波流-碎冰耦合作用下平台动力定位辅助系泊模型试验研究

为评估某极区半潜平台的作业安全,开展波流-碎冰耦合作用下冰区半潜平台动力定位辅助系泊的模型试验,对比分析风浪流-碎冰载荷联合作用下平台动力定位系统在有、无加速度反馈工况下的运动及系泊响应,验证加速度反馈策略的有效性。提出切换定位点消冰策略消除半潜式平台立柱前浮冰积聚的现象,对比开启消除浮冰功能前,平台系泊系统张力大幅降低,进一步提高了平台的作业安全。

渤海冰-海洋耦合模式 I.模式和参数研究

在国内外冰-海洋耦合模式研究基础上,根据渤海水文、气象和冰情特点,以国家海洋环境预报中心的渤海海冰预报模式和POM海洋模式为基础,开发了一个冰-海洋耦合模式.在该耦合模式中,冰和海洋之间的动量和热量交换是双向的,冰厚和冰密集度的变化不仅由冰表面和冰底的热收支决定,还由开阔水的表面热收支决定.侧重阐述了耦合模式的动力和热力学过程的耦合,并对模式中一些热力参数进行了讨论.

渤海冰-海洋耦合模式 Ⅱ.个例试验

以渤海1998～1999和2000～2001年度冬季的海冰发展过程为例，采用实时气象数值预报场作为大气强迫，利用渤海冰一海洋耦合模式模拟渤海整个冬季的海冰生消和演变以及渤海冰季冰-气、冰-水和气-水界面的热收支．模拟结果显示大气和海洋的热力效应对渤海的海冰发展非常重要，特别在海冰的冻结和融化阶段，海洋热通量在热力耦合中起着重要作用．模拟还显示了冰覆盖内部区域和冰外缘线附近不同的热力特征，分析讨论了冰区内和冰边缘两个特征点冰厚分布、界面热量收支和海表水温等．

一种冰-海洋模式的热力耦合方案

冰与海洋的热力耦合对冰与海洋环流的模拟有极其重要的影响,是冰-海洋相互作用的一个重要方面.对其精确确定需要详细考虑冰-海洋界面附近的湍流过程,这在长时期的模拟特别是气候模拟中,常受到技术条件的限制.过去的研究常常假设冰下海洋混合层的温度为冰点,特别是在单纯冰模式的模拟中,但考虑海冰漂移和冰点变化的效应时,这一假设是不精确的.因此,弱化冰下海洋混合层温度为冰点的约束,不考虑详细的冰-海洋界面和海洋混合层的湍流过程,根据冰-海洋耦合系统的能量收支关系,设计了一个简化的冰-海洋热力耦合方案.对该方案引起的海洋混合层适应、热力结构和海冰发展的影响进行了分析,并将其用于全球冰海洋耦合模式的数值试验,结果表明,在大气热力强迫下该耦合方案既可使冰区混合层海水温度向冰点适应,又使冰边缘带海水温度与冰点保持明显差异,能够较好地反映冰-海洋热力相互作用.利用该耦合方案构造的全球冰-海洋耦合模式模拟的海冰范围及季节变化与实际观测非常接近.

区域大气-海浪-海洋耦合模式的建立

台风天气过程中海-气-浪相互作用是通过海-气界面的热力过程和动力过程等物理过程来实现的.通过全面考虑大气诱导的海洋变化对大气的效应和海洋诱导的大气扰动对海洋的效应,从海-气-浪相互作用过程中海-气界面的热力过程和动力过程2个方面,应用分布式多平台耦合器将大气模式MM5、海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ和海洋模式POM进行耦合,建立了一个区域大气-海浪-海洋耦合模式.

