AN EXPLICIT MULTI-CONSERVATION FINITE-DIFFERENCE SCHEME FOR SHALLOW-WATER-WAVE EQUATION

An explicit multi-conservation finite-difference scheme for solving the spherical shallow-water-wave equation set of barotropic atmosphere has been proposed. The numerical scheme is based on a special semi-discrete form of the equations that conserves four basic physical integrals including the total energy, total mass, total potential vorticity and total enstrophy. Numerical tests show that the new scheme performs closely like but is much more time-saving than the implicit multi-conservation scheme.

基于弯矩修正法的浅水区海底直铺管道允许悬跨长度计算

海底管道悬空问题是管道工程建设中经常遇到的重要问题,当管道的悬跨长度达到一定值时,管道较容易失稳,而悬空油气管道失稳破坏导致的后果往往非常严重,因此需要对悬空的海底管道进行定期的维护和处理,但由于海上作业难度大,针对悬空管道的治理成本非常高,因此可考虑对处于悬空但在安全允许悬空范围内的管道暂时不进行加固,此时就需要计算管道的允许悬跨长度,为管道的治理提供依据。由于我国油田大多建设在近海地区,因此在考虑管道的悬空问题时需考虑浅水区波浪的特点。本文考虑浅水区波浪的非线性影响,推导得到浅水区波浪场内任意一水质点的水平流速和竖向流速计算公式,并根据该公式和Morison方程,进一步建立了管道悬跨水动力载荷的表达式,最后基于弯矩修正法,提出浅水区平铺海底管道允许悬跨长度计算公式。根据工程实例,结合本文研究,计算得到该工程所在海区平铺管道允许悬跨长度。

浅水波方程模型与奇非线性行波方程解的动力学行为及精确的参数表示:动力系统方法

首先,介绍在重力作用下,无旋、无黏性和不可压缩的流体的表面波传播的一维(或两维单向)浅水波运动的各种不同模型(PDE),这些模型对应的行波系统一般是奇平面动力系统.其次,用著名的广义Camassa-Holm方程作为例子,通过对应的行波系统的精确解来研究该方程的尖孤子、周期尖波、伪尖孤子、伪周期尖波及有界破缺波解的存在性.第三,应用动力系统分支理论和奇摄动几何理论相结合的方法,建立了奇非线性行波方程研究的理论和方法,介绍奇非线性行波动力学行为的2个主要定理,完整地解决了波的光滑性与非光滑性、完整性和破缺性的判定问题.第四,介绍当伴随正则系统直线解上的奇点是结点时,如何用相轨道识别对应的波形,并研究一个非线性水波方程,获得该系统的各型光滑的孤立波和周期波在不同参数条件下的存在性和精确的参数表示.

大气热带波动研究进展

本文简要回顾了热带波动的浅水理论解及对应的波动特征。系统介绍了从观测资料中区分和分离热带波动的信号的方法,指出近年来在热带波动观测和分离研究方面取得了明显进展,许多不同于经典波动理论的新特征被揭示。在此基础上回顾了几种影响波动演变的机制(如,波流相互作用、波动—积云对流相互作用、水汽作用等)来部分解释观测热带波动与理论的差异的可能原因。这些研究表明局地大尺度环流和湿对流等在热带波动结构演变、强度和位置中有着重要作用。文中还综述了热带波动对热带气旋生成和路径的影响及可能机制,这表明热带波动的变化能够较好解释热带天气(如,热带气旋)的变化特征。最后,大气热带波动研究依然有许多科学问题亟待解决,它对于大气科学发展具有重要科学意义。

求解浅水波方程的并行物理信息神经网络算法

双曲守恒律方程是一类比较特殊的偏微分方程,其数值求解方法的研究一直是一个热点问题,一个显著特性是即使初始条件是光滑的,其解也可能会发展成间断。浅水波方程作为非线性双曲守恒律方程,由于间断解的存在,其精确求解存在很大困难。针对浅水波方程数值求解问题,本文基于PINN(Physics informed neural networks)反问题网络结构构造新的网络,构造的网络结构包括两个并行的神经网络,其中一个网络与已知状态数据(熵稳定格式加密求出)相关,另一个网络与方程本身相关。利用已知速度数据结合浅水波方程本身求解未知水深,最终通过一些数值算例验证网络的可行性。结果表明,新的网络结构可用于浅水波方程求解,利用速度数据可以较为精确地推算出水深。

