道的典型算例进行波流耦合计算分析,分别对采用SWAN模型单独计算和采用SWAN与ROMS耦合计算的方案进行了数值试验,通过对照两者的结果,分析波流相互作用条件下对波浪和潮流的影响。研究发现建立的波流耦合模式能够较好模拟潮汐通道中的波、流相互作用关系,潮流的存在对波浪影响较为明显,周期性的潮流运动使得稳定的波浪场也产生了周期性变化,潮流与波浪向同一方向传播时,会导致波高减小,而相对运动则会导致波高增加。     

典型风场分形模拟风速的分形特征分析

对风洞试验中A、B、C 3类风场的风速进行域重新标度法分析和盒维数的计算,验证了不同风场的风速具有不同的分形特征。然后利用包含Weierstrass-Mandelbrot函数的分形模拟方法模拟了A、B、C 3类风场的风速,对比各类风场的分形模拟风速和风洞试验所得的风速的湍流度、功率谱,并且对分形模拟风速进行域重新标度法分析和盒维数的计算。结果表明:包含Weierstrass-Mandelbrot函数的分形模拟方法不仅可以模拟出各类风场的风速的基本特征如湍流度和功率谱,且经域重新标度法分析和盒维数的计算后,还进一步验证了分形模拟风速具有分形特征,所以分形模拟方法可以有效地模拟出不同风场的风速的分形特征。     

东印度洋天气和风暴潮预报系统的初步评估

东印度洋天气和风暴潮实时预报系统(EPMEF_EIO)由区域大气模式和区域风暴潮模型组成,每天实时运行4次.大气初边场来自美国国家环境预报中心(NCEP)的全球预测系统(GFS),通过区域嵌套得到印度洋-东印度洋-斯里兰卡区域的3 d预报结果.大气模式的10 m预报风场驱动风暴潮模式,得到东印度洋-斯里兰卡区域的潮汐和风暴潮3 d预报结果.通过与中国科学院南海海洋研究所斯里兰卡站气象塔观测数据、最优台风路径数据和科伦坡水位站数据对比,发现模式预报气温和相对湿度的日变化较观测值偏小,气温总体RMSE为1.26℃,相关系数为0.8,相对湿度的总体RMSE为7.0%,相关系数为0.7;模式预报风速以整体偏大为主,总体RMSE为2.3 m/s,相关系数为0.65;模式预报风向能把握主要的变化趋势,RMSE在20°~32°之间,相关系数约0.65;模式24、48和72 h路径预报平均误差分别为110.5、166.4和181.0 km.此外,模式水位预报的RMSE为0.035 m,占最大振幅约5%,与观测的相关系数达到0.996.这说明了模式可以用于预报潮汐和风暴潮过程.     

风荷载的非高斯性对风机结构疲劳损伤的影响

为分析非高斯风荷载作用下风机结构的疲劳寿命,在穿越模型基础上,根据Monte Carlo模拟生成某典型风机正常风速条件下,高斯、非高斯硬化和软化3种风场的风速时程,用于分析风场的非高斯性对风机结构疲劳损伤的影响.由叶片的气动模型和多体动力,计算出风机的动力响应,并对响应的时域特性进行分析.基于线性损伤累积和线性裂纹扩展理论,对裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命进行详细讨论.结果表明:不同概率特性风场作用下风机动力响应的最大值有所不同,且风机响应的非高斯性较风场的非高斯性减弱;在年平均风速较小地区,风场的非高斯性对风机疲劳寿命影响较小;但随着年平均风速的增大,非高斯性对疲劳寿命的影响显著增大,当年平均风速为7 m/s和9 m/s时,相较于高斯风场,软化过程的裂纹形成寿命减小约10%.因此,在年平均风速较大地区,需要考虑风场的软化特性对风机结构疲劳损伤的影响.     

应用台风风场经验模型的台风极值风速预测

为准确、高效地进行台风多发地区建筑结构设计风速的预测,利用中国东南沿海1949—2012年的台风历史数据进行了香港地区台风关键参数概率分布的研究,提出了基于新的Holland径向气压分布参数B表达式的台风风场经验模型.在此基础上结合Monte Carlo数值模拟技术,利用台风极值风速分析方法完成了不同重现期下香港地区台风极值风速的预测,并与观测数据、香港风荷载规范计算结果进行对比分析,验证了利用此台风风场经验模型进行台风极值风速预测的有效性.     

宁夏一次寒潮的天气学预报与数值模式预报对比分析

2008年12月21日前后宁夏出现一次寒潮天气过程.利用常规天气资料和数值预报产品,对此次过程的天气学预报与数值模式预报进行对比分析.分析发现,此次过程伴随中亚地区的高压脊轴向顺时针旋转促使脊前横槽快速转竖南压,引导强冷空气向南爆发,导致宁夏气温骤降形成寒潮;数值预报产品对冷高压中心强度预报偏低,是造成预报员对冷高压强度估计偏弱的主要原因;模式预报冷高压最强时段较实况偏晚,加之预报员对寒潮爆发速度估计偏慢,是21日最低气温预报失误的主要原因;WRF模式的温度预报在此次过程中反映出良好的预报能力,为寒潮预报提供了可靠依据,可作为短期温度预报的基础.     