齿轨车辆牵引电机布置模式及系统耦合振动特性

为探究牵引电机布置模式对齿轨车辆动态特性及齿轮-齿轨啮合特性的影响,在考虑齿轮-齿轨非线性啮合行为及其动态时变激扰和轮轨非线性接触关系的条件下,分析了不同电机布置模式下的车辆动力学特性。以Strub齿轨系统为原型,建立了齿轨车辆-轨道垂纵耦合动力学模型,研究了三种不同电机驱动形式对齿轨车辆动态特性的影响规律,并在此基础上提出了适用于齿轨车辆的牵引电机布置方案。研究表明:牵引电机双置工况下齿轮啮合力和垂向、纵向振动加速度更小;其中电机双置时齿轮齿轨啮合力约为电机后置和前置时的50%,平直段齿轮垂向和纵向加速度的最大幅值差分别为4.04和6.01 m/s^(2),爬坡段电机后置时齿轮振动加速度最大,其垂向、纵向加速度幅值比电机双置时大45%;平直线路上电机后置与前置时齿轨车辆的舒适性较好,而爬坡段牵引电机双置模式下更好;鉴于齿轨车辆主要应用于爬坡线路,且爬坡时电机双置齿轨车辆的动力学指标最好,因此建议牵引电机双置为最优布置模式。

基于黏聚单元法的冰-柱碰撞流固耦合计算方法研究

在采用黏聚单元法模拟海洋结构物与海冰的相互作用过程中,大多未考虑水的作用,与实际应用场景不符。基于LS-DYNA有限元软件,构建两种不同厚度的黏聚单元冰模型,采用S-ALE流固耦合方法,对圆柱体直立结构与层冰碰撞进行了数值模拟,研究了碰撞过程中层冰的破坏模式及柱体所受冰载荷,数值模拟结果与实际观测现象相吻合。随后分析了流场网格大小对耦合效果及冰载荷的影响。结果表明:柱体所受冰载荷与流场网格呈正相关,当流场网格为冰体单元的2倍时,计算时间及耦合效果最佳。

渤海海冰和海洋的动力相互作用模拟试验

利用冰 海洋动力耦合模式,对渤海海冰和海洋之间的相互作用进行了研究和模拟试验.耦合模式中的海洋模式采用普林斯顿海洋模式(POM),冰模式采用国家海洋局海洋环境预报中心(NMEFC)的渤海海冰业务化数值预报模式.通过模拟研究,分析了M2分潮对海冰质点运动轨迹、冰外缘线位置、瞬时冰速和冰厚分布的影响;同时探讨了海冰对冰下海洋的动力作用.

北半球高纬海冰主要气候特征的全球海冰气耦合模式数值模拟

利用一个全球海冰气耦合模式对北半球高纬海冰的主要气候特征进行了数值模拟。结果表明 ,模拟结果中海冰的季节变化特征合理 ,冬季海冰的主要地理分布特征都模拟得很好 ,但夏季北冰洋内部靠近欧亚大陆部分边缘海区海冰密集度模拟得偏大。模拟结果中 ,北半球高纬地区冬季海冰密集度具有显著的年际变化 ,变化最显著区域位于格陵兰海 ,其次是巴伦支海 ,这些特征均与观测结果一致。对这个海冰气耦合模式在北半球海冰平均气候状况、季节变化和年际变化方面模拟能力的检验结果表明 ,当前的研究工作为下一步进行长期变化趋势的模拟打下了基础。

黄海冷水团水域物理-生态耦合数值模式研究

以物理-生态耦合数值模式为研究手段,对黄海冷水团水域叶绿素和营养盐垂向分布的季节变化进行了研究.模式成功地揭示了叶绿素和营养盐垂向分布季节变化的主要特征,叶绿素垂向分布最大值形成和演变过程、两次大量繁殖期及物理过程对其夏季垂向结构的影响.与实测资料比较表明:数值模拟结果与实测结果具有较好的一致性.

