南极海冰厚度数值模拟

主要进行南极地区海冰厚度的数值模拟研究,并考虑太阳短波辐射等因素对南极海冰厚度变化的影响。根据我国第22次南极科学考察现场观测数据,建立了辨识海冰厚度的最优控制模型,并用遗传算法求解该最优控制问题,仿真结果与现场观测数据吻合良好,表明所建模型和求解算法是准确有效的。     

南极海冰导热系数优化辨识

根据我国第22次南极科学考察现场调查数据,建立了辨识海冰导热系数的参数辨识模型,依据海冰导热系数依赖于其温度盐度的变化关系,拟合得到了三种海冰导热系数依赖于温度盐度的函数关系.通过遗传算法对该优化辨识模型进行了数值求解,用辨识出的最优导热系数与目前通用的海冰导热系数经验公式分别对我国第21次南极科学考察观测温度数据进行数值模拟,模拟结果表明本文构造的辨识模型是正确有效的,辨识结果可供南极海冰数值模拟者参考.     

雷达海冰监测系统与数值预报技术在辽东湾冰区作业中的应用

利用航海雷达在辽东湾冰区石油平台上,现场实时进行海冰观测;雷达监测海冰系统,针对海冰类型识别及对应冰厚度、流冰漂移速度、方向、冰边缘线等要素进行观测;应用统计模式分类法,对雷达观测的海冰数据进行分类、验证,其海冰分类识别结果标准率达80％以上,同时开展现场流冰跟踪数值预报业务,检验了现场雷达海冰监测、数值预报的可行性和应用性．     

电阻率冰厚监测装置在南极海冰考察中的应用

电阻率冰厚监测装置是中国第21次南极考察中海冰厚度监测的技术设备之一。结合南极极端环境,对基于冰、水不同电传导性质的电阻率冰厚监测装置首次在南极海冰考察中所取得的数据进行了分析,总结出极地海冰不稳定的现场环境和低温是影响该装置测量精度的主要因素,并依据分析结果对该装置提出了改进措施。     

冰层厚度自动化观测系统的试验研究

以河冰为例,在实验室中进行了三个冰生消变化过程中直流电微弱传导性质的试验。通过对大量测量数据的抽样分析,验证了冰的直流电传导性;总结了冰在生消变化过程中其直流传导性与冰、传导距离、直流电压的关系,得出了冰具有直流电微弱传导特性。利用这一性质,结合单片机及计算机图形学技术来实现对冰的生消变化及冰层厚度进行自动化观测。该研究成果可用于极地海冰厚度的自动化监测,为极地海冰厚度变化过程监测提供技术基础。     

磁致位移传感器冰雪厚度测量仪原理及其应用

基于磁致伸缩原理的位移传感器具有高精度、高稳定性、多位置测量的特点,据此研制了一种能同时测量冰/雪表面和冰底面变化的接触式冰雪厚度测量仪.该仪器被应用到低温实验室冰厚和南极固定冰区冰雪厚度的测量中.实验室历时540h,测量精度±0.13cm;现场应用持续6个月,测量精度±0.20cm.高精度的测量数据,特别是现场测量数据,为分析冰厚变化的细微过程提供了基础,为深入研究气-冰-海耦合过程,完善海冰热力学数值模型提供了支持.另外,该仪器还能为冰工程领域的研究提供技术支持.     

从船载摄像机影像序列中提取海冰密集度的方法初探

南北极地区的航运受海冰影响较大.现有的冰区导航方法较为单一.本文设计了一种从船载摄像机影像序列中提取海冰密集度的方法,并以雪龙船第26次南极航行所拍摄的影像为例,对方法的可行性进行实验,之后使用中分辨率雷达卫星数据作为验证数据,对结果精度进行验证.结果表明,这种方法具有较高的精度,同时由于其在观测成本和观测简易度上的优势,可以作为现有导航方法的补充,并可用于定点监测等领域,为研究全球环境变化提供数据支持.     

黑龙江地区水库雪/冰表面温度特征分析

根据雪/冰表面热平衡方程以及黑龙江大庆红旗泡水库2009年冬季现场观测数据和在中国气象数据共享网上下载的安达气象站有关气象数据,模拟计算出红旗泡水库2009年冬季的雪/冰表面温度,发现雪/冰表面温度、气温和净辐射之间存在明显的周期性变化,分析研究了雪/冰表面温度的特征及规律,在此基础上得到雪/冰表面温度最低和最高设计值.统计现场观测气温得到谷值气温一般出现在凌晨,且大多集中在7:00~8:00之间,是以往选取凌晨6:00气温作为最低设计冰温的一个佐证.     

