海洋动力系统数值模式体系及海浪-环流耦合理论

从系统科学的观点出发,把海洋运动按照时空尺度分解成小尺度(以海浪为代表)子系统、中尺度(以内波为代表)子系统、大尺度(以大洋波动和环流为代表)子系统,并把海洋和大气之间通过近海面海洋大气层进行相互作用的部分称为近海面海洋大气边界层子系统。考虑各子系统之间的相互作用,提出了从海洋动力系统观点出发发展海洋数值模式体系的科学思路。通过考虑海浪对环流的垂向混合作用,将海浪的运动混合作用解析表达为可以通过海浪数值模式直接计算的海浪谱形式,建立了海浪-环流耦合理论。这一理论不仅将普林斯顿环流模式全球上100米的模拟海温与Levitus资料之间的平均相关系数从0.58提高到了0.76,而且加深了我们对中国近海海洋环流系统的理解,同时对气候模式热带偏差这一共性问题有显著改善。该理论对海洋环境预报和全球气候变化预测具有重要意义。     

考虑动态流体网格的颗粒-流体耦合算法

传统颗粒-流体耦合算法难以考虑流体动态边界问题,在模拟大变形案例时因流固边界不匹配易造成计算误差,影响结果的准确性.针对该问题,引入流体网格动态更新方法,推导动网格下的达西渗流方程和颗粒-流体相互作用方程,在离散元商业软件PFC~(2D)基础上,开发了考虑流体动网格的颗粒-流体耦合算法.将该算法用于模拟饱和土不排水剪切双轴试验,通过与常体积法的结果对比,验证了该方法的有效性.最后,采用该算法模拟了不同围压下的不排水双轴试验,计算结果的规律与室内试验具有较好的一致性.该算法考虑了流体动网格的问题,在模拟大变形下的三轴压缩试验、一维固结试验等案例时可获得相适应的流固边界,有助于提高模拟精度,因此可为类似研究提供参考.     

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。     

珠三角城市化对大气边界层特征影响的数值模拟

利用WRF/UCM模式对珠江三角洲2008年秋季一次大气污染过程的气象场特征进行模拟。在模式中针对下垫面类型数据和人为热通量来设置敏感性试验以探讨城市化对大气边界层特征的影响。研究结果表明:城市化发展(包括城市土地利用类型的改变以及人为热通量的加入和增加)均能增强城市热岛效应和干岛效应,使夜间地面逆温现象更加显著,地面污染物容易积累;地表粗糙度的增加使风速减小,城市化使热岛环流增强,污染物难以扩散,这也是造成空气污染事件的原因;同时城市的发展能抬升白天和夜晚的大气边界层高度。     

湛江港海域台风浪分布特征模拟

利用物理过程考虑得较全面的第三代近岸海浪数值模式(SWAN)，模拟了湛江港海域一次台风浪过程。结果表明：台风风场直接决定了海浪的分布特征。在台风场的驱动下，风向与浪向基本上是一致的，并且波高、波长与周期的发展和传播方向与风向也是一致的；风速的大小决定了波高、波长与周期的大小。此外，海浪的分布特征受台风中心的位置和移动路径影响较大，当台风中心位于湛江港海域的不同位置时，台风浪有效波高、波长与周期的分布特征及传播方向都有着较大的差异，可以为湛江港海域台风浪的预报提供借鉴。     

基于频谱的海浪实时模拟

基于海浪谱皮尔逊—莫斯科维奇谱(P-M谱),提出了一种新的海浪实时模拟方法,该方法考虑了海水深度对波形的影响,并通过纹理映射、材质设置、光照、色彩融合等渲染技术实现了海浪造型及动态显示实验表明该方法在波浪模拟的简易性、实时性与真实感方面均取得不错的效果,适合各种深度的海洋波浪模拟     

基于频谱的海浪实时模拟

基于海浪谱皮尔逊一莫斯科维奇谱(P-M谱),提出了一种新的海浪实时模拟方法,该方法考虑了海水深度对波形的影响,并通过纹理映射、材质设置、光照、色彩融合等渲染技术实现了海浪造型及动态显示.实验表明该方法在波浪模拟的简易性、实时性与真实感方面均取得不错的效果,适合各种深度的海洋波浪模拟.     