南海夏季沿岸内波与定点声起伏特征分析

利用2020年6月海南岛沿岸试验数据,分析内波及声能量起伏特征。试验海域以全日潮内波为主,并伴随有高频内波活动。内波活动引起360 Hz单频信号20 km定点声起伏峰峰值超过30 dB,320~400 Hz线性调频信号起伏峰峰值超过15 dB。利用测量数据结合数值仿真,讨论了内波引起单频信号和线性调频信号呈现不同起伏特征的原因。结果表明:试验海域内波活动导致单频声场模态间干涉条纹出现移动,进而导致接收位置处特定频率的声能量出现大幅度的快速起伏;由于带宽内的平均作用,宽带信号的能量起伏远小于单频信号的能量起伏。当内波传播速度变化时,各内波成分在声传播路径上出现的时间和位置发生了变化,使得声场出现剧烈起伏的时间也随之变化。

浅水爆炸冲击波特性及其毁伤效应研究进展

为阐明浅水爆炸条件下冲击波界面效应,分别从自由水面、水底以及自由水面和水底两个界面双重作用条件下归纳了冲击波线性反射和非线性反射理论、实验等研究进展。总结了浅水区混凝土障碍、舰船毁伤方式,分析了由于界面作用以及装药、起爆方式等的差异而导致冲击波在近场的非均匀分布性,采用爆炸能量调控改变在特定方位能量输出,从而提升浅水爆炸毁伤效应的可行性。指出浅水爆炸理论发展仍未完善,浅水爆炸近场能量结构控制、混凝土目标动态响应和毁伤效应,界面反射冲击波与气泡相互作用是重点研究方向。附参考文献129篇。

改善古近系内幕成像的关键技术及应用--以珠江口盆地番禺4洼缓坡带古近系为例

为了解决珠江口盆地番禺4洼西侧缓坡带古近系地震数据处理中信号弱、多次波干扰及低信噪比等问题,研究采用了多项关键技术,包括三维τ-p变换鬼波压制和浅水多次波压制等技术。这些技术旨在通过增强地震资料的信噪比来提高解释精度,尤其在洼陷内部地层接触关系和基底成像上取得了突破性进展。研究发现,研究区地震资料有效反射通常集中在6~36 Hz,由于低频和高频端信号的缺失,地层接触关系的精细刻画受到限制。因此,提出利用上述关键技术改善地震资料品质,其中鬼波压制技术成功分离和抑制了鬼波噪声,而浅水多次波压制技术则针对性地预测和衰减了多次波。综合应用这些技术后,成像剖面显示古近系内幕成像得到显著改善,波组特征更明显,地层接触关系更合理,并且中深层复杂断裂的成像质量也得到了显著提升。结果表明,鬼波压制和浅水区去多次波技术的应用显著提升了中深层地震资料的品质,对珠江口盆地特别是番禺4洼及其邻近地区的油气勘探活动具有重要意义,并为相似沉积环境下地震成像剖面品质改善提供了新的技术路线。

海洋宽频高精度地震处理技术及其深层岩性勘探实践

近海平缆三维地震资料的宽频高精度处理在岩性油气藏勘探中越来越受到重视,但尚缺少专门分析论述。以东海西湖凹陷西斜坡深层精细岩性勘探为目标,通过发展波动方程延拓迭代减法去除鬼波、叠前综合多域去噪、浅水区组合去多次波,以及基于目标体的精细速度建模和偏移成像等技术手段的综合应用及效果分析,建立了海上平缆三维地震资料的宽频高精度处理技术流程,并将其应用于西湖凹陷西斜坡实际资料处理中,实现高分辨率宽频保幅高精度地震处理。利用宽频资料开展深层岩性油气藏的精细描述,有效实现了油气田增储扩边和深层优质岩性气田新发现,以助力海上深层岩性油气藏勘探开发。

