基于拉格朗日追踪法对落水人员漂移轨迹的研究

以海上落水人员为研究对象,综合分析影响落水人员漂流轨迹的因素,通过引入海难事故的流场,以及出事地点的即时风,以拉格朗日追踪法建立落水人员的漂移模型,并利用MATLAB仿真技术对漂移模型进行仿真研究。

寒潮天气下高风险冰块追踪预测方法及数值模拟

为向拟建、在建和已建冰区所有冷源取水工程海域的海冰环境监测和动态风险预警提供技术支撑,本文构建了海冰–海洋耦合条件下的拉格朗日粒子追踪预测模型,并以辽东湾某核电站取水口为例,模拟并探讨了寒潮天气下高风险冰块在24 h、48 h和72 h的运移轨迹及其进入取水口的概率。结果表明,由于取水口的走向与流向和风向几乎垂直,因此在口门外随机释放的1200个高风险冰块粒子中只有不到6%的粒子进入到取水口内。通过分区域标识粒子颜色,发现这些粒子多来自于靠近取水口300 m范围内。敏感性分析的结果表明,当释放粒子数量增至5倍时,结论不变。该项研究为冷源取水安全预警提供了一种新方法。

基于拉格朗日质点追踪的黄海日本鲐早期输运

采用FVCOM模型生成三维物理场,基于个体模型参数化黄海日本鲐早期生活史过程,通过拉格朗日质点追踪的方法将模拟生成的4—8月物理场与生物模型耦合,构建基于个体的黄海日本鲐的早期输运动力学模型。模拟结果表明:所构建模型可以较准确地模拟出青岛石岛外海(青外)产卵场黄海日本鲐鱼卵和仔鱼的输运路径、密度分布及在黄海海域的滞留情况。研究发现,在平均气候条件下,青外产卵场的日本鲐在产卵之后总体向山东半岛南部输运,日本鲐鱼卵和仔鱼最终分布于32°N~37°N和121°E~124°E海域内,并在中韩渔业协定暂定措施水域(以下简称协定水域)有大量分布。从4月产卵开始,西部产卵场内部分日本鲐鱼卵和仔鱼就开始陆续进入协定水域中,并在7—8月间已有50%的超级个体进入协定水域中的40~80 m等深线内并被滞留超过300 h,说明该产卵场对协定水域的日本鲐资源补充贡献较大。日本鲐鱼卵和仔鱼的生物斑块密度和滞留区主要集中在34.5°N~37°N和121.3°E~124.3°E海域内,并确定该海域为黄海日本鲐仔鱼的主要育肥场,该育肥场有3/5的范围属于协定水域,说明协定水域的物理环境对青外产卵场的日本鲐资源补充量影响很大。不同年份间日本鲐鱼卵和仔鱼的输运分布具有明显差异,造成黄海日本鲐的输运分布产生年际差异的主要动力学原因是黄海冷水团的冷中心位置。

基于拉格朗日方法的中国东部雨季水汽输送垂直特征

利用基于拉格朗日轨迹追踪模式(HYSPLIT),结合区域源汇归属法,追踪1961~2010年中国东部地区雨带推进过程中各雨季后向轨迹,定量确定各雨季不同垂直层上的水汽输送路径与水汽贡献。结果表明在南海夏季风爆发前的华南前汛期,低层最主要水汽通道为太平洋通道,轨迹占比达到52.3%,中高层最主要的水汽通道为印度洋通道,占比超过37%;水汽主要源自低层的西太平洋和中国东部地区,水汽贡献均在20%以上。南海季风爆发后的华南前汛期,低层到高层最强水汽通道均为印度洋通道,特别是中层,轨迹数量达到了65.6%;印度洋源地的贡献明显增加,中高层水汽主要源自印度洋,低层最主要的水汽源地为中国东部和南海。江淮梅雨时低层最主要通道为太平洋通道,中高层最主要通道为印度洋通道,相比华南前汛期,在中高层印度洋通道减弱,而西风通道增强。华北雨季中,低层最主要水汽通道为太平洋通道,而中高层最主要的水汽通道为欧亚大陆中纬西风通道。江淮梅雨和华北雨季中,最主要的源地为中低层的中国东部地区和西太平洋地区,特别是华北雨季中,来自中国东部局地低层的水汽达到了43.1%,表明低层局地蒸发对华北雨季降水起到至关重要的作用。