南大西洋至几内亚湾冬季海浪传播特性

为解决南大西洋至几内亚湾海域的海浪组成成分、传播特性及来源这3个该海域一直需要解决的问题，建立SWAN （Simulating WAves Nearshore）双层嵌套海浪模型对南大西洋至几内亚湾冬季海浪时空分布进行模拟分析，结果表明：南大西洋海浪有效波高呈高纬度区（30°S以南）向低纬度区（30°S以北）递减的趋势 ，高纬度区海浪传播方向与风场关系密切，低纬度区则与风场差异明显；南大西洋涌浪波高与混合浪波高分布高度相关，涌浪在混合浪中所占比例较大，尤其在风速较小的低纬度海域更为显著；南大西洋中部至几内亚湾存在相对固定的S-SW涌浪系统，其能量在二维海浪谱上分布集中，空间方向上分布范围较窄；模拟时段内几内亚湾呈明显的涌浪主导状态，通过对有效波高最大时刻的一次涌浪过程溯源发现，影响几内亚湾的涌浪可追溯至约6.5天前南大西洋咆哮西风带海域的强风浪。     

CSP热连轧再结晶临界应变模型研究

通过THERMOMASTER-Z型热／力模拟试验机对CSP生产线上冷轧冲压基板（SPHD）进行了热变形实验，建立了该钢种的临界应变模型以及流动应力-应变模型；分析了试验过程中工艺参数对临界应变、流动应力的影响。结果表明，变形温度、变形速率是影响临界应变的主要因素，当热变形达到临界应变时，将发生动态再结晶，同时造成变形抗力的波动。     

水平井及大斜度井砾石充填过程试验

根据水平井及大斜度井砾石充填机制与过程,考虑地层滤失、井筒倾斜、筛管偏置等特殊情况,建立水平井及大斜度井管内砾石循环充填试验模拟装置.利用该试验装置模拟水平井及大斜度井管内砾石循环充填全过程,分析α波及β波充填前沿特征,研究井筒倾角、筛管偏置度、流量、砂体积分数对充填动态及α波砂床平衡高度的影响规律及机制.试验结果表明:α波充填前沿在低流量下规则稳定,在高流量下形状不规则;α波充填结束前沉积砂床平衡高度会整体升高,导致β波充填空间较小;筛管偏置度与井筒倾角对充填动态有明显影响,井筒倾斜会降低砂床平衡高度,而筛管偏置则会加剧沉积砂床的形成并增大平衡高度;流量、砂体积分数是影响α波充填动态的直接因素.     

冬季北极海冰面积异常与中国气温变化之间的年际关系

利用1957-2001年冬季的北极海冰资料、中国160站气温资料以及NCEP再分析的大气环流资料分析了冬季北极海冰面积异常与中国气温变化之间的年际关系.过去44年来,北极海冰面积总体上具有减小趋势(鄂霍次克海是例外,那里海冰面积有增加趋势),相应地北极涛动趋于增强,我国大部分地区趋于增暖.叠加这种趋势变化之上的是年际变化.在年际时间尺度上,冬季海冰变化的主要空间型表现为格陵兰海和白令海的海冰异常总是和鄂霍次克海、巴伦支海东部、喀拉海(新地岛附近)以及哈得孙湾的海冰异常符号相反,并且与500 hPa高度场上的EU和WP型遥相关对应.当冬季格陵兰海和白令海的海冰异常偏少,而鄂霍次克海、巴伦支海东部、喀拉海(新地岛附近)以及哈得孙湾的海冰异常偏多时,西伯利亚高压和阿留申低压都偏弱,冬季风减弱,东亚西风增强,我国冬季大部分地区温度升高;反之亦然.     

