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.

三维强风暴动力-电耦合数值模拟研究Ⅰ:模式及其电过程参数化方案

为了研究风暴中的动力、微物理和电过程三者间的相互作用 ,在已有的工作基础上 ,建立了一个三维强风暴动力 电耦合数值模式。模式中将云中水物质分为水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹 7类 ,各种粒子采用双变参数谱。考虑了详细的起电过程 ,它们包括扩散、电导、感应和非感应以及次生冰晶起电机制。此外 ,在模式中加入了云内放电参数化过程和云顶处屏蔽电荷层形成的参数化方案用以研究整个雷暴生命史内的电活动特征。最后利用CCOPE(CooperativeConvectivePrecipitationExperiment)计划中 1981年 7月 19日的风暴资料对模式的性能进行了验证 ,模拟结果显示此模式可以较好地描述风暴中动力、微物理和电结构的发展演变过程。

“渗流-管流耦合模型”的物理模拟及其数值模拟

井孔 -含水系统问题是当今水文地质学最重要的研究课题之一。长期以来 ,水文地质模型中对井孔的刻画基本上都是引用“热传导”中的“线汇”理论 ,需要人工预先给定线汇 线源的流量或水头的分配 ,其正确性或适用性至今没有得到理论证明。陈崇希 (1993 )提出的“渗流 -管流耦合模型”和“等效渗透系数”在理论上已解决多个水文地质问题 ,也用于几个实例 ,本文再用物理模拟检验其可靠性。论文针对具有典型意义的河床下水平井或傍河垂直井地下水流问题做了砂槽物理模拟 ,并用基于“渗流 -管流耦合模型”和“等效渗透系数”的数值方法仿真模拟了此条件下地下水流的规律。成果表明 ,数值模拟观测孔水头动态相当好地再现了物理模拟结果。论文指出了“渗流 -管流耦合模型”和“等效渗透系数”在井孔 -含水系统问题上的广泛应用前景。

黄土高原旱塬区果-草-鸡生态循环模式及耦合效应分析

黄土高原旱塬区生态脆弱,水资源匮乏,传统的粮经二元种植模式已严重影响和制约着黄土高原旱塬区农业的可持续发展。因此,应用系统耦合和生态循环理论,将生态涵养与优质高效生产有机结合,建立适宜于黄土高原旱塬区资源特征的粮、经、饲三元种植的农业发展模式,成为实现该区域生态与经济协调可持续发展的关键环节。本文以位于黄土高原中部的甘肃省庆阳市为研究区域,从该区域的土地资源特征和水热条件出发,设计了以功能耦合和产业耦合为核心的果-草-鸡耦合的生态循环模式,对生态循环结构进行了配置,提出了相应的技术规范,分析了其耦合效应。试验结果表明:该模式将果、草、鸡3个子系统结合在一起进行耦合生产,改善了果园系统的物种结构,提高了农业资源利用率,使果园系统能量相互转化和循环利用。与传统的清耕果园模式相比,单位面积的产出利润提高3.82倍,水分利用率提高54.1%,水土流失量减少58.82%,化肥和农药施用量分别下降25.24%和5.56%,土地资源利用率提高36.84%,具有显著的生态、经济和社会效益,在黄土高原地区具有广泛的应用和推广价值。

社会-生态网络分析视角下的城市公园绿地管理耦合模式探究--以兰州市为例

引入社会-生态网络分析(SENA)框架,选取兰州市中心城区25个公园绿地,探究公园绿地与相应管理部门之间的耦合模式.构建社会-生态网络,并利用UCINET软件实现社会-生态网络可视化;选取9种基本构建块模型作为网络结构研究的基本框架,基于多层指数随机图模型定量分析网络结构特征.结果表明,兰州市公园绿地管理主要存在2种封闭的三角环形耦合模式,是社会-生态相协调的基本耦合模式.但它们只是实现公园绿地有效管理的前提条件,而且还存在着管理耦合模式缺乏多样性,民众满意度和参与度较低等问题.应通过建立合作沟通的长效工作机制和完善的监督与反馈机制,提升管理者的专业素质,充分发挥民间组织的作用来实现有效管理.

