渤海冰情数值模拟研究

摘要

渤海具有丰富的生物、海港和旅游等资源，拥有巨大的发展潜力和良好的发展前景。渤海海冰属于典型的“一年冰”。渤海曾经爆发过多次严重的冰灾，仅在2009～2010年冬季发生的海冰灾害造成的直接经济损失就有63.18亿元。深入研究海冰生消变化规律，建立能够高效预报海冰的数值模型，利用模型模拟渤海海冰的冻融情况，对减少冰灾带来的损失具有深刻意义。
　　首先，建立海冰数值模拟的水动力模型。将Reynolds方程各项沿水深平均，推导二维浅水方程。以三角形非结构化网格方式为基础，利用有限体积法离散二维浅水方程，建立计算模型。利用基于HLL的近似黎曼解求解数值通量，为了保证方程格式的稳定性，利用矩阵向量散度和全隐的方式处理源项。给定初始以及固边界条件，并将采用调和分析模式所计算的潮位作为模型的开边界条件。利用方形溃坝问题验证模型的准确性和稳定性，并应用模型模拟渤海潮流场，将模拟计算值与实际观测值进行对比，验证模型在计算实际工程问题的精度和模拟能力。
　　其次，在水动力模型的基础上，充分考虑影响海冰生消的热力学因素（如太阳辐射、感热通量、潜热通量、风速以及相对湿度等），建立渤海海冰数值模型。利用模型分别计算渤海在轻冰年、重冰年和常冰年的结冰情况，将计算结果与实测数据进行对比。结果表明轻冰年和常冰年的冰情与实际观测资料吻合较好，验证了模型的实用性和准确性。由于气象数据的不足，未能充分研究极端天气状况较多的重冰年的结冰情况，但其计算结果也具有一定的指导意义。
　　最后，利用模型对影响海冰生消规律的热力学因素进行敏感性分析。结果表明，温度、风速以及感热通量系数对海冰生消的影响较大，对冬季海冰的生消规律起到决定性作用。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 海冰数值模拟国内外研究进展

1.3 本文主要工作

2 海冰水动力学模型

2.1 基本控制方程

2.2 二维浅水方程的建立

2.3 有限体积法离散

2.4 通量求解和源项处理

2.5 定解条件

2.6 本章小结

3 模型验证与应用

3.1 方形局部溃坝

3.2 渤海潮流场验证

3.3 本章小结

4 海冰热力学模型

4.1 海冰温度基本方程

4.2 海冰热力学控制方程

4.3 本章小结

5 海冰数值模型应用与验证

5.1 渤海各年天气及结冰情况简介

5.2 建立模型

5.3 海冰模拟计算结果验证

5.4 本章小结

6 海冰热力学因素敏感性分析

6.1 建立模型

6.2 各个热力学因素敏感性分析

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