CMIP6-WACCM模式对北半球反气旋型Rossby波破碎趋势的预估

利用CMIP6中的CESM2-WACCM模式逐日资料,预估未来2020—2099年SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5三种不同排放情景下北半球对流层顶附近反气旋型Rossby波破碎(Anticyclonic Rossby Wave Breaking,AWB)的空间分布、发生频率、水平尺度、对称结构及其长期趋势。总体而言,未来四个季节AWB都在北太平洋和北大西洋有高频区。夏季北太平洋高频区发生频数显著多于北大西洋高频区,其他三季相反。两高频区在三种不同情景下,AWB物质经向输送通常以对称输送为主,但北太平洋区内冬、春、秋三季在SSP2-4.5情景下AWB物质向极净输送,北大西洋区内夏季在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下AWB物质向赤道净输送。未来的长期趋势显示,两高频区内各季节的AWB发生频数、水平尺度和物质向极输送主要呈减小(减少)趋势,且温室气体排放量越大,减小趋势越显著。在SSP5-8.5情景下,北太平洋夏季AWB总面积变化趋势为-365.5个1°×1°标准经纬度网格/10 a,该变化由区域内AWB平均尺度减小(-2.7个标准化网格/10 a)和发生频率减少(-1.9个/10 a)共同导致;该区域的向极输送率变化率为-0.0165/10 a。北大西洋秋季AWB发生频数变化率为-2.3个/10 a,导致其总面积则以-440.4个标准化网格/10 a的速度减小。

波群结构和波群中的波破碎

本文将小波分析用于波群结构和波群中波破碎的研究。实验结果表明,波群中波动的振幅不是关于波群中央对称的,而是波群前部波动的振幅较大。这种不对称性导致波群前部单个波的波陡较大,后部单个波的波陡较小,当谱宽度增大时波群前部与后部单个波的平均波陡之差增大。波群前部波陡较大导致波群前部的波动最容易发生破碎,而不是波群中央的波动最容易发生破碎,波群中波动最可能发生破碎的位置距波群中央的长度为波群长度的1/6。

波群内单个波的波陡分布与波破碎

对波群内单个波的波陡分布和波破碎进行了实验研究。研究结果是,波群中波动的最大振幅出现在波群前部而不是出现在波群中央,这种不对称性导致波群前部单个波出现大波陡的概率大于后部单个波出现大波陡的概率;进一步的波破碎统计发现波群前部单个波破碎的频率是后部单个波破碎频率的4倍。因此认为,波群结构的不对称性能够导致单个波发生破碎的位置出现在波群前部,这对风浪研究具有重要意义。

内孤立波破碎所致混合的实验研究

为定量分析内孤立波破碎的混合过程,本文在二维内波水槽中进行了两层流体第一模态内孤立波在斜坡上破碎的实验,运用粒子图像测速技术(PIV)测量内孤立波传播、破碎、反射过程的流场,计算涡度、湍动能和湍耗散率。结果表明不同振幅内波在不同角度斜坡上破碎时各个量的分布特征十分相似,各组实验各要素时间序列中均有两个峰值,分别发生于非线性增强和破碎时刻。得到破碎时湍耗散率与内孤立波振幅的关系为:较小振幅内波的湍耗散率与振幅呈2次关系,无因次振幅增大到0.9湍耗散率趋于不变;与斜坡角度的关系为:对于小振幅内波斜坡角度增大,破碎程度降低,耗散率减小;振幅较大时,存在一个角度使破碎程度最大。破碎引起的湍耗散率的量级在10–7到10–4m2/s3之间,比实测海洋中内孤立波传播界面和内潮遇地形破碎的湍耗散大1个量级。

用SWAN模型模拟近岸波破碎

用SWAN波浪模型模拟了波谱在近岸区的演化。在SWAN模型中用“文氏谱”作为输入谱进行数值造波,模拟了不规则波的破碎过程。通过与实验结果和其它波浪模型的计算结果的对比说明,利用“文氏谱”,SWAN模型能够正确地模拟近岸海域不规则波浪的破碎过程。

高低频系统相互作用对Rossby波破碎过程的影响

利用美国国家环境预报中心和能源部(NCEP/DOE)的逐日再分析资料(NCEP-DOE AMIP-II),对2010年12月20日发生在北太平洋一次典型的反气旋式波破碎(AWB)事件进行研究,分析了波破碎过程中等熵位涡场的演变特征,揭示了波破碎过程中高频扰动以及低频信号的逐日演变特征,并对2010年冬季350 K等熵面上逐日高频位涡(PV)扰动和低频变化做经验正交函数(EOF)分析,得到了其主要模态,并从等熵位涡方程出发研究了波破碎过程中位涡高、低频变化的原因。研究表明,波破碎过程中高频低PV空气从北太平洋西部日本附近沿东北方向向对流层上层侵入,而来自阿拉斯加湾附近的高频高PV空气向对流层下层侵入。高频位涡场EOF分解得到的前两个模态共同描述了北太平洋中纬度地区自西向东移动的天气尺度波列;低频位涡场EOF分解的第一模态在北太平洋呈弧形波列结构。天气尺度波在传播过程中受到低频场的平流作用逐渐偏离其传播主要模态的位置,并发生破碎,同时高频流场对高频位涡的平流可以产生低频变化,使得低频变化的空间形态向其冬季主要模态转变。

