热带太平洋地区HYCOM模式不同垂向坐标设置对比研究

基于挪威南森环境遥感中心改进的NERSC-HYCOM模式,对热带太平洋海域进行了多个不同垂向坐标设置的试验分析,探讨该海域不同垂向坐标设置对于模拟热带太平洋温度场和流场的影响,并设计了一个改进型方案.通过对比分析赤道海区海温、纬向流速的水平和垂直分布及其变化,得到以下主要结论:1)与密度相关的混合坐标模式对位密的选取是敏感的,NERSC-HYCOM模式应用于太平洋应选择适合太平洋的位密设置.2)具有较高垂向分辨率的单一z坐标或单一σ坐标模式能较好地模拟热带开阔大洋上层的温度场,但大洋边界处模拟效果稍差;单一σ坐标模式模拟的表层流场、双坐标σ-z模式以及上层z坐标分辨率不高的σ-z-iso混合坐标模式模拟的海温场和流场均不能令人满意.3)σ-z-iso混合坐标模式上层z坐标的分辨率对模拟效果影响较大,模拟热带太平洋海洋环流和海温应该采用较高上层z坐标分辨率的σ-z-iso混合坐标模式.     

垂直分辨率对全球降水模拟的影响

利用中国科学院大气物理研究所(IAP／CAS)的全球大气环流模式(AGCM)的两个不同版本(9层模式和21层模式),对冬、夏季全球降水分布进行模拟。并将模拟的结果与美国国家环境预测中心和中国国家大气研究中心(NCEP／NCAR)的再分析资料(NCEP—RE)进行对比。数值试验的结果表明：细垂直分辨率模式(21层)模拟的全球降水分布从总体效果上优于粗垂直分辨率模式(9层),并且对夏季全球降水分布的模拟优于对冬季降水的模拟。细垂直分辨率改善了积云对流参数化,能更好地模拟对流性降水,但它对大尺度降水的模拟不如粗垂直分辨率。     

跨尺度预报模式的网格局部加密算法

为了研究实际个例情况下二十面体全球模式水平网格的局部加密问题,利用跨尺度预报模式做了2a的预报模拟,初始时刻选择2015年4月5日00时,网格精度选择10 242单元和40 962单元,粗细网格分辨率比率选择1∶1,1∶2和1∶3,过渡区宽度选择18°和9°。结果表明:粗细网格分辨率比率越小,模式对加密区高度场和温度场的模拟误差越小,而粗网格区域的模拟误差变化不大;随着分辨率比率的减小,模式在粗网格区域模拟的涡度极值中心强度有减小的趋势,但降水场的模拟效果变化不大;相对于粗细分辨率的比率而言,过渡区宽度产生的误差很小;在局部加密方案下模式模拟结果的误差在过渡区并无增长。     

海洋环流模式研究回顾与展望

大洋环流的强度变化,对区域乃至全球气候有重要影响.综述了在过去50年中,海洋模式的发展.经过了几代人的开发,国内外全球大洋环流模式、近海和区域环流模式都有了很大改进,能较好地模拟大洋海面温度和高度的分布、海流分布以及El Nino和La Nina的演变过程等.但是,由于观测资料的短缺,数值模式开发还不够完善,海洋边界流的模拟仍不够好.有些探索是基于压力坐标的、非Boussinesq近似的海洋环流模式;将海洋模式的开边界以余流和潮流合成给出,能保证整个计算区域内水量进出的平衡;摒弃刚盖模型,用自由表面模型取而代之,以及借助海洋资料同化系统,开发海气耦合模式,都是海洋环流模式的发展方向.众多研究认为,不断改进和完善动力框架和各种差分格式的设计将有助于提高海洋环流模式的模拟能力.     

全球气候变暖背景下的大气环流基本模态

利用NCEP/NCAR REANALYSIS1948年1月～2001年2月1000～100hPa的高度场资料研究全球纬圈平均大气环流的变化.EOF1显示全球纬圈平均大气高度场在高纬度和低纬度地区呈明显的反向变化,这一变化特点解释了总方差的一半左右.从时间系数上看,近53年低纬度高度上升,高纬度高度下降.这表明20世纪60年代以后,特别是20世纪80年代中期以后,对流层中纬度西风有明显的加强趋势.与全球平均地面气温变化比较证明这种大气环流的变化与全球平均地面气温的变化有显著的相关.用观测海温强迫运行大气环流模式积分两个50年(1900～1950年和1950～1999年),EOF1与再分析资料所得的EOF1特征十分相似,解释的方差大小也基本一致.伴随着近20年的全球气温的剧烈上升,低纬度高度场升高,高纬度高度场降低,两个半球中纬度西风显著加强成为全球大气环流变化的最主要特征.     

