福岛以东放射性核素进入中国海关键途径的三维数值模拟研究

准确刻画放射性核素在海洋中的扩散及输运过程是监测及预防的关键。利用北太平洋区域高分辨率海洋动力模式,结合被动示踪实验,模拟了福岛排放入海的放射性核素在5 a左右时间的分布情况。结果表明,放射性核素在排海后主要随黑潮延伸体向东移动,但仍有部分放射性核素由于西南向回流、涡旋活动及模态水潜沉过程,向西南方向抵达中国海外缘。在中国近海与外海的物质交换通道中,放射性核素主要通过中国台湾以东最早进入中国东海,后经过吕宋海峡入侵南海,进而通过陆架环流输送到黄海与渤海中。研究结果系统地给出了放射性核素由北太平洋进入中国海的三维途径及动力机制,并表明高浓度的放射性核素在5 a时间内并未影响中国海域。

安达曼海南部内孤立波生成与传播的三维数值模拟

安达曼海内孤立波频发且振幅较大,对海洋生态、海上活动等有重要影响。本文采用非静力近似的MIT通用环流模式(MITgcm),并结合遥感影像研究了安达曼海南部内孤立波的生成与传播过程。数值模拟结果表明,格雷特海峡、尼科巴群岛之间的水道、苏门答腊岛北部陆坡以及苏门答腊岛东北部陆坡是安达曼海南部内孤立波的4个主要生成源地,与遥感影像结果一致。本文还利用敏感性数值实验探究了二维模拟、潮流强度、地形结构等对该海域内孤立波生成与传播的影响。数值实验中,安达曼海内孤立波传播速度在2.3~2.6 m/s,振幅最大可达70 m,背景潮流越强,所生成的内孤立波列中内孤立波的数量越多、振幅越大,但相邻内孤立波之间的时间间隔变短。局地地形敏感性研究还发现双海脊能增强内孤立波的振幅和流速,并且对生成的内孤立波数量有较大影响。

颅脑爆炸伤数值模拟研究进展:建模、力学机制及防护

爆炸致创伤性脑损伤是现代战争和爆炸事故中最常见的伤亡之一。近年来由爆炸波引起的轻度原发性颅脑冲击伤在士兵伤患中占大多数,引起了研究人员重视。由于伦理和技术方面的限制,人体爆炸实验难以开展,数值模拟已经成为研究颅脑爆炸伤的重要手段之一。合理的物理建模结合可靠的模型和参数,能够定量给出爆炸冲击波作用下人体头部和大脑的生物力学响应,揭示大脑损伤的力学机制,这些对于认识颅脑爆炸伤的生物力学特性以及单兵防护装备的设计和优化都具有重要的意义。本文旨在为研究人员提供有关原发性颅脑爆炸伤数值模拟方面研究现状的背景信息,以及在计算建模、力学机制和防护3个方面的进展。重点针对大脑的多尺度性质及颅脑爆炸伤的生物力学建模,介绍了脑组织的线弹性、超弹性和黏超弹性本构模型,人头有限元模型在大脑结构、网格尺寸等方面的发展和演化,以及颅脑爆炸伤的宏观、介观和多尺度建模和数值模拟方法。针对颅脑爆炸伤的波传播直接作用、脑血管系统的影响,以及全身响应的连续过程,分析和讨论了数值模拟得到的力学机制证据。介绍了颅脑爆炸伤防护策略的数值模拟研究进展,如提高头部封闭性的重要性、新结构和新材料的应用。最后,对当前颅脑爆炸伤的数值模拟研究和应用进行了总结,并确定了未来需要发展和改进的地方。