Water-vapor source shift of Xinjiang region during the recent twenty years

The aim of this paper is to investigate the climate water-vapor sources of Xinjiang region and their shifts during the past 20 years. First, the principle and steps are roughly regulated to seek the water-vapor sources. Second, the climate stationary water-vapor transport in troposphere is calculated to distinguish where the water vapor comes from by ERA-40 reanalysis. In addition, the collocation between the transport and the atmospheric column water vapor content is analyzed. The results show that the major vapor comes from the west side of Xinjiang for mid-month of seasons, apart from July while the water vapor comes from the north or northwest direction. The water vapor sources are different for different seasons, for example, the Caspian Sea and Mediterranean are the sources in January and April, the North Atlantic and the Arctic sea in July, and the Black Sea and Caspian Sea in October, respectively. In recent ten years more water vapor above Xinjiang comes from the high latitudes and the Arctic sea with global warming, and less from Mediterranean in comparison with the case of 1973—1986. In fact, the air over subtropics becomes dry and the anomalous water vapor transport direction turns to west or southwest during 1987—2000. By contrast, the air over middle and high latitudes is warmer and wetter than 14 years ago.     

最大熵分布在波高长期统计中的应用

基于最大熵原理,推导出最大熵分布概率密度函数,同时介绍了目前在有效波高长期统计分布中运用较多的参数化模式,并将这2种方法应用于有效波高的长期统计分布中.为了检验2种方法的准确性,选用我国东海海域浮筒长期实测风、波浪数据,进行有效波高的概率密度函数拟合,将计算结果与实测数据绘成直方图并进行了比较.结果表明,最大熵分布概率密度函数中的参量γ值能够表征实际海况的复杂程度,且其在不同风速下与实测数据均吻合良好;而由参数化模式推导出的有效波高概率密度函数,在风速较小时与实测数据的吻合程度比风速较大时好,在风速较大时会出现偏离.     

近十年我国海平面变化研究进展

系统地回顾了2006—2015年我国在海平面变化规律、机制及影响领域的最新研究进展。分析了全球及区域海平面以及比容海平面在不同时间尺度上的变化规律;探讨了海平面的变化机制,海表热通量、淡水通量、环流、风应力以及Rossby波对不同区域海平面变化的动力及热力影响;采用统计方法和数值模拟等手段,对21世纪海平面变化进行了预测;同时海平面变化会影响海洋的动力过程(如潮波系统的变化),并进而对近海和海岸带环境产生重要影响(如海岸侵蚀、海水入侵和土地盐渍化、河口咸潮入侵、近岸低地淹没、红树林衰退等)。     

黄海辐射沙洲波浪折射数学模型

建立了黄海辐射沙洲波浪折射计算的数学模型。模型依据Ｌｏｎｇｕｅｔ－Ｈｉｇｇｉｎｓ提出的波数平面上波浪能量密度沿波射线守恒的理论，建立近岸浅水点与深水边界波谱之间的关系，采用三角形网格概化水下地形，使得波射线方程的求解简化成几何问题；采用逆追踪法，即由近岸浅水工程点出发沿与波射线相反的方向追踪，减少了计算的盲目性和计算工作量；深水边界采用方向谱，并可选择不同的谱型以满足不同问题的需要，黄海辐射沙洲区     

台风浪对掠海飞行器击水概率的影响

利用CCMP风场驱动目前国际先进的第3代海浪模式WW3,对发生在中国海的台风浪进行数值模拟,在国内首次利用来自日本、韩国的海浪观测资料,对模拟数据的有效性进行检验,并分析台风浪对掠海飞行器击水概率的影响,为提高导弹等掠海飞行器的生存和突防能力提供参考。研究发现：（1）模拟的海浪数据与观测数据具有较好的一致性,WW3模式较好地刻画了发生在中国近海的台风浪过程;（2）击水概率的大小因飞行高度呈现较大差异;（3）通过对3个转向型台风的分析发现,台风西行时,击水概率的大值区主要分布于第1、第4象限,北上时,击水概率的大值区主要分布于第1、第2象限,东北行时,击水概率的大值区主要分布于第1象限;（4）台风西行、北上时,台风中心位于击水概率大值区的南部,东北行时,台风中心位于击水概率大值区的西部。     