金属丝网增强聚苯硫醚耐高温滤料的试制与研究

采用不同规格的金属丝网和不同面密度的聚苯硫醚(PPS)纤网,通过针刺结合水刺加固得到不同类型的三层复合结构耐高温过滤材料,并对其结构、孔径、拉伸性能和耐高温性能进行测试.研究表明:滤料的平均孔径随着基网目数的增大而增大,随着纤网面密度的增大而减小;试样经、纬向断裂强力均高于1 500N/5cm,纬向强力都大于经向强力,纬向伸长率都大于经向伸长率;试样耐高温性能优良,经向热收缩率小于1.5%,纬向小于1.0%,断裂强力保持率在100%以上.     

北半球准定常行星波经向结构及特征尺度分析

准定常行星波对于热带外地区的天气和气候有着举足轻重的影响.以往对于准定常行星波的研究主要针对某一纬度或多纬度平均的纬向波动进行分析,因此准定常行星波的经向结构及特征尺度尚不清楚.利用经典的Rossby波的频散关系,对传统定常波的水平全波数的计算方法进行了改进,将纬向和经向波数进行分离,得到了描述准定常行星波运动学特征的纬向和经向特征波数,从理论上给出了准定常行星波空间尺度的动力约束条件,进而对北半球行星波动的经向结构及特征空间尺度进行了分析.结果表明:在北半球热带外地区,冬季准定常行星波的经向尺度以1波为主,表明准定常行星波的经向结构多为偶极子型;而纬向波数随纬度的增高而减小,表明大尺度的准定常波可以在高纬度传播,而较小尺度的准定常波只能在较低纬度传播.进一步利用大气环流观测资料分析冬季不同纬度间准定常行星波(纬向1～3波)的位相关系,发现不同纬度间的准定常行星波以反位相关系为主,且行星波的经向活动区域随着纬向波数的减小而向极地延伸.观测得到的冬季准定常行星波的纬向和经向结构特征,与理论推导的纬向和经向特征波数的时空分布特征基本对应.     

Andes上空中间层和低热层中大气周日潮的流星雷达观测研究

利用Andes(30.3°S,70.7°W)流星雷达2010年1月1日~2014年3月21日的观测数据,研究了中间层和低热层(mesosphere and lower thermosphere,MLT)区域水平背景风场、周日潮汐以及周日潮汐与行星波之间的相互作用;并与模式结果进行了比较。多年观测结果表明,在80~100 km高度,月平均经向风场在5~8月份是南向风,在10~2月份是北向风,其变化范围在~(-1)1~13 m·s~(-1)间,明显比HWM-07模式计算的月平均值-4~6 m·s~(-1)范围大;观测的月平均纬向风场全年主要以东向风为主,只有少数月份的少数高度为西向风,风速范围为~(-1)4~32 m·s~(-1),比模式计算的月平均值-20~37 m·s~(-1)变化范围略小。观测和GSWM-00模式给出的周日潮汐月平均振幅时空分布都呈现双峰结构,观测的最大峰值出现在3月份,经向和纬向分量月平均振幅峰值分别为51 m·s~(-1)和44 m·s~(-1),次峰出现在9月份,经向和纬向分量月平均振幅次峰值分别为40~37 m·s~(-1)。模式计算的经向和纬向月平均振幅峰值约为观测值的2倍,且峰值出现的时间也比观测值晚1~2个月。这些研究结果表明,模式对南半球月平均风场和周日潮汐的描述,与实际观测值间存在明显差异,还需要加强对南半球的观测研究,来不断提高和完善目前的模式。此外,我们的研究显示,在MLT区域,由于周日潮汐和行星波都比较强,周日潮汐能与不同周期的行星波相互作用,产生新的谱成分,从而导致潮汐发生短期变化。     

