海洋动力系统与MASNUM海洋数值模式体系

从海洋运动的尺度分析和相互作用分析出发提出海洋动力系统的概念，并给出其主要结构．海洋动力系统主要由近海面海洋大气、海洋微小尺度、海洋中尺度和海洋大尺度运动等子系统构成，它们是各有其特殊属性而又相互紧密联系着的海洋子系统．基于对海洋系统的理解，文中提出了建立海洋动力系统数值模式体系的构想．以MASNUM（海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室）海洋数值模式体系的发展为例，扼要地给出了海洋动力系统模式体系的各组成模块和模块间相互作用的数学物理描述．初步的模拟结果表明，根据海洋动力系统概念建立的数值模式体系具有更强的海洋环境模拟能力，这应该是新一代海洋数值模式发展和模拟研究的一个重要发展方向．     

波致混合对热带太平洋海气耦合模式中冷舌模拟的改进

非通量调整的大气海洋环流耦合数值模式所模拟的赤道太平洋表层海温（SST）的冷舌偏冷并且过于西伸是一个共性问题．文中在全球大气-海洋环流耦合数值模式FGCM-0中考虑了波致混合的作用后，赤道太平洋地区的SST模拟结果有了显著的改善，在（160—180°E，0—3°N）海域内SST升高在0.8℃以上且最大可达1.2℃．这有效地抑制了冷舌西伸，即赤道太平洋冷舌过于西伸的问题有所改善，26.0℃等温线在赤道附近的顶点从165°E东移至180°E以东，大约向东移动了1650km，这样所模拟的SST更接近于观测．对模拟结果分析表明：耦合模式中SST、近海面大气环流、海洋表层水平环流、海洋表层上升流等要素的距平场是相互间动力协调的，对于改善赤道冷舌模拟偏冷问题是正反馈，而耦合模式中海气热通量距平对改善赤道冷舌模拟偏冷问题是一种负反馈．     

气候嵌套模式的进展及双向嵌套模式对降水的模拟

区域气候模式发展的回顾表明区域气候模式在近20年来取得了长足的进步，将它与全球大气环流模式进行嵌套是研究区域气候变化的有效方法。单向嵌套是目前区域气候研究的主要手段，对区域气候的模拟和预测有明显的改进，加深了人们对区域气候变化的认识；双向嵌套能够体现不同尺度大气运动之间的相互作用，是区域气候变化研究的发展方向，尽管实现的难度很大，但模拟的结果明显优于单向嵌套。利用一个双向嵌套模式进行数值试验，结果表明它能够成功模拟我国南方的降水。     

运动潜体尾迹及其与随机海面相互作用的数值模拟

研究了水下运动物体产生的自由面尾迹与随机海面相互作用的问题.以三维非定常不可压缩雷诺平均(RANS)方程为控制方程,采用重整化群(RNG)k-ε湍流模型,应用体积分数(VOF)方法处理自由面,对水下运动球体产生的自由面尾迹特征进行了数值模拟与分析.结合海浪谱模型,数值分析了水下运动球体产生的自由面尾迹与随机海面的相互作用机理及其表现特征.     

包括潮流作用的黄东海环流模式的开边界条件研究

海洋模式开边界条件在以余水位给出的情况下,难于保证整个计算区域内水量进出的平衡,而以流速(通量)给出的情况下,能严格保证计算区域内水量进出的平衡.要体现潮流在浅海陆架环流中的作用,海洋模式开边界条件需要以余流和潮流合成的形式给出.计算结果表明,开边界条件分别以潮流和潮位给出的情况下,计算域内的潮汐潮流是一致的,表明计算潮汐潮流模式开边界条件可以用潮流的形式替代一般的潮位形式.模式开边界条件可以同时给出潮流和余流来模拟计算域内的总流场.潮流对环流的作用主要在浅海,对深海区的作用不大.文中以长江口外海区为例,考虑潮流后作潮周期平均的环流与不考虑潮流情况下的环流存在明显差异,温度和盐度的垂向结构更符合实测资料.潮流对环流的作用体现在潮混合和潮致余流上,潮混合包括对环流的混合,也包括对温盐的混合,而温盐场的改变也引起流场的改变.因此浅海陆架环流的计算必须考虑潮流的作用.     

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.     