深水钻井浅水流声学特征模拟实验及模型应用

深水钻井一旦钻遇浅水流极易出现井漏甚至井喷等重大事故。常规地震剖面进行定性预测浅水流的准确性较低,为此提出了一种基于模拟实验的定量预测浅水流压力并对风险等级进行评价的方法。根据声波在水中及饱和岩石介质中的传播速度特征,进行了浅水流声学模拟实验。研究表明:纵波在深水浅水流地层中的传播速度随着地层压力的增大而增大,地层孔隙度越大,声波传播速度越小;通过数据拟合得到纵波速度与浅水流地层压力、孔隙度之间呈幂指数函数关系,根据实验结果建立了声速与浅水流地层压力、孔隙度的双参数模型,用于根据声速预测浅水流地层压力;利用有限元软件进行了浅水流地层的地质建模及放喷模拟,定义浅水流对钻井造成不同风险等级的压力系数范围。在中国南海深水区进行了浅水流声学预测及风险评价方法现场应用,验证了深水浅水流声波识别预测技术的可行性。

沙质岸坡上波浪传播变形及动力响应特性研究

波浪作用对水库岸坡稳定性有重要影响。为了解波浪在岸坡地形中的传播演变机制和孔隙水压力响应特性,在波浪水槽末端铺设长6 m、坡度1∶16的斜坡沙床进行试验。通过改变入射波浪参数,测量斜坡段各处波面形态,采集斜坡段不同位置处孔隙水压力,分析了波浪在沙质岸坡上浅水变形区域内波面变化特征、波能演变规律以及岸坡土体孔压特征。结果表明:随着入射波浪厄塞尔数的增大,波浪浅水变形更加明显,波形不对称性加剧,各阶谐波之间互相作用更加强烈;水深较大区域,岸坡渗透作用大于浅水变形作用,波高呈现减小趋势;浅水变形剧烈区,浅水变形作用大于岸坡渗透作用,波高呈现增大趋势,最终破碎;孔压随入射波高与波周期的增大而增大,岸坡不同位置处孔压沿深度衰减速率和随波高增长速率均不同;岸坡孔压沿深度衰减速率与入射波周期呈现出正相关关系,与波高并无太大关系。

波浪作用下斜坡上单桩周围海床孔隙水压力响应特性试验研究

单桩基础周围斜坡海床中的波致孔隙水压力响应与纯斜坡海床存在较大差异。为了解不同波高、波周期条件下,单桩基础周围波浪传播变形及其对斜坡海床孔压振荡响应的影响,在波浪水槽末端铺设了长6 m、坡度1∶16的斜坡砂床进行试验。通过改变桩身位置和波浪参数,测量斜坡段各处波面形态,采集单桩周围孔隙水压力,分析了桩身位置及波浪参数对斜坡海床孔压响应的影响。结果表明:相同入射波条件下,随距坡脚水平距离增加,波高、近底流速和桩周孔隙水压力幅值都随之增大;桩周孔隙水压力幅值分布规律为:桩前孔压幅值明显大于桩侧与桩后孔压幅值。当Keulegan-Carpenter数大于6时,随着波高和波周期增大,马蹄涡产生的负压区使得桩侧海床孔隙水压力与纯斜坡海床孔隙水压力差值迅速增加。