基于拉格朗日法的海藻场有机碎屑离岸输运研究

海藻场在海藻凋落盛期向海洋输送大量有机碎屑,为海藻场外围海域提供大量初级生产力,并在沉降后实现碳汇功能。本研究采用具有拉格朗日质点追踪模块的三维海洋数值模式(Estuarine Coastal Ocean Model,semi-implicit,ECOM-si),结合潮位、流速及漂流浮标轨迹跟踪观测,研究了枸杞岛西北侧天然海藻场有机碎屑输运与沉降的动力学机制及碳汇功能。结果显示,海藻场对周边海域碳汇贡献的空间分布格局呈现为以海藻场为中心的高值区,向西北–东南海域扩展分布并递减。水动力强弱和海藻碎屑粒径差异导致其沉降后的空间分布差异显著。大潮期间,海藻场对邻近海域碳汇贡献最高为699 g C/(hm^(2)·d)。碎屑粒径越小、沉降速度越小的海藻碎屑对外围海域碳汇贡献范围越大。海藻场碳汇功能不局限于邻近海域,不同粒径海藻碎屑每天为海藻场5 km外海域提供有机碳约7.5~33.7 kg C;小潮期间水动力较弱,约90%以上的海藻碎屑沉降至5 km以内海域。海藻场碳汇功能集中于沿岸邻近海域,对邻近海域有碳汇贡献的区域范围小,但强度大,最高为817 g C/(hm^(2)·d)。海藻碎屑脱落时的潮流方向和海藻场所处区位也是影响海藻场有机碎屑输运沉降和碳汇归趋的重要因素。赋予拉格朗日质点单位碳含量后,拉格朗日法在海藻场有机碎屑离岸输运沉降机制研究中具有可行性,可有效评估典型近岸海藻场对周边海域碳汇的贡献及主要动力学因子的作用。本研究可为我国海藻场本底调查及其生态辐射范围评估提供参考。

中国东部地区大气水汽稳定同位素的影响因子追踪研究

大气水汽稳定同位素是现代水循环的重要示踪剂,可以有效地追踪水汽来源及其输送过程。在中低纬度季风区,局地“降水量效应”是大气水汽稳定同位素的主要特征,但是近期研究表明,水汽来源及其输送过程等非局地因素也有重要影响。因此,本文基于拉格朗日粒子扩散模式和卫星遥感观测的大气水汽稳定氘同位素数据(数值表示为千分差,δD),针对前人研究较少的中国东部石笋氧同位素区域,进行水汽源地追踪,并在季节和年际尺度上分析水汽δD的主要影响因素。结果表明,在季节尺度上,水汽δD在夏末秋初较低,冬春季较高,这种特征与局地气象因子、水汽源地贡献的关系较弱,水汽输送路径上的累积降水是影响水汽δD季节变化的主要因素,两者为显著的负相关关系。在年际尺度上,厄尔尼诺(El Nino)年夏季中国东部水汽δD较高,拉尼娜(La Nina)年夏季水汽δD较低。水汽源地贡献在ENSO(厄尔尼诺—南方涛动)不同位相的变化较小,而水汽输送路径上的累积降水在La Nina年较之El Nino年偏多,表明La Nina年热带对流活动和水汽输送过程的贫化作用更强,导致目标区域的水汽δD更低。因此,代表热带对流活动的累积降水是水汽δD季节和年际变化的主要影响因素,热带对流活动增强(减弱)将降低(增加)目标区域的水汽δD。