海浪过程对短期天气模拟的影响分析

利用海洋-大气-海浪耦合模式COAWST进行了两组以东海区域为中心的72 h模拟试验。通过对比考虑动态海浪过程与未考虑该过程的试验结果，分析动态海浪过程对短期天气模拟的影响。结果表明，考虑动态海浪过程后将增强海表感热、潜热通量的模拟，造成海表大气增暖增湿。这一暖湿差异将促进大气垂向运动的发展，造成海平面低压发展，并进一步影响大气流场的变化，增强局地升温效果，有利于形成正反馈。该暖湿差异在南海西北部与菲律宾海域最为明显，且随高度上升逐渐减弱，至500 hPa高度时差异基本消失。     

一维线性海面弱流场对雷达后向散射系数的影响

基于谱扰动理论，分析了一维线性海面弱流场与微尺度表面波之间的相互作用及由此产生的海浪谱扰动。根据布拉格散射模型讨论了谱扰动对雷达后向散射系数的影响，并进行了数值模拟。针对辐聚、辐散流分别给出了不同流速梯度和不同雷达波长情况下雷达散射系数的影响。从而定量地描述了海面弱流场对雷达后向散射系数的影响。     

2016年物理海洋学热点回眸

 物理海洋学是由海洋观测、理论分析和数值模拟共同推动的科学。得益于海洋观测和数值模拟能力的提高,2016年物理海洋学取得了一系列重要进展。简述了2016年大西洋经向翻转环流变异、西边界流与中尺度涡相互作用、温跃层湍流混合等重要研究成果,回顾了中国在热带西太平洋及邻近海域海洋观测网的建成、新型Argo浮标投入使用等海洋学热点事件。     

利用星载雷达高度计确定海面动力高度的一种新方案

运用共轭变分同化的方法，就如何把卫星高度计资料同化到中尺度分辨率的大洋环流数值模式中去进行了研究。提出了直接利用距平资料来反演平均的海面动力高度的变化同化方案，并验证了可行性，为利用卫星资料进行海洋动力环境研究提供了新途径。     

基于海浪模型的海洋反射率计算

实验证明海洋反射率比较小,但用卫星遥感海洋特性时,一个重要参量就是海洋反射率,因而对它的精确计算具有十分重要的意义.我们提出了一种新的计算海洋反射率的模型--海浪模型,实验已经证明在一类水情况下,海浪模型是完全正确的.本文在理论上研究了影响海洋反射率的因素,得到了海洋反射率与其相关的曲线,这些结论对计算海洋--大气系统的辐射传输方程有实际作用.     

Application of the Three-Dimensional Shallow Sea and Continental Shelf Mode for Inversion of Undercurrent

0Introduction Muchresearchworkonoceancirculationhasbeendoneandsomenumericalmodels[14]havebeendeveloped.Athreelayer3DmodelwasraisedbyLeendertseandLiu[5].Butthesolutionofthemodelinthe(x,y,z)coordinatesys temrequireshugecomputationalquantity.XuDongfenget al[6]andFangGuohongetal[7]setupa3Dmodeltocalculateoffingcirculation.A3Dmodelinσcoordinatesystemwasap pliedtoEuropeanNorthSeabyDuranceandHughes[8],butnonlineartermswereignored.Differentmodelsareadoptedin simulationfordifferentproblems.Thea…     

大型海洋资料浮标波浪能供电装置数值模拟研究

本文以10 m大型海洋资料浮标为研究对象,分析了可适应其结构特点的波浪能供电机构。通过数值模拟计算了10 m浮标体的垂荡波浪力以及横摇角度,同时计算了波浪能转换为电能的输出功率,输出功率满足海洋资料浮标蓄电池的充电电压。最后提出了适用于此类海洋资料浮标的结构设计方案以及系统集成方案。该研究为今后海洋资料浮标波浪能供电装置的研发提供了思路。     

大洋多金属结核1km海上开采实验系统扬矿管水平液动力分析和计算

大洋多金属结核1km海上开采实验系统的扬矿管所受水平液动力由多个参数决定. 本文从系统总体设计参数出发,得出了其他各种参数值,并根据Morison方程详细推导了海浪和海流的速度和加速度的表达式,最后采用数值积分的方法得出了液动力随时间和深度的变化曲线. 在同一水深处,总液动力随时间的变化规律接近于正弦(余弦)曲线;而在同一时刻,总液动力则随水深绝对值的增加而递减,在水深0*#m至水深-200*#m内,递减速度很快;总液动力最大值为3.790*#kN.     