北非季风气候态及其年际变率的数值模拟:基于FGOALS-g3模式的诊断分析

本文基于参加第六次“国际耦合模式比较计划”(CMIP6)的IAP/LASG气候系统模式FGOALS-g3的耦合(Historical)与非耦合(AMIP)试验结果,通过与观测和再分析资料的比较,评估了FGOALS-g3模式Historical与AMIP试验对北非地区1979~2010年7~9月降水气候态和年际变率的模拟能力;利用水汽收支方程与回归分析研究了模式模拟降水偏差的原因;通过比较耦合与非耦合试验的模拟结果,分析了海气耦合过程对非洲季风模拟偏差的影响。结果表明,在气候平均态上,Historical与AMIP试验模拟的降水均较观测偏少且位置偏南,模拟的北非夏季西南季风环流偏弱。AMIP试验模拟的萨赫勒和北非季风区降水与观测降水的空间相关系数分别为0.80、0.62,而Historical试验仅有0.74和0.46,且AMIP试验对应的均方根误差为2.58、3.23 mm,Historical试验为3.30 mm、4.01 mm,说明与Historical试验相比,AMIP试验的模拟偏差更小。水汽收支分析表明,Historical与AMIP试验均低估了北非季风区水汽辐合,同时低估了垂直水汽平流项与蒸发项,高估了水平水汽平流项,导致模式模拟的降水偏少,且Historical试验的偏差大于AMIP试验。在年际变率方面,观测中,北非夏季风降水—ENSO呈负相关关系。AMIP试验能够模拟出ENSO正位相时北非夏季降水的负异常,且较观测的负异常偏强,而Historical试验模拟的负相关关系并不显著。AMIP试验高估了北非地区垂直运动、热带东风急流与低层季风环流对ENSO的响应强度,导致降水异常偏强,而Historical试验低估了上述响应强度,产生弱降水负异常。水汽收支表明,北非夏季降水—ENSO的负相关关系由垂直水汽平流项的动力项主导。AMIP试验高估了垂直平流项及其动力项的贡献,但Historical试验高估水平平流项与垂直热力项异常的贡献,说明Historical试验模拟的北非夏季降水—ENSO相关关系偏差与水平平流项异常的抑制作用有关。

大气海洋环境数值模拟中的若干计算问题

为了适应发展气候数值模拟和环境数值模拟的需要，综合介绍了与此密切有关的若干计算问题。首先，指出这类问题易于出现计算紊乱、非物理解和非线性计算不稳定，同时，简要介绍造成这些问题出现的三种机理：虚假频散、能量关系破坏和能谱的非线性转移。然后，把这类问题归结为一种“发展方程”，给出了与此有关的几个定理，阐述了计算稳定性、能量守恒性和算子非负性之间的密切关系。接着，分别介绍了多种完全平方守恒的差分格式的构造方法，其中包括隐式的和显式的完全平方守恒的差分格式，高时间精度和高阶紧致的完全平方守恒的差分格式，同时也给出若干具体算例说明这些格式的计算效果。最后，对全文作了小结，并指出今后应进一步研究的若干重要问题。

海浪混合参数化的渤海、黄海、东海水动力环境数值模拟

在浪-流耦合的概念下,对PrincetonOceanModel(POM)模式进行改进,增加特征波参数下的海浪混合作用,并把潮流和环流同时模拟,得到了渤海、黄海、东海典型的环流和水文特征,特别是夏季黄海的温跃层现象,夏季长江冲淡水扩展路径以及我国东部海域冬季和夏季典型环流等.研究表明,海浪的作用使海洋上层混合得更均匀,潮流的作用使海洋底层混合得更均匀,二者是温跃层形成的重要原因;考虑潮效应模拟流场,由于潮扩散和潮余流的作用,长江冲淡水路径与实际观测更为符合.

渤、黄、东海三维潮波运动数值模拟

采用POM三维海流数值模式模拟渤、黄、东海潮波运动。所得潮汐调和常数与77个测站的观测值的平均绝对误差：m1振幅1．92cm，迟角4．39°；M2振幅4．70cm，迟角5．08°。模拟结果显示M2分潮流共存在8个圆流点，m1岁潮流共存在9个圆流点。其中，M2分潮流在舟山群岛附近与m1分潮流在黄海北部和台湾海峡谷存在一个圆流点，这三个圆流点是本文数值模拟所首次显示的，需进一步的观测验证它们实际存在与否。模式还得出湍流涡动系数分布。