Transition of the annual cycle of precipitation from double-peak mode to single-peak mode in South China

Previous studies revealed the double-peak mode (DPM) in South China precipitation, corresponding to the two stages in the rainy season, i.e. the first rainy stage (FRS) and the second rainy stage (SRS). But observations in recent two decades show that the DPM has changed to a single-peak mode (SPM). Both the precipitation amount and the heavy rainfall event frequency enhanced significantly in the gap between the FRS and the SRS in 1991–2010, compared to those in 1961-1990. This change can be linked to the effects of the global warming. During the warmer period, the July sea surface temperature over the western Pacific has greater increases than that over the central and eastern Pacific, especially west of 140°E. It may generate more tropical cyclones (TCs) in the inshore areas and then more typhoon rainfall over South China. On the other hand, the increments of the air temperature over the East Asian continent are greater than those of the SST over the western Pacific under the global warming, which enlarges the land-ocean temperature/pressure contrast and leads to a trend of the earlier onset dates of the Asian summer monsoon (ASM) in recent two decades. Then, the earlier ASM will facilitate the western Pacific subtropical high (WPSH) to retreat earlier from the South China Sea and enhance the convective precipitation in South China between the FRS and the SRS. Also, due to the warmer ocean, the WPSH locates more westward in July, and more moisture will be transported to South China from the southwest side to the WPSTH. All these influences favor a remarkably increasing precipitation in the gap in the warmer period and changes the seasonal cycle from double-peak mode to single-peak mode.     

Development of typhoon driven wave nowcasting model in Southeast China Sea

Using optimal interpolation data assimilation of observed wave spectrum around Northeast coast of Taiwan Island, the typhoon driven wave nowcasting model in Southeast China Sea is setup. The SWAN (simulating waves nearshore) model is used to calculate wave field and the input wind field is the QSCAT/NCEP (Quick Scatterometer/National Centers for Environmental Prediction) data. The two-dimensional wavelet transform is applied to analyze the X-band radar image of nearshore wave field and it reveals that the observed wave spectrum has shoaling characteristics in frequency domain. The reverse calculation approach of wave spectrum in deep water is proposed and validated with experimental tests. The two-dimensional digital low-pass filter is used to obtain the initialization wave field. Wave data during Typhoon Sinlaku is used to calibrate the data assimilation parameters and test the reverse calculation approach. Data assimilation corrects the significant wave height and the low frequency spectra energy evidently at Beishuang Station along Fujian Province coast, where the entire assimilation indexes are positive in verification moments. The nowcasting wave field shows that the present model can obtain more accurate wave predictions for coastal and ocean engineering in Southeast China Sea.     

Temporal and spatial variabilities of sea surface heights in the northeastern South China Sea

Analyses of sea surface height anomalies (SSHA) from Jan. 1993 to Dec. 2001 measured by TOPEX/Poseidon (T/P) satellite altimetry indicate that there are two energy highs of SSHA fluctuations on both sides of the Luzon Strait. The highs centered at (19.5°N, 119.5°E) and (22.0°N, 124.0°E) respectively, are separated by a low energy band in the Strait. Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis on the "Far Field" suggests that fluctuations of these two areas are mutually independent. EOF analysis on the "Near Field" shows that SSHA oscillation in the northeastern South China Sea (SCS) is dominated by seasonal variations accompanied with significant intra-seasonal and inter-annual fluctuations. Among which, EOFI and EOF2 reflect 66.7% of the total variance. They are both seasonal but showing three months difference in phase. The basic pattern of EOFI appears to be the seasonal SSHA oscillation centered at (18.0°N, 119.0°E) northwest off Luzon Island, which shows maximums (minimums) in August/Septemb