大西洋热盐环流减弱对热带太平洋气候平均态及年际变率的影响

利用一个完全耦合的海气模式, 通过对比分析两组试验中海表温度、盐度、风应力等气候态变化特征以及ENSO强度和频率的变化, 研究热带太平洋气候平均态及年际变率对热盐环流减弱的响应。在北大西洋高纬地区注入1 Sv淡水后, 大西洋经向翻转流(AMOC)减弱约90%, 这直接导致向北的经向热量输送减少, 使北大西洋有明显降温, 南大西洋略有升温。这些变化会经过大气和海洋的远程传播以及局地海气反馈作用, 影响热带太平洋气候平均态: 赤道东西太平洋的SST都略有增温, 但纬向温度梯度和纬向风应力并没有太大变化, 赤道太平洋温跃层的深度和倾斜度也基本保持不变。相应地, ENSO强度和频率也没有明显变化。由此得出结论: 热盐环流减弱会引起全球气候平均态的变化, 但对热带太平洋的年际变率没有太大影响。     

东亚季风经向环流数值模拟及结果分析Ⅱ．模式性能检测及个例分析

局地径向环流诊断模式性能检验及对1994年5月1日世界时12时东亚季风区局地平均经向环流的模拟分析,分析所用的是经中科院大气物理研究所处理过的NCEP／NCAR再分析逐日资料,结果表明,在现行资料条件下模拟达到了预期的效果,证明该模式对局地经圆环流模拟性能良好,在此基础上,根据线性方程的叠加原理,进一步诊断分析方程中强迫项对向环流所起的作用。对1994年5月1日世界时12时东亚季风区局地平均径向环流而言,模拟出的各项的作用与对天气实况进行理论上的定性分析结果是相吻合的,在东亚季风区的经向环流形成过程,温度平流及绝热加热的作用相当显著,非绝热加热的作用在本文中没有作确切地比较,因其计算受到水汽资料精度和各层辐射资料缺乏的限制,另外,对流中的云物理过程也暂时未加以考虑。     

卫星遥感资料在湛江港风暴潮漫滩计算中的应用

为解决风暴潮漫滩计算缺乏潮间带地形和漫滩资料的困难,提出了基于卫星遥感资料的风暴潮漫滩计算方法:选取不同潮位的高分辨率遥感图像,提取淹水线,将遥感淹水线近似作为等高程线估算潮间带地形,作各遥感淹水线对应时刻的漫滩数值模拟,订正估算的地形,得到潮间带地形资料;将遥感淹水线推算的潮间带地形用于风暴潮模式,作风暴潮漫滩计算,并将遥感淹水线作为漫滩资料,检验计算结果.利用该方法,采用卫星遥感资料作了9615号台风在湛江港风暴潮漫滩的计算和检验.结果表明,数值模拟的漫滩面积与遥感图像误差平均为11.5%,采用该方法进行风暴潮过程的漫滩计算具有实用价值.     

一次飓风过程的梯度风不平衡的中尺度动力诊断分析

飓风是中－α尺度系统,强风暴天气在飓风的分布不均匀,主要出现在眼墙区,眼墙区的气流结构及发生机理是飓风研究的重要问题,在张大林等用中尺度数值模式（MM5）对登陆美国的飓风Andrew(1992)过程的精确数值模拟基础上,使用高分辨率模式输出资料进行了中尺度运动学分析,进而动力诊断了飓风眼区,眼墙及螺旋雨带区的梯度风不平衡,指出眼墙内深厚径向外流的发展是由深厚超梯度加速度造成的,因此飓风的梯度风不平衡对飓风发展和维持起着重要作用。     

钢丝网增强活性粉末混凝土抗侵彻特性

为研究新型钢丝网活性粉末混凝土RPC(reactive powder concrete)避弹层的抗侵彻性能,进行了抗侵彻试验和数值计算分析.制作了钢丝网RPC、钢纤维RPC试验靶体.分别采用步枪子弹和57 mm半穿甲弹进行了冲击试验,冲击试验的弹体速度分别为710、340 m/s,主要比较靶体的破坏形态和弹体对靶体的侵彻深度.为利用ANSYS/LS-DYNA动力有限元分析软件对上述靶体的抗侵彻性能进行数值计算分析,创建了新型钢丝网RPC的计算模型.计算结果与试验结果基本吻合,证明了计算模型的合理性.试验和计算结果均表明:钢丝网RPC具有较好的抗局部破坏和抗裂的性能,且具有较高的效费比.     

X波段柱面共形基片集成波导纵向缝隙天线阵的实验

利用基片集成波导SIW(substrate integrated waveguide)技术设计了一款X波段柱面共形的SIW纵向缝隙谐振天线阵.通过分析柱面共形的SIW的传输特性,沿用传统矩形波导谐振缝隙天线阵的设计方法,设计了柱面共形的SIW纵向缝隙谐振天线阵.该天线具有传统的矩形波导缝隙天线阵主瓣宽度窄、方向图可以赋形、交叉极化电平低等优异特性,同时实现了天线的小型化、轻型化.由于基片集成波导完全集成于介质基片中,使得天线与平面电路的馈电连接变得非常简单,可以用微带直接馈电,减少了中间馈电电缆以及馈电转接头的损耗,从而使天线和平面电路的集成也成为可能.实验结果验证了这种设计方法的正确性.     