梅雨锋上三类暴雨特征的数值模拟比较研究

中国暴雨的地域性、时间性特征明显 ,尤其是暴雨多发区———长江流域 ,沿江不同地段暴雨成因各异。为综合研究长江不同地域暴雨特征和形成规律 ,利用我国新一代暴雨数值模式AREM对梅雨锋东端 (116°E以东 )初生气旋类暴雨、β中尺度深对流类暴雨和梅雨锋西端“北槽南涡”类暴雨的典型个例进行了数值模拟。通过诊断分析和比较研究 ,初步揭示了三类暴雨在结构和形成机制等方面的主要差异。结果表明 :(1)梅雨锋上生成并发展的α中尺度气旋是造成梅雨锋东端初生气旋类暴雨的系统。强盛时 ,系统的垂直上升运动伸展不高 ,正涡度柱、辐合层以及最大加热和增湿均位于中低层。 (2 ) β中尺度深对流类暴雨发生时梅雨锋区的南北温差很小。在低空辐合风场作用下 ,强位势不稳定能量的释放导致了 β中尺度深对流系统的发生与发展。强盛时 ,系统的正涡度柱和上升运动柱贯穿对流层 ,深厚的辐合层达到了中层 ,最大加热出现在中高层。 (3)“北槽南涡”类暴雨是在青藏高原大地形作用下高低空系统有利配置的结果。“北槽南涡”的天气系统配置有利于低层辐合的加强和位势不稳定能量的释放 ,使低层涡旋向中高层强烈发展。强盛时 ,系统的正涡度柱贯穿对流层 ,积云对流发展强烈 ,最强上升运动和最大加热层都位于中层。

印度尼西亚近海潮汐潮流的数值模拟

利用FVCOM海洋数值模式计算了印尼近海的M2,S2,K1,O1分潮的分布,计算范围从20°S～20°N,90°～150°E,计算网格分辨率在印尼海域岛屿平均为1/12度,在大陆边界平均为1/5度,在开边界平均为1/2度。计算结果与104个TOPEX/Poseidon卫星高度计交叉点数据和79个验潮站数据进行比较,符合良好;与高度计交叉点比较,M2分潮振幅的均方根差为6cm,迟角为7°;S2分潮的振幅偏差为3cm,迟角偏差为8°;K1分潮振幅的偏差为6cm,迟角偏差为10°;O1分潮振幅偏差为3cm,迟角偏差为10°。根据计算结果给出了4个分潮的潮汐、潮流、潮余流和潮能通量密度分布图。

泰国湾及邻近海域潮汐潮流的数值模拟

本文基于FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)模式,模拟了泰国湾及其周边海域K1、O1、M2和S2四个主要分潮。采用47个验潮站实测调和常数与模拟结果进行比较,所得4个分潮的均方差分别为4.06cm、3.76cm、8.22cm和4.71cm,符合良好。根据计算结果分析了泰国湾及其周边海域的潮汐、潮流的分布特征和潮波的传播特征。数值试验表明,现有的数字水深资料(ETOPO1,ETOPO5,DBDB-V)的准确度不足以合理地模拟泰国湾潮波。

流变特性对青藏高原构造变形影响的数值模拟

建立三维黏弹性有限元模型,采用标准线性固体本构关系,分析流变特性对青藏高原现今构造变形的控制作用。模拟结果显示:1)在高原地壳介质流变机制的控制下,青藏高原内部从西向东,东向位移分量逐渐增大。最大值出现在甘孜-玉树-鲜水河断裂带区域内,反映了青藏高原的物质东移运动;2)在菱形块体中南部,其东侧区域向东南方向运动,而其西侧区域则转向西南方向运动;3)中地壳强流变模型与下地壳强流变模型给出的计算结果总体特征相似,二者均能较好模拟高原物质东流以及绕喜马拉雅东构造结的顺时针转动;4)流变特性对青藏高原构造变形特征的影响较大。