准噶尔盆地南安集海河剖面中侏罗统头屯河组浅水三角洲沉积特征

准噶尔盆地南缘中侏罗统头屯河组是重要的油气勘探目的层系。通过对准噶尔盆地南缘南安集海河剖面实地丈量,结合岩石样品的薄片鉴定资料和地球化学分析测试资料,对该剖面头屯河组的岩性和沉积构造进行了描述,分析了其沉积环境、沉积相类型及其演化规律。研究结果表明:(1)准噶尔盆地南缘南安集海地区中侏罗世头屯河组沉积期经历了半干旱—干旱—湿润的气候演化,湖盆水体较浅,湖底地形平缓,发育浅水三角洲沉积。(2)在剖面上识别出了分流河道、分流间洼地、水下分流河道、水下分流间湾、席状砂、滩坝等6种沉积微相类型。头屯河组浅水三角洲受河流和湖浪共同作用,在湖盆水体稳定期形成了河控浅水三角洲;在高频振荡期发育了浪控浅水三角洲。(3)从头屯河组沉积早期到晚期,湖平面先下降后上升。头屯河组一段发育河控浅水三角洲,分流河道水动力较强,河流频繁改道分叉,不断向湖盆方向进积,多期河道呈拼接式,此时分流河道和水下分流河道占据主导地位。随着气候进一步干旱,头屯河组二段发育浪控浅水三角洲,河流作用减弱,波浪改造作用增强,三角洲平原以发育切叠式分流河道为主,三角洲前缘水下分流河道砂体被波浪冲刷改造,形成带状展布的席状砂。头屯河组三段,由于准噶尔盆地持续沉降和三角洲朵体侧向迁移作用,浅水湖盆的三角洲朵体表面被湖水覆盖,浅水三角洲前缘的部分碎屑物质受风浪改造,形成平行于湖岸的滩坝沉积。

基于Bell多项式的一类(3+1)维变系数广义浅水波方程的可积性研究

本文基于Bell多项式研究了一类(3+1)维变系数广义浅水波方程的可积性问题.首先,引入变量变换,借助Bell多项式与Hirota双线性算子之间的关系,导出方程的Hirota双线性形式,求出方程的N-孤子解,并对单孤子、双孤子和三孤子在不同情形下的传播进行图像模拟;其次,基于双线性方程,结合Bell多项式获得方程的双线性Backlund变换;然后,通过Hopf-Cole变换,将双线性Backlund变换线性化,求出方程的Lax对;最后,利用级数展开法得到方程的无穷守恒律.从而证明该方程具有可积性.

CO_(2)气爆水击波与地震波效应试验研究

在航道疏浚工程中对高于设计水底标高的水下礁石,多采用水下钻爆清礁工艺。而水下岩层通过钻爆清挖后仍有部分岩石未能完全清除并残留不规则,不稳定的水下浅点。实际施工中经常采用乳化炸药水下钻孔爆破或裸露爆破法清除这类孤石,裸爆相对于钻孔爆破,炸药与岩面的接触面小,炸药使用量大,会出现能量利用率低、炸药单耗高、噪音和水击波大,影响生态环境等问题。为了分析浅点爆破影响因素,进行现场监测研究,对比水下薄层岩石裸露爆破法和钻孔爆破法,在相同作用效果下,CO_(2)裸爆、钻孔CO_(2)气爆和钻孔乳化炸药爆破水击波和地震波数据。以防城港18#~22#泊位码头基槽、停泊地开挖、炸礁及清礁工程为例,根据岩层性质、岩层形态、被炸岩石顶部的水深和浅点厚度等制定药包排列和用药量方案。通过对比分析得出相同气瓶条件,CO_(2)裸爆水击波超压值是钻孔CO_(2)气爆的1.87~41.9倍。应用水下钻孔乳化炸药爆破是CO_(2)气爆水击波的7.9~18.7倍,产生的振动数值是后者的3~10倍。本文以解决实际工程问题为基本出发点,在研究水下爆破水击波传播规律的基础上,综合分析水中冲击波有害效应影响规律。