钻地武器爆炸破坏作用中弹壳的影响

利用LS-DYNA有限元软件三维数值模拟了不同弹壳厚度下相同装药量的柱状装药在岩体洞库上方的爆炸破坏效应.数值模拟结果表明,有弹壳时,随着弹壳厚度的增加,爆炸破坏作用相应减小,但薄弹壳与无弹壳相比能够增强爆炸破坏作用.原因是,在弹壳较薄时,爆轰集聚效应能够增强爆炸破坏作用,但在弹壳达到一定厚度后,爆破弹壳的能量大幅增加,抵消了爆轰集聚效应并进而减弱爆炸破坏作用.由于钻地武器弹壳一般较厚,因此在其毁伤效应研究中,不应忽视弹壳对爆炸破坏作用的影响.     

倾斜涡度发展与β中尺度低涡

利用中尺度暴雨模式MRM1,对1998年7月21、22日湖北黄石的β中尺度低涡及特大暴雨进行数值模拟,采用湿位涡守恒原理对模式输出的高时空分辨率物理量场进行分析。结果表明,β中尺度低涡是在低层θ水平梯度加大,θe等值线变得更加倾斜、近似陡立而发生SVD的情况下产生的。Pm1在本次特大暴雨过程中是主要的,大大超过pm2,低层对流稳定度绝对值的迅速减小造成垂直涡度的急剧增大,从而形成β中尺度低涡。因此,θe等值线变得陡立可能是气旋性涡度激烈发展导致对流性特大暴雨形成的一个重要原因。     

丛状遮障的雷达散射特性分析

为研究丛状遮障的雷达散射行为,提出了一种兼顾周期性和遮障结构随机性的数值计算几何模型。该模型的最大特点是:一方面将遮障描述成周期结构以便于数值计算,另一方面则将遮障的随机结构特性赋予所计算的周期结构单元。赋予周期结构单元随机结构特性的方法是,在周期结构单元内放置大量的小叶片散射体,小叶片散射体的随机分布形成结构的随机性。这样的模型既克服了单纯周期结构无法反映遮障的结构随机性问题,也避免了单纯的随机结构难以计算的问题。利用所建立的模型进行了FDTD(finite difference time domain)计算,结果表明,随机结构遮障能够有效分散雷达回波,降低后向散射系数。     

新型全自动抓斗卸船系统

针对抓斗卸船机司机劳动强度大、安全性低、机械可靠性无法保证等一系列难题,首创性地提出了一套全自动化卸船作业方案。对该方案做出了详细阐述,包括系统运行模式、作业流程和几种策略优化方法,并与传统卸船工艺做了综合详尽的对比分析。该全自动抓斗卸船机在上海港罗泾矿石码头实施后,经过轻重载调试目前已投入正式生产。对装备性能的全面测试结果证明,与传统作业方式相比,该系统作业效率显著提高,人员劳动强度大幅降低,同时为机械运行可靠性和安全性提供了有力保障。     

基于线性预测外推的高分辨率雷达成像

为了提高实验室合成孔径雷达(SAR)成像系统的分辨率,采用自回归(AR)模型,对采集到的数据进行距离向和方位向上的线性预测外推,对外推后的数据进行快速傅里叶变换(FFT)。实验结果表明,相比于传统的快速傅里叶变换成像算法,在同样的硬件条件下,使用该方法可以提高该系统的纵向及横向的分辨率,得到更清晰的雷达图像,或使用较小孔径长度就可以获得相同质量的雷达图像;并且该算法计算速度较快,易于操作,便于在系统上实现实时成像。     

风冷热泵空调器节能分析与优化

空调节能分析,传统的办法就是对空调系统各设备的热损失进行计算分析,设法提高热效率,来保证充分利用能量之目的。现有的理论和实践已证实这种传统的方法是不完善的,甚至会误入歧途。节能的分析及优化已不只是能的量的问题,而是能的质与量的综合估价的问题。通过对热泵系统的Yong分析、模拟出各部位的Yong损失情况,提出系统的节能部位和应采取的措施,使整个系统的Yong损失为最小,Yong效率最大,实现热泵节能优化。