Real Time Simulation of Large Scale Ocean Surface near the Seashore

A new wave modeling method and a level of detail (LOD) scheme are proposed for ocean surface simulation in this paper.The modeling method describes ocean wave by modifying the sine wave,and gets wave direction at any position of ocean surface under any ocean floor conditions using wave num decomposition.LOD scheme is proposed based on quad-tree block,which simplifies the ocean surface regular mesh and realizes the real-time rendering of large-scale ocean surface.Experimental results show that these methods can get realistic effect and fast rendering speed,which are appropriated to the applications of 3D games and battlefield simulation.     

表面波诱导的近底高浓度泥沙水层内波动场的计算

随着水质恶化,底泥悬浮对水质的重要影响受到极大地关注.计算机的迅速发展为数值模拟底泥运动与再悬浮研究提供了可靠手段.利用连续性方程和N-S方程模拟流体质点运动,采用VOF法追踪自由面和水-泥沙水的相界面运动,建立了空气-水-高浓度泥沙水的数值波浪水槽,实现了波浪作用下的流场动力学响应模拟.利用波谱分析手段,分析了流场中表面波和内波耦合波场的波动特性,提出了小幅值线性波动场的计算方法.     

海洋垂直混合系数对大洋环流影响的敏感性研究

利用美国地球流体实验室的Modular Ocean Model（MOM4）模式构建了一组全球实际大洋环流实验,以检验海洋环流形势及温度结构对海洋垂直混合系数的敏感性,并仔细分析了各实验中温度方程中各项的变化,讨论了垂直混合系数改变对海洋环流形势影响的物理机制。实验结果表明,海洋垂直混合系数对海温的空间分布和海洋流场结构都有很大影响,这种影响在赤道温跃层附近表现得最为明显。这说明大洋环流对垂直混合强度的变化是相当敏感的。一般来说,在混合系数取值大的实验中大洋中上层温度的垂直和水平梯度都较小,相应的南北赤道流强度较强,赤道潜流和南北赤道逆流强度较弱,在混合系数取值小的实验中大洋中上层的温度梯度较大,此时南北赤道流强度较弱,赤道潜流和南北赤道逆流强度较强,赤道流系的各分支在范围上也有相应变化。     

杭州湾地区生态-气候监测预警系统及其应用

基于3S技术、中尺度模式及动态植被模式建立了生态-气候监测预警系统,其中包括4个子系统:土地覆盖动态监测系统、城市热岛动态监测系统、城市气候监测系统和植被NPP模拟与监测系统.利用土地覆盖监测系统可以精确地获取各种土地覆盖类型,并分析土地利用覆盖变化;利用土地覆盖监测系统结果、Landsat-TM红外影像及常规气象资料构建城市热岛监测系统,分析该地区城市热岛效应的时空变化:利用土地覆盖分类结果,对改变下垫面进行敏感性试验,模拟城市发展对城市气候的影响,构建城市气候监测系统:利用LPJ模拟杭州湾地区植被NPP及对气候变化的响应,构建植被NPP模拟与监测系统.生态预警系统可以实时监测土地覆盖、城市热岛、城市气候、植被NPP变化.对保护耕地资源、改善生态环境、提高城市人居环境、合理利用气候资源、保持农林业的可持续发展有着重要的指导和现实意义.     

海洋垂直混合系数对大洋环流影响的敏感性研究

利用美国地球流体实验室的Modular Ocean Model(MOM4)模式构建了一组全球实际大洋环流实验,以检验海洋环流形势及温度结构对海洋垂直混合系数的敏感性,并仔细分析了各实验中温度方程中各项的变化,讨论了垂直混合系数改变对海洋环流形势影响的物理机制。实验结果表明,海洋垂直混合系数对海温的空间分布和海洋流场结构都有很大影响,这种影响在赤道温跃层附近表现得最为明显。这说明大洋环流对垂直混合强度的变化是相当敏感的。一般来说,在混合系数取值大的实验中大洋中上层温度的垂直和水平梯度都较小,相应的南北赤道流强度较强,赤道潜流和南北赤道逆流强度较弱,在混合系数取值小的实验中大洋中上层的温度梯度较大,此时南北赤道流强度较弱,赤道潜流和南北赤道逆流强度较强,赤道流系的各分支在范围上也有相应变化。