2021年6月东北冷涡暴雨水汽来源和源区贡献分析

本文针对2021年6月2~3日发生在东北地区的冷涡暴雨过程,首先利用传统欧拉方法,初步分析了此次初夏东北冷涡暴雨过程的水汽输送与辐合特征,进而利用拉格朗日轨迹追踪模式FLEXPART和水汽来源与源区定量贡献分析方法,揭示出此次暴雨过程的水汽源地和源区定量贡献。结果表明:此次初夏冷涡暴雨过程期间,副热带高压偏南,东北地区主要受东北冷涡和其下游日本海弱高压脊影响,但对流层低层,副高主体与日本海弱高压脊之间存在气旋性切变流场,促成一支低空急流沿我国沿海地区北上,有利于东北地区南侧水汽向北输送,与东北冷涡后部干冷空气在辽宁和吉林省交汇,触发强降水。拉格朗日轨迹追踪显示,60%以上的目标气块来自降水区西侧和西北侧的亚欧大陆地区,这些气块初始位置高度较高,途径我国东海、黄海一带时,高度显著降低,并汇入偏南暖湿气流,进而流入目标降水区;还有部分气块来自贝加尔湖及其以东地区以及我国南海和中南部大陆地区,气块初始位置及行进过程中高度均较低。水汽源区对目标降水区的水汽定量贡献显示,东海—黄海至西北太平洋地区贡献最大(贡献率37.04%),中国大陆中东部紧随其后(贡献率30.05%),显著的水汽摄取和较低的沿途损失,使得上述两区域水汽贡献显著,而降水区局地摄取水汽的贡献排在第三位;此外,贝加尔湖及其以东地区和亚欧大陆中西部亦有一定贡献(尽管亚欧大陆中西部的水汽摄取总量亦较大,但绝大部分水汽在远距离输送过程中损耗),而印度半岛至中国南海地区水汽贡献最小。相对于传统的欧拉方法,拉格朗日方法可以更清晰地给出暴雨过程主要的水汽源地及其贡献。

罗源湾潮致余流特征及其对物质分布的影响

基于MIKE 3开展了罗源湾的三维数值模拟,以流场和断面垂向流速阐释了罗源湾的潮流分布特征,计算了罗源湾的潮致余流场,采用拉格朗日粒子追踪法模拟了具有粒子特性的物质在湾内的运移并分析了粒子的运动规律,结合潮流和潮致余流特征讨论了罗源湾不同区域的物理自净能力。研究结果表明,罗源湾西北部、东北岸内凹处和内湾口处形成了余环流结构,湾内不同区域的物质分布与潮致余流结构有明显相关性,粒子在罗源湾西北部海域运移缓慢,而湾口及可门水道附近具有较好的自净能力。本研究为进一步探讨罗源湾污染物质分布机制提供了科学依据,为罗源湾的污染控制和环境保护提供了技术支撑,研究方法也为其他海湾的相关研究提供借鉴参考。

拉格朗日粒子追踪法在蒸汽发生器泥渣收集器分析中的应用

通过计算流体动力学(CFD)方法,采用拉格朗日粒子追踪模型,充分考虑泥渣颗粒与流场之间的相互作用,得到蒸汽发生器泥渣收集器内、外的流场分布及泥渣颗粒的运动轨迹,并在此基础上分析泥渣收集器对不同直径泥渣颗粒的收集效果及进、出口孔径对泥渣收集器收集能力的影响。结果表明:泥渣收集器的收集能力很大程度取决于外部流场对泥渣颗粒的输运效果;泥渣收集器对不同直径的泥渣颗粒的收集能力有较大差异,尺寸较大的泥渣颗粒更容易被收集;在保证泥渣收集器内不出现再携带现象的前提下,增加泥渣收集器进、出口孔径是提高收集能力的有效手段。

福建近海漂移物漂移轨迹分析及模拟

浮子漂移实验能够捕捉海域表面海流的特征,为提高海上漂移物漂移轨迹预测模式的预测精度提供改进依据.通过在福建近海的浮子漂移实验,选取兴化湾、厦门湾与湾外近岸海域浮子的运动轨迹,对研究海域的表面流进行分析,并在业务化三维海洋动力模型基础上,结合拉格朗日粒子追踪法,建立了福建近海海上目标物漂移轨迹预测模式,利用浮子漂移实验对漂移模式在福建近海的适用性进行了验证.研究结果表明:湾内浮子运动主要受潮流作用,呈现往复运动的趋势;湾外浮子运动主要由外海环流驱动,有沿等深线迁移趋势,并受到潮过程作用局部形成回流.而本研究构建的福建近海海上目标物漂移轨迹预测模式的模拟结果与浮子漂移结果基本一致,并且相对于湾内的轨迹预测,湾外的模拟有更高的可信度.同时浮子漂移实验还表明FES潮流模型在台湾海峡有较高的准确度,而湾内欠佳.