中国近海环流数值模拟研究综述

按照研究时间由早期到现代,研究方法由简单到复杂的顺序,综述了近几十年来海洋数值模拟工作在中国近海所取得的研究成果。目前,通过数值模式已经能够基本合理地模拟中国近海的海洋环流,黑潮、台湾暖流、黄海暖流等的路径、流量,对马暖流源区等问题的特征在数值模拟结果中也逐渐清晰。通过分析已有的工作,认为还存在多项关键技术问题,并受对中国近海环流认知程度的限制,中国近海环流的数值模拟研究还需要进一步的发展和完善。在未来的数值模拟研究中,通过变网格或多重网格嵌套技术,实现中国近海高分辨率的数值模式;应用更加符合实际情况的海洋参数化方案,发展风-浪-流-潮耦合模式;结合资料同化技术,发展预报模式等都应是中国近海环流数值模拟研究的重点发展方向。

黄海和东海的环流数值模拟研究

本文从海洋三维原始动力学方程出发,考虑真实地形及(1/4)°×(1/4)°的水平网格,同时考虑黑潮和潮流,数值模拟黄海和东海的环流系统,主要结论是:1)模拟调和常数与分布于该区的81个台站的实测调和常数相比,日分潮振幅和位相的平均绝对误差分别为1.7cm和5.2°,半日分潮M_2振幅和位相的平均绝对误差分别为4.1cm和3.7°;2)模拟的黑潮路径与长期观测结果相吻合;3)黑潮进入研究区域后,一分支从台湾东北部分离出来后进入东海,影响可达29°N,这与海洋普查的调查结果以及文献中的结果一致;4)黑潮的一个分支北上形成对马暖流的一部分,且对马暖流是多源的,对马暖流通过对马海峡进入日本海,同时模拟结果显示一支由日本海进入研究区域的海流,后者需进一步调查和研究;5)黄海表层流主要沿南下方向,在近底层。中国和朝鲜的沿岸流为南下,黄海底层海盆由一顺时针方向的环流控制着,在中国成山头以外的北黄海底层,存在一较弱的逆时针环流。

1307号台风“苏力”台风浪数值模拟

以T639预报风场驱动目前国际先进的第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-III),对发生在2013年7月中旬的1307号台风"苏力"所致的海浪场进行数值模拟,并利用来自台湾岛、朝鲜半岛、日本的浮标观测资料,验证模拟台风浪场的有效性,进而对台风浪的结构特征进行分析,以期为台风浪场的数值预报、防灾减灾等提供科学依据.结果表明:1)以T639预报风场驱动WW3海浪模式,模拟的台风浪场较好地刻画了台风"苏力"的结构特征;2)与浮标观测资料对比发现,模拟有效波高整体上具有较高精度,与观测值在曲线走势上保持了较好的一致性,在数值上稍大于观测值;3)澎湖浮标站处的模拟有效波高与观测值出现较大差异,这应该与台湾海峡的复杂地形、T639预报风场在台湾海峡的准确度有关;4)台风海浪场与海表风场表现出较好的一致性,台风位于大洋时,高值中心的有效波高可达13m以上,台风逼近福建沿海时,带来了11m左右的巨浪.

赤道印度洋海温偶极子的气候影响及数值模拟研究

在分析研究印度洋海温变化的基本特征,尤其是在分析赤道印度洋海温偶极子及其影响的基础上,利用IAP9L大气环流模式模拟研究了赤道印度洋海温偶极子异常对亚洲季风区气候变化的影响.其结果表明,印度洋、亚洲南部和东部地区的流场和降水都对印度洋海温异常的强迫作用比较敏感.正位相印度洋偶极子的作用使得赤道东印度洋-印度次大陆南部-阿拉伯海一带出现距平东风,孟加拉湾-中南半岛出现异常反气旋性环流,从而对减少印度南部和中南半岛南部、印度尼西亚地区的夏季降水,以及增加中国南部和东非的夏季降水有十分重要的作用.与此相反,负位相印度洋偶极子的作用将使赤道东印度洋附近出现西风异常,孟加拉湾-中南半岛存在异常气旋性环流,从而使印度次大陆和中南半岛南部、印度尼西亚地区的降水增加,使中国西部和孟加拉湾的降水减少.数值模拟结果与资料分析相互映证,切实地揭示了印度洋海温偶极子对亚洲季风区的气候变化有重要影响.