黑龙江地区淡水冰表面太阳短波辐射与云量关系的优化辨识

依据文献中高纬度海冰区太阳短波辐射与云量关系的参数化方案,利用2009年、2010年两个冬季黑龙江省红旗泡水库现场观测的太阳短波辐射数据和中国气象数据共享网上下载的云量数据,以及观测点的太阳天顶角、太阳时、纬度等数据,根据最小二乘法构造参数辨识模型,用MATLAB编程求解该参数辨识模型,分析得到黑龙江地区淡水冰表面太阳短波辐射与云量关系的参数化方案.     

影响寒区水库雪/冰表面温度的因素及其敏感性分析

基于雪/冰表面热平衡方程,得到影响雪/冰表面温度的主要因素有冰上气温、风速、净辐射、冰厚、湿度、云量及气压.考虑某一因素对雪/冰表面温度的影响,则改变这一因素,保持其它因素相对固定,从而分析该因素对雪/冰表面温度影响的敏感性.采用2009-2010年冬季黑龙江红旗泡水库现场观测所得的不同时刻冰上气温、风速、太阳辐射、冰厚等实测数据以及在中国气象网上下载得到的安达气象站的有关云量、湿度与海平面气压等数据进行统计分析,确定主要影响因素的特征.在此基础上对某一因素在实测范围内变化取值,利用雪/冰表面热平衡方程,模拟计算出对应的水库雪/冰表面温度.经敏感性分析得到了红旗泡水库上述七个影响因素与雪/冰表面温度的关系式.该结果可为气象因素对水库淡水冰的形成及数值模拟研究提供参考依据.     

寒区水库冰盖厚度增长数值模拟研究

为了研究寒区水库冰盖厚度的增长情况,分析了前人对寒区水库冰盖热力模式及冰厚增长数值模拟研究的方法,对-维热传导方程和-维单相Steften问题所采用的数值解法进行了改进.采用隐式的Crank-Nicolson格式进行离散,精度提升到二阶精度,且具有无条件稳定性.并根据黑龙江省大庆红旗泡水库冰盖的温度、厚度等观测数据,进...     

以气温为边界条件的水库冰盖厚度的数值模拟研究

针对寒区水库冰盖厚度增长的数值模拟问题,依据黑龙江省红旗泡水库2008年、2009年2个冬季现场观测的气温、冰温等实测数据,应用最小二乘法进行参数辨识,改进前人关于冰面温度与气温关系的表达形式,确定了黑龙江省大庆地区水库冰盖冰面温度依赖于大气温度的线性变化关系.分析了前人对寒区水库冰盖热力模式及冰厚增长数值模拟研究的方法,对其一维热力学模型和单相Steften问题所采用的数值解法进行了改进,用已给出的转换关系将大气温度转换后的冰面温度作为边界条件,对黑龙江省红旗泡水库2008、2009年2个冬季冰盖厚度的增长情况进行了数值模拟,数值模拟结果与现场实测数据吻合良好.     

基于SPH方法的渤海海冰动力学数值模拟

简要介绍了光滑质点流体动力学 (smoothed particle hydrodynamics,简称SPH) 方法的基本原理,并将此方法应用到渤海海冰动力学数值模拟中. 在对海冰动力学方程和粘弹塑性本构方程进行SPH处理的基础上,对渤海海冰的动力演化过程进行了48 h的数值模拟,得到了海冰厚度、密集度、速度和主应力的演化过程及分布规律,同时对模拟的海冰厚度等值线分布与卫星遥感图像进行了对比分析. 数值模拟结果表明,SPH能够精确地模拟海冰分布规律以及冰缘线的位置,具有很高的计算精度和稳定性,是一种有效的海冰动力学数值模拟方法.     

沥青混合料铺筑温度场的有限差分仿真模型

为确定热态沥青混合料在特定条件下的铺筑温度场,建立了铺筑温度场的一维非稳态仿真模型。仿真模型采用有限差分隐式格式,取静态定值气温、风速、太阳辐射、表面洒水量、下承层初始温度场以及下承层材料热物性参数,每隔一时间步长而变化一次的表面传热系数、有效辐射、铺层材料导热系数和比热容,随前三次碾压每次非连续变化一次的铺层材料密度。从而将求解一维非稳态铺筑温度场转化为用数学工具求解沿铺层厚度方向任意位置处每隔一定时间间隔的温度值。结果表明:经仿真模型验证,确定了仿真模型的准确度和可信度。     