渤海溢油三维漂移数值模拟研究

国家海洋局北海预报中心于2011年开发了渤海三维溢油模型,该模型在分析国内外溢油模型现状的基础上,借鉴当今流行的数值模拟方法,使用油粒子模型与油膜扩展模型相结合的方式,用拉格朗日方法追踪每个带有一定油量的油粒子的轨迹,针对每一个油粒子则使用油膜扩展理论计算其油膜扩展过程。该模型可实现对溢油油污上升及水平输运过程、海表面油污浓度的预报,通过三组理想试验和2012年的海上溢油实验数据,对模型的各项功能、稳定性及模型精度进行了对比验证,结果较好,模型可实现对渤海海域海底或水下发生溢油的数值模拟。该模型解决了以往二维溢油模型在模拟钻井平台及海底输油管道泄漏等溢油事故方面的不足,可更好地为溢油灾害对海洋环境影响的估计提供有效参考信息。

台湾海峡漂移物运动轨迹的数值模拟

海流、风和湍流所造成的随机运动是影响漂移物运动的主要因素.因此,在ROMS三维海流预报系统中台湾海峡的计算结果的基础上,采用拉格朗日追踪法建立了漂移物运动轨迹的预测模式.模式利用敏感性实验数据校正风导漂移模式的风导系数,实验表明,在风导系数为0.01时,模式轨迹与实验浮子轨迹吻合度较高.在此基础上,研究采用多粒子方法模拟湍流涡动作用下漂移物的随机运动,反映漂移物运动轨迹的多种可能性.最后,在给定95%的置信水平,并达到70%的保证率的条件下,反推得到随机运动模型的扰动系数的合理值.

存在热浮力的剪切湍流中颗粒近壁运动的大涡模拟

采用基于动力学亚格子模型和热通量模型的大涡模拟方法,结合Lagrange粒子追踪技术,数值研究了存在热浮力作用的剪切湍流中细颗粒群的输运特性.一方面探讨在槽道剪切湍流中不同热分层效应与粒子输运的动态关联性,以及不同Stokes数的细颗粒在同一分层湍流环境下的浓度分布;另一方面探讨动量和热量耦合作用下影响粒子迁移、扩散和沉积的不同因素.此外,基于一些典型计算结果,探讨了稳定和不稳定分层对颗粒运动各向异性程度的影响,研究了不同颗粒的平均速度、脉动强度的统计特征量以及与湍流流场之间的相关性,并对颗粒在槽道不同区域的体积浓度分布和局部积聚现象进行了分析.

一次东北冷涡的天气学分析及基于HYSPLIT_4模式的水汽通道特征

该文基于拉格朗日方法的水汽追踪模式(HYSPLIT_4)后向追踪2016年7月23—29日东北冷涡降水过程的水汽输送及来源情况,结合高低空环流形势及物理量场的分析,简述此次过程中东北冷涡的结构特征。结果表明:(1)东北冷涡发生发展过程中,雨带逐渐呈现东北—西南走向,并向东移动。(2)高低空的影响系统在垂直方向上呈后倾结构,高低空急流的配置、冷暖平流的交汇及低层水汽的辐合上升运动造成此次降水。(3)水汽主要来源于孟加拉湾和南海,中层少部分水汽来自西部里海。

一次基于实测资料的海上搜救漂浮物的风漂系数优化实验

基于2015年国家海洋局东海预报中心宁波中心站在舟山附近海域开展的一次模拟无动力船只和落水人员的海上漂移实验的实测资料,近似认为风致漂移速度与风速为线性关系,利用最优化算法计算了漂移轨迹预报中的最优风致漂移参数。计算结果表明:无动力船只的最优风致漂移参数分别为0.046 590 162,0.004 537 790,人的最优风致漂移参数分别为0.044 606 739,-0.003 190 774。当参数为最优时,预报漂移轨迹最接近实测;当参数接近最优值时,预报误差增长相对缓慢,在远离最优值时,预报误差增长相对快速。