浅水区海浪电磁噪声对大地电磁阻抗估计的影响

在浅水区海洋大地电磁(MT)勘探中,海浪运动频带范围内(约0.05~0.8 Hz)阻抗估计结果欠佳,这一直是困扰地球物理工作者的难题.本文基于三层海洋地电模型推导了二维和三维海浪运动感应电磁场(简称海浪感应电磁场)表达式,分析了海浪感应电磁场的平面波传播特性.借鉴MT场趋肤深度和阻抗的概念,推导出海浪感应电磁场的趋肤深度和阻抗表达式,分析了浅水区海浪感应电磁场和MT场趋肤深度和阻抗的差异.在海底介质中,海浪感应电磁场的衰减速度要比MT场衰减速度大约快2个量级,因而它无法用于探测海底深部电性结构.海浪感应电磁场阻抗幅值比MT阻抗幅值小2~3个量级.海浪感应电噪声强度约为大地电场强度的10%,而海浪感应磁噪声比地球变化磁场大1~2个量级,故海浪感应电噪声对大地电场的影响较小,但海浪感应磁噪声对地球变化磁场的影响较大.海浪感应电磁阻抗相位在-90°(TE模式)和90°(TM模式)附近,偏差小于0.06°,而均匀半空间介质MT阻抗相位为-45°(TE模式)和135°(TM模式).通过引入"复合阻抗"概念,探讨了海浪感应电磁场对海洋MT阻抗估计结果的影响.

抛物型对称海脊引导波完整解析理论

越洋海啸能够被大洋海脊引导并沿海脊传播至远场地区,虽然传播速度较慢,但携带较大的能量,会对远场地区造成灾害影响,相关研究对于提高海啸传播特性本质的认识具有重要意义。本文基于线性长波方程,推导出了抛物型对称海脊引导波完整解析理论。研究表明对称型海脊同时存在对称与反对称引导波,其自由水面波动可以表示为虚宗量Bessel函数形式。利用海脊中心对称条件给出了描述其频率与波数的频散关系。基于所提理论进一步分析讨论了引导波的运动特性,包括频散关系、波速度、能量传播速度与波面空间分布等。本研究为揭示地形坡度由脊顶至两侧逐渐增加的海脊引导波运动特征,预测实际越洋海啸中最具威胁性海啸波的到达时间提供了理论依据。

基于浅水波方程的滑坡涌浪分析研究

随着水电工程的不断发展,库区滑坡稳定性及涌浪灾害链是影响水库安全运行的重要因素之一。同时,滑坡涌浪问题也一直以来是地质灾害领域研究的热点和难点问题之一。从二维浅水波方程基本理论出发,从滑坡动力学及入水产生涌浪全过程的数值模拟方法进行系统分析,并在此基础上以贵州省索风营水电站近坝库区的卞家寨滑坡潜在的涌浪过程进行模拟分析。基于野外地质勘探成果,构建滑坡体的三维地质结构模型及库区和大坝模型。通过数值计算分析,涌浪产生的洪水虽然产生漫坝,但是持续时间短、峰值较小,加之大坝为重力坝,因此对大坝不会造成严重的危害,对下游河道产生较大洪水灾害的可能性不大。

基于浅水波方程的水动力模型应用研究

以都江堰东风渠灌区某段渠道为研究对象,以守恒型圣维南方程作为天然河道一维非恒定流控制方程,提出了灌区渠道断面几何形状快速变化条件下的变量空间重构方法,推导了基于守恒型圣维南方程的HLLC求解器通量计算式。结果表明,基于浅水波方程的水动力模型在灌区水流推演中具有较好的模拟性能和适应性,不仅可为河网复杂区域的水动力数值模拟提供一种高精度、简便的方法,还可实现对水网复杂区域水流演进的高效预测,为水资源管理与调度提供参考。

大振幅浅水波模型的柯西问题研究

该文考虑单参数族浅水波方程的柯西问题,该模型是在参数δ<<1,ε=O(√δ)的范围内联合质量守恒方程对欧拉方程进行逼近展开得到的.首先考虑大振幅浅水波方程的解在Sobolev空间H^(s)(R),s>3/2中的局部适定性,这意味着初值到解的映射是存在且唯一的且连续依赖于初值.该文还进一步证明了初值到解映射的这种依赖关系在此Sobolev空间中是非一致连续的,但这种依赖关系在Sobolev空间H^(r)(0≤r<s)中是Holder连续的,并且Holder指数γ依赖于s和r,同时分析了该模型只会以波裂的形式发生爆破.最后,该文还研究了当初值属于加权空间L_(φ)^(p):=L^(p)(R,φ^(p)dx)时,方程的强解在空间变量趋于无穷远时的渐近行为.