极区船舶及海洋结构冰荷载的离散元分析

 冰荷载是影响极区船舶及海洋结构振动响应和疲劳寿命的重要因素。针对海冰的离散特性,分别采用具有黏结-破碎效应的球体单元、扩展圆盘单元以及基于闵可夫斯基和方法的扩展多面体单元构造海冰离散单元模型,分析了船体、固定式、自升式以及浮式海洋结构的冰荷载特性及分布规律。此外,为计算海冰作用下海洋结构的振动响应,建立了相应的冰激结构振动的离散元-有限元模型。在上述基础上自主研发了基于图像处理单位（GPU）并行算法的海冰离散元软件（IceDEM）,实现了对船舶以及海洋平台结构冰荷载离散元分析的大规模计算。     

闪光法测量半透明材料热扩散率的理论研究

建立了闪光法测量半透明材料热扩散率的一维瞬态导热-辐射耦合换热数学模型,采用基于控制容积的离散坐标法分析求解激光脉冲在半透明材料内的温度响应,并与由热四端网络法得到的半解析解进行了对比和验证.研究结果表明:两种计算方法在各种计算条件下得到的结果吻合很好.数值方法更灵活,可以处理物性非线性问题,但计算时间较长;半解析法的计算速度非常快,但只能处理常物性问题.此外,本文对试样吸收系数、辐射边界、厚度及试样表面的热损失等因素对温度响应的影响进行了对比分析.     

Preliminary results of ice radar investigation along the traverse between Zhongshan and Dome A in East Antarctic ice sheet: Ice thickness and subglacial topography

During the 24th Chinese National Antarctic Research Expedition (CHINARE 24, 2007/08), a ground-based ice radar was used to survey ice thickness and subglacial topography along the 1170 km traverse between Zhongshan and Dome A in East Antarctic ice sheet (EAIS). Ice-bedrock interface was detected along 82% of the traverse and data was collected at a horizontal resolution of <5.6 m. The data was processed to produce curves of ice thickness distribution and subglacial topography along the traverse. The results indicate that, along the traverse, the average ice thickness is 2037 m, smaller than the average ice thickness in EAIS; the thickest ice is at 730 km, and the thinnest ice (891 m) is at the edge of the ice sheet, but the slightly larger ice thickness (1078 m) in inland appears at 1020 km; the average subglacial topography elevation is 728 m, greatly larger than the average value in EAIS, and the largest elevation reaches up to 2650 m at 1034 km. The lowest terrain is located at 765 km. In further inland of 900–1170 km, the subglacial topography is relatively high due to the existence of the Gamburtsev Subglacial Mountains in the region. Generally, the influence of subglacial topography on ice surface is not significant, except at 900 km where great rise of subglacial topography causes evident uplift of ice surface. Where ice-bedrock interface was detected, the frequent and strong change of ice thickness and subglacial topography in small-scale means large bedrock roughness along the traverse, and is considered as the result of the integrated influence of ice flow, basal environments and geology. The segment where bedrock was not detected has very large ice thickness. The strong ice flow there also makes internal structure more complicated and induces serious attenuation of radar signals.     

冰区海洋平台静态冰载荷概率特性分析

基于Monte Carlo法 ,对冰区海洋平台静态冰载荷的概率特性进行了分析。在平台设计评估载荷的计算中引入广义冰载荷“当量冰力”的概念 ,并用此概念对冰厚和冰强度的联合作用进行了评估。以渤海辽东湾 4个典型台站为例 ,分析了静态冰载荷主要影响因素的概率特性 ,给出了这几个台站附近海域当量冰力的概率分布参数 ,并定量分析了冰厚和气温对当量冰力的影响。模拟结果表明 ,应用Weibull分布描述概率当量冰力是可行的。此外 ,采用多年一遇的极值条件下冰参数组合求得的当量冰力值比Monte Carlo模拟结果保守得多 ,在工程应用中 ,可采用当量冰力作为平台设计载荷的基础。     

河流冰盖热力增长的数值模拟

文章基于多相流理论,建立了河流的热力与水力条件耦合的二维河道模型.模型把河流当作大气-冰体-水体的一个耦合系统,考虑了系统中界面的热量交换,并考虑了冰花在冰盖下堆积对冰盖热量交换的影响.在不同的入口冰花浓度、冰盖上表面温度、入口水流速度的工况下,对冰盖的增长进行了模拟分析,获得了冰盖厚度的增长特征与冰盖形成后水体速度场和温度场的分布特征.模拟结果表明:入口冰花浓度越大、冰盖上表面温度越低、入口流速越小,则形成的冰盖厚度越大;断面上的流速越大,水温越低.