云微物理参数化对华北降雪影响的数值模拟

对发生在华北地区的一次降雪过程进行了中尺度数值模拟。结果表明,高纬强冷空气南下和低纬倒槽的水汽输送是造成这次长时间降雪过程的主要原因。采用混合方案的中尺度数值模拟表明,这次降雪天气不是对流云造成的,而是稳定性的非对流云降雪。敏感性试验也表明,采用其他积云参数化方案对模拟的降雪量基本没有影响。控制试验模拟的24h降雪量与实际观测比较吻合。模拟结果表明,当采用Dudhia简单冰相方案时,会有过多的云冰、过冷却水及雪;当采用Reisner 1混合相方案时,会有过多的云冰和雪;修改的各个Reisner 2方案对此次降雪的预报改进不大,但各个Reisner 2方案的敏感性试验中云冰混合比、过冷却水混合比和雪混合比稍微有差异。

大气环流的年代际变化 Ⅱ.GCM数值模拟研究

类似大气环流模式比较计划（ＡＭＩＰ）的数值模拟，将实际观测的海表水温（ＳＳＴ）资料引入模式进行４０多年的数值积分，得到长时间的大气环流模拟结果。分析数值模拟结果发现，无论是大气中的主要涛动和遥相关型，还是重要大气环流系统都极为清楚地存在着年代际变化特征，包括１０～２０年准周期振荡和可能的３０年以上的准周期振荡；而且上述主要环流系统的形势及其年代际变化大都与实际观测资料所给出的结果相一致。顺便分析中国东部气候的模拟结果，年代际变化特征（包括６０年代的气候突变）也很清楚，并同大气环流变化配合十分合理。结果也表明，同研究季节和年际变化一样，大气环流模式（ＡＧＣＭ）数值模拟也是研究大气环流和气候年代际变化的有效方法。

异常东亚冬季风激发ENSO的数值模拟研究

利用中国科学院大气物理研究所发展的热带太平洋环流模式（ＯＧＣＭ）和海－气耦合模式（ＣＧＣＭ）分别就冬半年东亚冬季风异常对赤道太平洋的作用进行了数值模拟研究。结果清楚地表明，无论在ＯＧＣＭ中还是在ＣＧＣＭ中，持续的冬季风强异常将引起赤道中东太平洋海表水温（ＳＳＴ）的明显正异常，其分布类似观测到的ＥｌＮｉｎｏ事件；而持续的冬季风弱异常将引起赤道中东太平洋ＳＳＴ的明显负异常，其分布十分类似观测到的ＬａＮｉｎａ事件。因此，数值模拟进一步证实了我们过去从资料诊断和理论分析中得到的结论，即东亚冬季风异常是激发产生ＥＮＳＯ的重要机制。对模式资料的分析还清楚表明，异常东亚冬季风将激发异常海洋Ｋｅｌｖｉｎ波和使热带大气季节内振荡出现强异常，它们是激发ＥＮＳＯ的重要物理因素，这与观测资料的分析结果相一致。

钦州湾水交换能力数值模拟研究

基于普林斯顿海洋模式(Princeton Ocean Model,POM),以M2、S2、K1、O1、M4和MS46个分潮为驱动,建立了包含漫滩处理的高分辨率钦州湾水动力模式。与现场观测的数据对比表明,该模式能较好地刻画钦州湾的水动力特征。在此基础上建立了水质模型,模拟钦州湾的水交换过程。模拟结果表明:钦州湾水交换能力整体上较强,整个湾平均的水体半交换时间约为18d,水体平均存留时间为45d。空间分布上,钦州保税港区以南海域水交换能力最强,半交换时间小于1d;沿着水道向北,水交换能力逐渐减弱;茅尾海中部半交换时间为26~28d;茅尾海的东、西、北3个部分存在水交换滞缓区,半交换时间超过50d。数值实验表明,采用漫滩技术对准确模拟钦州湾潮流速度和水交换能力非常重要,不考虑漫滩过程会低估钦州湾的潮流速度和水体交换能力。水平扩散系数对流速及交换时间都有影响,但影响有限。

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。