基于有限元法的福建沿岸天文潮-风暴潮耦合预报模式研究

采用有限元法建立了一个适用于福建沿岸的天文潮-风暴潮耦合预报模式(FETSCM),模式采用三角网格,在福建沿岸平均网格分辨率为1 km,最高500 m.利用福建沿岸6个潮位站的实测资料对模型进行了验证,天文潮模拟结果与实测吻合良好,5个站位平均绝对误差为22 cm;31场历史台风期间6个站位风暴潮后报模拟误差为24 cm;天文潮-风暴潮耦合总水位的平均极值误差为20 cm,表明该耦合预报模式对福建沿岸的台风灾害预警有较好实用价值.

固体地球－海洋－大气耦合的一个简单线性模式及其试验结果

选取实际的海陆边界，建立了一个固体地球－海洋－大气耦合的简单线性模式，模式中包含了地气角动量守恒的关系，地转变速摩擦力对大气的作用，风吹流改变海温异常，海温异常又改变大气的质量分布．在无外源作用于地球系统的情况下，地球系统内部的各个部分（纬向风、海温和地转速度）都存在着准两年振荡（ＱＢＯ），由此可见，ＱＢＯ是地球系统内部的一种固有振荡。

海洋钻井隔水管-钻井液横向耦合振动特性

针对钻井隔水管与钻井液在上返流动状态下的震动问题,推导了横向耦合振动的微分方程,通过方程求解得出了耦合振动的动力响应表达式及耦合振动下隔水管最大振动位移,并讨论了顶张力、隔水管壁厚、钻井液上返流速、水深、波高、波浪周期对隔水管横向振动位移的影响。结果表明:考虑钻井液流动条件下得到的隔水管横向最大振动位移要大于不考虑钻井液流动时计算结果;最大横向振动位移随顶张力及水深的增大而减小,随环空钻井液返速及波高的增大而增大,当隔水管壁厚及波浪周期变化引起隔水管横向振动固有频率与波浪横向振动频率相接近时,隔水管的横向振动位移将急剧增大,对隔水管的安全设计与评估具有一定的参考价值。

南海中尺度大气-海流-海浪耦合模式的建立及应用

考虑到我国南海特殊的战略位置和复杂的海气相互作用特征,基于中尺度大气模式(MM5)、区域海洋模式(POM)和第三代海浪模式(WW3),利用消息传递的并行编程方案,建立了适用于我国南海海区的中尺度大气-海流-海浪三元耦合模式系统,将该系统用于对南海典型台风过程的模拟研究。结果表明:耦合模式运行高效稳定,较好模拟了两次台风过程,与非耦合大气模式相比,提高了对台风路径和强度的模拟准确率;耦合模式模拟出了上层海洋对台风系统的响应特征,在台风中心附近,海面温度降低,海表流场和海浪场增强,相对于台风路径,响应具有右偏性;耦合模式中的波浪效应增强了海表应力,阻碍了台风系统的发展,增强了海面降温幅度和海流近惯性振荡的振幅。大气-海流-海浪耦合模式系统是研究南海中尺度海-气相互作用,提高南海区域气象水文预报能力的一种有效手段。

一个中尺度海-气耦合模式的研制

将L inux系统的管道通信技术运用到大气-海洋耦合模式的研究,实现了中尺度大气模式与海洋模式的双向耦合。使用这个模式研究中尺度海-气相互作用,有较多的优点,不但可以提高模式的稳定性和运行效率,且可移植性强,利于模式的独立升级和改进。

闽江口近海环境耦合模型及其轻量化框架

受制于数值模拟的复杂性,当前对闽江流域的研究大多将流域和海洋视为独立的两个系统各自开展,且缺少能够快速预报河口环境的技术手段。本研究构建了一个模拟闽江流域-河口的生态-动力耦合模型。模型以流域水文模型提供入海径流,利用Regional Ocean Modeling System(ROMS)模型模拟河口水动力,利用Carbon,Silicate,Nitrogen Ecosystem(CoSiNE)生态模块对闽江口海域的低营养级生态系统过程进行模拟,因而模型能够更好地再现闽江河口生态环境的多时空尺度变化。进而基于模型模拟结果作为学习数据,采用自组织神经网络(SOM)方法结合隐马尔科夫链(HMM)方法,建立了能够用于快速预测叶绿素场的轻量化预测框架。