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．

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。

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.

大气-水耦合模式下三维太湖湖流场研究

利用太湖区域的大气边界层三维数值模式和三维水动力学数值模式,采用气-水耦合方法,对太湖的风生流特征进行了深入研究。结果表明,太湖区域大气边界层风场具有明显的时空变化特征,与均匀定常风作用下的太湖流场相比,大气-水耦合模式下太湖流场变化较大,形成稳定湖流场所需的时间也较长。三维模式计算出的流速值明显比二维模式大(表层约大一倍,整层平均约大50％),且与实际观测值符合较好。故即使对于像太湖这样的浅水湖泊,三维水动力学模式的应用仍然是很必要的。模拟结果中还发现湖流的上下流矢有时出现非常大的切变,甚至达到了180°。由于浅水湖中仍存在两个边界层(水-气和水-土),故浅水湖中存在流矢的巨大切变是可能的。

基于流场-电场耦合的含水合物模拟岩心电学特性数值实验

提出了一种基于流场-电场耦合的含水合物模拟岩心岩电数值实验方法,包括模拟岩心建立和电学参数计算,即在构建多孔介质几何结构的基础上进行流场和电场耦合计算。利用水驱油过程所形成的油/水分布来模拟水合物/水在模拟岩心中的微观分布状态,通过改变壁面接触角、界面张力、油水黏度比、驱替时间等因素实现对相空间分布和含水合物饱和度的调节。利用平板电极在模拟岩心两侧施加1 Hz^1 MHz频率的交流电场,通过电场计算得到模拟岩心的等效容抗和等效电阻,从而获得宽频率范围的电学响应特性。

山地—绿洲生态系统耦合模式与效益

以肃南作为山地类型 ,临泽作为绿洲类型 ,从肃南四季草地草畜系统动态模型出发 ,通过对山地 -绿洲子系统的能流分析 ,为进一步提高经济效益与生态效益 ,山地系统应施行草畜种间耦合 ,并与绿洲系统耦合。同时提出了山地—绿洲生态系统耦合的 3种模式及产生的经济效益。指出了冬季补饲还可减小草地牧压强度 ,提高生态效益。

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。

海洋初级生产力的一维物理生态耦合模型

为了更有效研究海洋初级生产力量值,构建物理-生态耦合模型,探讨影响海洋初级生产力的动力及生态因素.通过增加对流和扩散模块、分离营养盐循环体系、改变浮游植物生长速率公式及加入叶绿素计算模块,分别优化Gill-Turner(简称GT)混合层模型与Schmittner(简称S)生态系统模型,进而建立新型物理-生态耦合模型.基于Mathematica二次开发平台对模型进行编程实现,用以模拟大西洋百慕大站和太平洋夏威夷站的海洋初级生产力,优化后耦合模型的模拟结果精度明显提高.模拟结果显示,两大海域初级生产力均具有冬季高夏季低的分布特征,混合层深度与浮游植物浓度是影响初级生产力分布的重要因素.

一种有效的海湾氮、磷非保守物质物理-生物耦合模型

海湾赤潮现象频发,氮、磷等非保守污染物质的数值模拟研究成为国内外研究的热点。本文通过引进一种适用的物理-生物耦合模型,并运用该耦合模型进行氮、磷等非保守物质的数值模拟研究是可行的,最终表明,该耦合模型具有广阔的发展前景。

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。

关于发展人工影响天气数值模式的一些问题

人工影响天气的学科基础是中小尺度天气动力学与云降水物理学,需要将天气-动力-云降水物理耦合为一体。考虑到目前将天气动力学性质的基础数值模式用于人工影响天气中的问题,从数值模式动力方程、模式分辨率、云物理过程、数值求解方案、初边值条件等方面系统地探索了发展人工影响天气数值模式中一些需要重点解决、且不可忽视的特色问题,并举例对相关问题提出了解决思路和方法。期望提出的问题有助于构思更适合于人工影响天气数值模式,使数值模式功能真正向满足人工影响天气的要求靠近一步。