侧拖水下回转椭球体波破碎试验研究

本文采用侧拖水下回转椭球体，进行近的波破碎试验，测得七个速度下五个不同侧向位置的波型，并获得模型轴线潜深Ｈ＝０．５６ｍ时，在速度为２．１ｍ／ｓ下出现波破碎。

孤立波破碎过程试验与数模结果比较

进行了孤立波在缓坡上的变形、破碎及破碎后的波浪对直墙建筑物冲击作用的试验研究并与ＶＯＦ方法的数模结果进行了比较，试验中的地形由１：４、１：５０的斜坡及水平段三部分组成。数模得到的波浪在破碎前后的变形过程及波浪破碎位置与试验结果符合较好。直墙面上的破碎波冲击压力幅值的数模结果与试验结果基本相符。

岛礁地形上斜坡堤前破碎波流场数值模拟研究

基于SPH方法建立波浪数值水槽,对岛礁地形上的波浪传播变形进行了数值模拟,分析了岛礁地形上波浪破碎过程的波高和水质点波动流速分布,并采用波浪水槽物理模型试验数据进行对比验证。结果表明,该模型可以较准确地模拟岛礁地形上波浪破碎引起的波高和波动流场沿程变化。在此基础上模拟了礁坪上建设斜坡堤后的波动流场,分析了斜坡堤对礁坪上流场形态、沿程波高、波动流速垂向分布及近底流速的影响。结果表明:在建设斜坡堤后,礁坪上波浪破碎更加猛烈,波浪破碎点前移;沿程波高与波动流速受反射波影响明显,沿程波高变化呈现为先增大、再减小、再增大,最后在防波堤堤脚处减小,近底流速变化趋势则与之相反;在堤前半倍波长范围内反向近底流速峰值较非岛礁地形上规范公式计算值增幅较大。

中马友谊大桥浅滩区桩基础承台破碎波荷载数值研究

针对中马友谊大桥浅滩区桩基础承台结构,采用计算流体力学方法,建立数值波浪水池,以聚焦波近似模拟破碎波,研究桩基础承台(吊箱)结构破碎波荷载。通过研究发现,经典Morison公式低估桩基础破碎波荷载约50%。对于承台(吊箱)结构,可近似采用二维计算模型,当承台位于聚焦波达到最大幅值后翻卷阶段,水平波浪力达到最大值;吊箱下放过程中,未入水时垂向荷载可达到最大值,因而在实际施工过程中需要重点关注入水前破碎波水平与垂向荷载,合理优化入水工艺。

探究心电图破碎QRS波在心血管疾病诊断工作中的临床应用新进展

破碎QRS波通常可在常规12导联心电图上表现出QRS波中形成额外的形态各异的棘波,在既往临床工作中也被证实可用于诊各类心血管疾病,被认为是心电图诊断应用期间的新标志。不过最近的研究报道指出,破碎QRS波的预警功能已经能够拓展到各类心血管疾病的诊断工作当中,并取得了较高的诊断方面的价值。本文现就心电图破碎QRS波在心血管疾病诊断工作中的临床应用新进展进行综述与分析,分别从破碎QRS波的生理学、病理学及血流动力学,破碎QRS波在心血管疾病中的应用等角度出发,旨在为心血管疾病的诊断及治疗提供可靠依据。

海上单桩风机基础破碎波载荷及其动力响应

破碎波冲击载荷是极浅水固定式风机基础设计中不可忽略的载荷,但工程实践中对其评估方法并不成熟。本文介绍了海上固定式单桩风机基础在破碎波作用下的准静力和时域冲击力的计算原理和方法,以实际案例为基础,对于不同规范方法计算的破碎波冲击力进行了对比,采用SACS软件进行破碎波冲击载荷下的动态响应分析,给出了若干结论和建议,可为同类型项目的结构设计提供借鉴。