雷州半岛珊瑚幼虫补充来源初步研究

通过对中国南海北部珊瑚礁资源的调查,系统分析不同区域珊瑚礁群落的相近性。结合不同珊瑚的区域性和繁殖特点,推测雷州半岛珊瑚幼虫的外部来源主要是海南岛沿岸、越南沿岸以及广西沿岸的珊瑚群落。通过设定数值模型,跟踪拉格朗日轨迹方程,追踪到每年3—6月份从中国西沙群岛到雷州半岛的珊瑚幼虫扩散路径,验证了对外来幼虫的推测。通过对珊瑚幼虫扩散路径的初步研究,很好地揭示了我国珊瑚源的问题,揭示了雷州半岛珊瑚礁资源由于外部幼虫来源不足而减少的原因,同时也提出了保护珊瑚幼虫来源、保护输运路径的新的珊瑚礁保护区管理理念,以更好地保护珊瑚礁资源。

黄海绿潮应急溯源数值模拟初步研究

基于三维全动力POM海洋模式,根据2008年6月1日海监飞机监测绿潮所在位置,采用拉格朗日粒子追踪法反向积分,追溯绿潮来源。数值模拟结果显示,回溯至5月中旬,绿潮主要来源于黄海南部江苏连云港和盐城近海海域。黄海绿潮溯源数值模拟,为政府相关部门了解绿潮的源头,并采取相应的措施提供依据,进而为保护生态环境、防灾减灾做贡献。

雾化过程的一种Euler-Lagrangian耦合算法（英文）

对雾化过程的直接数值模拟需要巨大的计算资源和时间,而工程中的简化模型则经常会给出错误的结果。因此,可以折中地采用一种混合方法,即在不同尺度上采用不同的模型。提出了一种雾化过程的欧拉——拉格朗日耦合算法。较大的液团采用VOF法直接求解,与网格尺度相当或更小的液滴则采用双向耦合的拉格朗日粒子法进行追踪。而该方法要求粒子的体积小于网格体积的10%,为此又提出了一种虚网格粒子追踪法。由于湍流结构对雾化过程的影响很大,故湍流采用了大涡模拟模型。采用多个算例对开发的算法进行了验证,并对部分关键参数的影响进行了深入研究。采用新算法对两股撞击射流的雾化过程进行了研究,瞬态和统计结果均表明新算法能够给出良好的预测。

入海排污口布局合理性评估与优化技术研究

从近岸海洋环境整治角度出发,综合考虑入海排污口邻近海域水交换能力和排污对敏感海洋功能区的环境影响,建立了入海排污口布局合理性评估方法,进而以渤海湾湾顶海域为例,对沿岸所调查的入海排污口空间布局合理性进行评估。结果表明,参与评估的21个入海排污口中有2个排污口布局不合理,需进行空间布局调整,以缓解入海排污对近岸海域的水环境影响。

基于个体的西北太平洋柔鱼冬春生群生活史早期生态模型构建

为了对西北太平洋柔鱼冬春生群生活史早期的生长、死亡、输运和分布等进行研究,将其生长、死亡等早期生物过程进行参数化,利用物理模型(FVCOM-Global)模拟生成北太平洋(10°~60°N,120°E~110°W)三维物理场,采用拉格朗日质点追踪的方法将物理模型和生物模型(基于个体模型)耦合,构建了基于个体的西北太平洋柔鱼冬春生群生活史早期生态模型,并用此模型对1997–2010年冬春生群的输运分布进行数值模拟。模拟结果表明:在一定温度范围内,越靠近最适水温,冬春生群的生长速度越快,当日龄为38 d时,胴长可达到11.76 mm,之后由指数生长逐渐变为线性生长;1997–2010年模拟补充量有年际的波动,在考虑冬春生群亲体量不同的前提下得到的实际补充量最多和最少的年份分别是1999年和2009年;冬春生群在模拟阶段主要位于产卵场内,在25°N以南主要向西部输运,25°N以北逐渐呈向北和向东北方向输运的趋势,尤其在输运后期受强流的影响较大;在垂直方向上,100 m水深以内的仔鱼占比将近一半。本研究能为西北太平洋柔鱼冬春生群的生态动力学深入研究奠定基础。