全球海-气耦合大环流模式的发展

很早以前人们就相信能够逼真地模拟全球气候、气候变率以及气候变化的许多特征的气候模式,必须从相互影响上表达动力耦合的气候系统的多个主要分量,特别是大气、海洋与冰雪圈。一般来说这方面的工作一直受到计算能力、我们对实测系统的了解以及气候模拟能力的限制。随着巨型计算机的问世,我们对于全球气候过程了解的加深以及大气环流气候模式计算效率的改进,我们已经看见将大气、海洋、海冰耦合在一起的全球气候模拟迅速增加。从60年代后期开始,持续至80年代早期,人们将大气、海洋和海冰的大环流模式耦合起来,让模式非同步运行从而产生可信的对全球气候的各种模拟。这些分量模式中的系统误差后来促使一些模拟研究人员采用通量订正或通量调整,通过调整海-气界面上的一个或若干个变量,可以使模拟更接近实况。在过去的几年中计算能力与气候模拟技术的进一步改进已经使得全球海-气耦合大环流模式能同步运行(也就是说大气与海洋间的交流至少每个模式天一次)。由于计算上的限制,加上需要几十年气候积分,目前仍然只能将相对而言较粗网格的海洋大环流模式与相应的粗网格大气模式耦合(在500km×500km的量级上)。但是,最新一代全球耦合大环流模式的结果已揭示了,实验中二氧化碳逐渐增加时的一些令人感兴趣的、与海洋动力学和全球气候有关的特征。全球耦合大环流模式模拟研究的另一引人注目之处是与厄尔尼诺及南方涛动相联系的一些特征的出现。这些发现,加上同时进行的其它类型的有限域、动力耦合模式方面的研究使人们认识到气候系统中存在着固有不稳定耦合方式,是大气与海洋相互作用耦合的独特产物。所有这些努力正在造就下一代海-气耦合大环流模式。这些模式将在速度更快、存储量更大的计算机上运行,这些模式的海洋部分、大气部分的分辨率将会更高,海冰的表示方式将更加准确,云-辐射方案将得到改善,陆面过程的处理将更加逼真。

铁道机车车辆-轨道耦合动力学理论体系、关键技术及工程应用

西南交通大学教授翟婉明研究的该课题旨在解决中国铁路“大运置、高密度．客运提速、货运重载”超负荷运输模式发展进程中日益突出的轮轨动态安全问题。这一成果更加符合超负荷轮轨动态相互作用的实际，在国际上被称为“翟-孙模型”，列为该领域四种代表性模型之一。

海冰模式和数值预报

根据渤海冰情，在海冰动力学和热力学研究基础上，提出一种海冰动力一热力模式。该模式包括平整冰、堆积冰和开阔水三要素，采用粘一塑性本构关系计算冰内应力。利用参数化方法处理变形函数和热力增长率。该冰模式与潮流模式耦合研究渤海冰－潮相互作用，并与ＥＣＯＭ－Ｓｉ海洋模式耦合进行预报试验。该冰模式与大气模式联接，或应用气象部门数值天气预报产品进行海冰业务数值预报。本文还给出了预报结果。

田间一维饱和─非饱和土壤中氮素运移与转化的动力学模式研究

建立并验证了一个排水条件下田间─维饱和─非饱和土壤中 ＮＨ４＋—Ｎ和ＮＯ３－－Ｎ运移与转化的耦合模型，模型中考虑了有机质的矿化、氮素的吸附、硝化、反硝化、氨气挥发及作物根系吸氮等氮素转化作用过程，同时也考虑了土壤温度和湿度对氮素转化的影响。该模型可用于描述田间土壤中氮素的行为，所得结论可供农业生产实际和环境保护参考。