CFD方法模拟高航速DTMB5415艏波破碎

船舶高速航行时船艏处会经常发生波浪破碎现象,艏波破碎会伴随着复杂的流场变形还会造成能量损失形成破波阻力,对艏波破碎流场的数值模拟是目前水动力学研究中最为复杂的问题之一。该研究采用基于Open FOAM自主开发的求解器naoe-FOAM-SJTU,针对标准船模DTMB进行了艏波破碎的数值模拟。计算离散方法采用有限体积法,利用RANS方法求解流场,VOF方法捕捉自由液面。计算工况为出现稳定破波形态的航速Fr=0.35,对船体阻力进行预报,并与模型实验结果进行对比验证,用不同尺度的网格开展网格收敛性研究。利用DDES方法计算模拟艏波破碎现象,给出了该航速下的兴波波形和自由面附近涡量场等流场信息,对比分析了自由液面的破波情况,结果表明DDES在获取艏波破碎过程的细节上有很大的优势,能够比RANS捕捉到更多的自由面凹陷和翻卷空隙,验证了当前CFD方法对艏波破碎模拟的可行性。

高航速下KCS模型艏波破碎与艏部涡量数值研究

基于RANS方法,研究了高航速下KCS模型在静水工况中的艏波破碎。采用自主开发的水动力求解器naoe-FOAM-SJTU,数值模拟了5个航速下(Fr=0.26,0.35,0.375,0.40,0.425)KCS的兴波流场。将Fr=0.26时工况的流场模拟结果与以往实验结果进行了对比,验证了数值方法和网格设置的可行性。为了研究艏部破波的结构和机理机制,分析对比了中高速工况(Fr=0.35)和高速工况(Fr=0.40)下的艏部兴波结构、涡量场以及速度场等。结果表明当前数值方法可以精确捕捉艏波的翻卷以及对应的凹陷。此外,对Fr=0.35工况下船艏处的横向切面和纵向切面云图进行了详细探讨,分析了艏波破碎过程中涡量场、速度场的变化。

近岸波浪破碎区不规则波浪的数值模拟

基于近岸不规则波浪传播的抛物型缓坡方程和两类波浪破碎能量损耗因子,对近岸波浪破碎区不规则波浪的波高分布进行了数值模拟,并结合实验结果对数值模拟结果进行了验证分析,结果表明采用两类波浪破碎能量损耗因子所模拟的破碎区波高与实测值均吻合良好,波浪破碎能量损耗因子及波浪破碎指标对破碎区波浪波高分布影响较明显。

破碎波作用下沙质海床床面形态变化试验

波浪在斜坡沙质海床上破碎会加剧泥沙输移导致海床形态变化,研究破碎波作用下沙质海床形态变化机制对于岸滩演变分析极为重要。在波浪水槽中采用中值粒径0.47 mm原型沙铺设1∶20坡度的底床模型进行试验研究,测量不同波浪条件下床面形态和沙坝顶端悬浮泥沙浓度变化。通过测量和计算破碎带输沙率、沙坝尺度和沙坝移动速度,分析破碎波作用下沙质斜坡海床上床面形态变化规律。试验结果表明,破碎带沙坝顶端的悬浮泥沙浓度与水深和底部床面密切相关,在形成沙坝和沙坝水平方向移动时,悬浮泥沙浓度较大;斜坡上沙坝前后来回运动的周期大小具有随机性,沙坝既有向岸又有离岸移动;在多组波长时间作用后沙坝尺度趋于稳定,底床净输沙量趋于0。

多向聚焦破碎波的实验研究

该文采用两种不同频谱形式(等波陡和等波幅)、不同水深,通过波浪聚焦的方法在水池中产生多向聚焦波和破碎波,实验研究了破碎波的波面特性、破碎波的破碎指标及传播过程中的频谱变化,结果表明频谱形式、水深及方向分布对破碎波浪特性有明显的影响;波浪传播过程中频谱高频部分有明显的变化;波浪破碎过程中的能量损失主要来自波浪频谱高频部分。

不同破碎波对沙质海床作用的实验研究

破碎波对近海海岸地形以及海岸建筑物影响强烈,通过物理模型实验对孤立波、规则波作用下破碎带的床面形态以及孔隙水压力进行分析。破碎波冲击海床,破碎处床面上形成沙坝和沙坑,与规则波相比,孤立波破碎时对床面的冲刷更加剧烈,床面形成的沙坝和沙坑尺度更大,且土体内孔隙水压力幅值也较大。同时研究了波面变化对孔隙水压力的影响,发现波面变化历时曲线与孔隙水压力历时曲线相似,与孔隙水压力梯度历时曲线更为相似,说明波面变化更能反映海床内部孔隙水压力梯度的变化。通过探讨波浪与海床之间相互耦合作用,发现破碎带地形变化使得波浪出现不同破碎类型,分析得出卷破波比崩破波作用下孔隙水压力幅值大。

海上溢油在破碎波作用下的乳化作用

本文研究了海上溢油在破碎波作用下的乳化作用。结果表明，溢油乳化后在水体中浓度的垂直分布呈指数函数下降。通过乳化油定量的测定，得到一个波高为０３８ｍ破碎波的作用深度为０３５ｍ。通过室内模拟实验并利用尼斯模式，计算了海上５级海况下溢油乳化后，在０４ｍ水层的乳化率约为５９％。