基于Vine Copula函数的风浪要素联合概率分布模型

随着全球气候变暖的加剧,极端气候现象发生的频率和强度均可能加大,这对海岸和近海结构的安全不利。基于中国东海的连云港海洋观测站实测风浪数据和Vine Copula理论,建立风浪要素中风速、波高、波浪周期、风向和波向五维随机变量之间的联合概率分布模型。采用极大似然法确定各风浪要素边缘分布模型参数,通过AIC信息准则和均方根误差RMSE进行拟合优度评价,由此建立风浪要素的边缘分布。采用带有基于残差的高斯似然函数的贝叶斯框架估计二维Copula函数的参数,结合AIC信息准则进行拟合优度评价并确定最优Copula函数。绘制最优联合分布概率密度图,与二维频率直方图进行对比以评价模型效果。采用Vine Copula函数建立多维联合概率模型并结合AIC值评价其拟合优度。研究结果表明：建立的Vine Copula模型可以较好地刻画风速、波高、波浪周期、风向和波向五维随机变量之间的联合概率分布。     

渤海海域叶绿素浓度的遥感反演研究

以渤海海域为研究区域,以MODISIB卫星影像为数据源,利用MODIS250m分辨率的波段反射率构建的NDPI（Normalized Difference PigmentIndex）遥感指数结合叶绿素质量浓度（动实测值进行回归拟合分析,建立基于MODIS1B数据的渤海海域叶绿素质量浓度遥感提取模型,并应用该模型反演出渤海海域叶绿素浓度的分布情况,对其分布进行了分析和评价．研究结果表明,利用MODIS1B数据监测渤海海域的水质情况是可行的．     

利用MODIS数据反演渤海海冰分布

渤海每年都有冰情出现,如何对冰情进行监测是一个重要问题。遥感技术在监测冰情中具有明显优势。利用2006年2月8日MODIS数据,采用比值算法,有效地区分了海冰与海水、云。针对海冰与悬浮物难于区分的问题,采用海冰表面温度反演算法,对结果进行订正,很好地得到了渤海海冰的分布范围。     

宁夏石嘴山一次强寒潮天气诊断分析

为提高石嘴山市寒潮天气预报水平,做好防灾减灾工作,利用常规气象资料和数值预报产品资料,应用天气学分析和诊断分析方法,对2009-01-21—23石嘴山市强寒潮天气过程的环流形势、单站气象要素的变化及成因进行了系统的分析．结果表明,该次寒潮天气过程是在前期强烈升温的基础上,强冷空气在西西伯利亚地区堆积并向南侵袭所造成的．500hPa横槽转竖是产生寒潮天气的关键点,地面蒙古气旋的东移及地面冷高压强度达到1069．5hPa是寒潮爆发南下的必要条件,850hPa冷平流是产生强降温的主要原因．     

氨制冷站设备布置及通风模拟

为了研究制冷站氨压缩机发生泄漏时,设备摆放位置不同情况下,近地面氨气浓度始终在IDLH（立即威胁生命和健康浓度）以下的最小事故排风量,同时针对制冷站机械进风口最佳的进风高度及进风量等问题进行研究,保证站房内工作人员人身安全.采用Fluent数值模拟方法,建立了制冷站氨压缩机泄漏模型,通过数据处理,给出了适用于制冷站的设备布置方式及事故排风量.模拟结果得出：制冷站内设备应尽量布置在站房中部,机械进风机进风口下边缘高度保持在1～1.5m且不应大于2.5m,为制冷站的制冷设备的安装位置、事故排风机选型及机械进风机安装高度提供依据.     

低屋面横向通风牛舍倾斜挡风板流场数值模拟

针对低屋面横向通风牛舍在实际运行时会出现牛舍内气流不均匀的问题,提出了一种改变牛舍上部挡风板倾斜角度的方法来改善牛舍内空气的均匀度.利用fluent软件建立挡风板与垂直方向成不同夹角的牛舍三维模型,设置风机和湿帘为边界条件.利用计算流体动力学方法对牛舍内的空气流场进行三维数值模拟,并获得了挡风板的最佳安装角度.结果表明,当挡风板与垂直方向夹角为60℃时,牛舍中气流分布最为均匀,奶牛生存高度的气流速度也最合适.     

基于外海环境预报的近岸岛礁桥址区波高ANN推算模型

中国跨海桥梁多建于近岸岛礁海域，桥址区的波浪要素随时空演变复杂。桥址区波高的准确推算对于桥梁结构设计和施工组织具有十分重要的意义。提出一种基于外海环境预报数据的近岸岛礁桥址区波高人工神经网络（ANN）推算模型，并以平潭海峡公铁两用大桥桥址海域为研究对象，运用ANN算法中常用的BP神经网络对外海海洋预报台提供的波高、风速数据以及在桥址区实测波高数据进行训练，建立二者之间的映射关系及ANN推算模型。为验证推算模型的可行性和有效性，运用上述模型对桥址区连续80 d的海浪波高进行推算，通过对比前人模型和实测数据发现，推算波高和实测波高的变化趋势基本吻合，均方根误差满足预测要求，获得了理想的预测效果。研究表明，提出的波高ANN推算模型可以利用外海预报信息进行近岸岛礁桥址区的波高推算，且建模过程较为简单。     

基于RS和GIS的黄海海区海洋初级生产力估算

海洋初级生产力估算在渔业资源管理、碳循环和全球变化研究中具有重要意义。准确的海洋初级生产力估算模型可直接为渔业生产和海洋管理提供决策支持。在RS和GIS技术支持下,采用VGPM(vertically generalized production model)模型对黄海海区海洋初级生产力进行遥感估算和分析。研究发现,2007年黄海中部初级生产力在260 mg/(m2.d)以上,最大海洋初级生产力出现在6月,达到530 mg/(m2.d),且海洋初级生产力存在明显的空间分布特征及季节变化。本研究可为深入了解与评估黄海海区生物资源状况及可利用程度提供数据支持,也可为区域水环境质量评估及海洋经济发展规划提供决策支持。