小级数Ince-Gaussian光束光强模式分析

研究了因斯-高斯(IG)光束级数m较小时,分立光瓣模式的光强分布。通过数值模拟,对IG奇偶模式以及奇偶模式线性叠加生成的PIG分立光瓣模式的光强进行了分析。分析结果表明:m较小时,PIG分立光瓣模式光瓣的空间位置介于奇偶模式之间,但是光瓣的光强分布变化较为明显。同一模式光瓣角向椭圆变量越接近于椭圆长轴,其光强比重越大。在统一总光强后,相同阶数与级数的不同模式光瓣总光强与角向椭圆变量差为一个三次函数的关系。对于偶模椭圆长轴上的光瓣,随着该模式通过PIG^(π/2)模式转化为奇模,该光瓣上的光强分布逐渐由弥散向着逆时针方向集中。

AREM中尺度大气模式与海浪模式双向耦合预报试验

利用中尺度大气模式AREM与国际上比较成熟的海浪模式WAVEWATCH-III进行双向耦合,应用管道通信技术建立区域中尺度大气-海浪耦合模式预报系统,充分考虑中尺度海-气间的相互作用,即大气低层风场驱动海浪并影响海浪状态变化,海浪通过与波龄密切相关的海表粗糙度和海洋飞沫来改变海气间动量、感热和潜热交换从而实现对大气的反馈。文中利用该耦合预报系统对发生在东南沿海的"威马逊"台风过程进行数值试验,重点分析海表粗糙度和海洋飞沫两个耦合因子对台风数值预报的影响。主要结论是:在台风高海况下,海浪引起的海表粗糙度和海洋飞沫的增加对台风数值预报影响均较为显著。海表粗糙度加大了海气间动量通量(摩擦作用),其阻碍台风的发展,但对台风路径预报影响不大;海洋飞沫贡献的感热和潜热为台风发展提供能量,从而使台风强度增强,降水显著增加,并使台风路径预报更加接近实况;两者共同的作用,使台风强度增强,台风路径预报也更为合理。

基于WRF中国境内土壤湿度-降水耦合强度的诊断

借助中尺度模式WRF,以粗分辨率GLDAS资料统计出的强耦合2000年和弱耦合2005年夏季为代表时段进行高时空分辨率的模拟.结果表明,在周时间尺度内,土壤湿度-降水耦合强度在时间尺度为6 h时最强,除部分区域外,耦合强度随着时间的增加逐渐减弱.较强耦合区基本位于半干旱和半湿润区,包括山东、山西、河北、天津、北京、内蒙古中南部等,与统计结果一致.2000年夏季耦合强于2005年,但强耦合出现的月份以及空间分布均不固定,内蒙古中南部地区始终为中国夏季土壤湿度-降水共同强耦合区.由于时空分辨率的增加,发现一些零星分布的较强耦合区,而GLDAS统计结果中并没有出现.

山地、湖泊的三维大气－斜压水动力学耦合模式──在日本琵琶湖水－气系统中的应用

大气、湖泊的边界层是大气边界层和湖泊边界层两部分组成的，它们之间通过湍流交换连接在一起，形成一整体系统。经过分界面的动量通量是连续的，热量是守恒的。基于此，本文在近几年工作的基础上，建立了大气边界层与水动力学模式的耦合模型，并对日本琵琶湖进行了实验研究，获得了一些比正压和均匀风场模式更符合观测实际的结论：（１）无论夏季（ＳＳＷ）和冬季（ＮＮＥ）作用下，湖面均可形成正的风涡度场；（２）夏季时，风的正涡度场对形成琵琶湖中观测到的环流特征起着十分重要的作用，而且还构造出与环流相匹配的深水区低、浅水区高的温度场；（３）夏季时，初始温度场的水平分布特征对模式结果的影响很小；（４）冬季时，湖中无明显水平环流生成。