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数值模拟与观测技术的有机结合
2010-07-09 | 编辑:蔡树群 | 【  】【打印】【关闭

蔡树群  1968年4月出生,广东澄海人。1990年浙江大学力学系本科毕业,1992年国家海洋局第二海洋研究所物理海洋学专业硕士毕业,1998年中国海洋大学物理海洋学专业博士毕业。曾赴德国汉堡大学海洋研究所、香港理工大学土木工程系和美国哥伦比亚大学LDEO进行学术访问。现为中科院南海海洋所研究员、博士生导师、数值模拟与观测学科组组长。主要从事南海环流、内波、潮流、近岸COD等污染物扩散、泥沙输运及港湾的浮游动植物和营养盐动力学模型的数值模拟,同时也从事一些海洋水文观测仪器的研制和应用工作。主持课题包括国家自然基金3项、“863”课题1项、国家科技攻关(支撑项目)专题3项、广东省自然科学基金(科技项目)和中国科学院创新项目课题各2项,参加其他纵、横向课题30多项。发表论文60多篇,其中被SCI(E)收录的第一作者文章14篇;译著1部,获实用新型专利3项。科研成果获广东省科学技术三等奖2项、广东省自然科学优秀学术论文二等奖1项、广东省期刊优秀作品论文三等奖1项。

当今世界人口增多,陆地资源日益匮乏,环境状况渐趋恶化,越来越多的人把目光投向了海洋;一些国家也相继制订了21世纪的海洋发展战略,并称二十一世纪是海洋科学的新世纪。开发利用海洋资源,发展海洋经济,保护海洋环境,是发展海洋事业的主要任务;而这些任务取决于我们认识和了解海洋的程度。

目前,认识和了解海洋的主要手段一是海洋观测,另一则是利用数学模型进行数值模拟研究。海洋观测是研究海洋、开发海洋和利用海洋的基础,海洋观测技术的发展对于提高海洋资源的开发能力、促进海洋经济的发展、提高海洋环境监测能力等都起着重要的作用。但是,无论何种海洋观测技术手段都有其缺陷性。例如,对于浮标和潜标、岸基台站还是船基海洋观测技术,它们只能观测到有限的点、面或层次的海洋环境要素,对于利用船基海洋观测技术的大面站观测还存在着因船体晃荡所引起的误差、所得到的观测资料非同步等弱点;海洋遥感技术虽具有宏观大尺度、快速、同步和高频度动态观测等优点,但只能观测到海面的一些环境要素,而对于海洋次表面以下的环境动力特征则鞭长莫及、同时受制于云量、扫描轨道和频率等因素。特别是,由于海洋领域辽阔,因此不可能对整个海面、全部水深都布设观测仪器,只能在个别比较重要的观测点进行监测、获得有限的实时同步观测资料,进而利用比较优化的三维数值模式对相关的海洋环境要素进行数值模拟。而同步观测资料一方面可以作为资料同化应用到模式中对数值模拟结果进行校正,另一方面则可以用于验证数值模拟结果的可靠性。因此,只有将海洋同步观测技术与数值模拟技术有机地结合,才能更好地认识和了解浩瀚的海洋。

数值模式不是靠一个人一朝一夕发展起来的,而是依靠一个相对固定的团队经过长期的模块程序的编制、试运行、调试、反复优化提炼出来的。目前通用的模式绝大部分是国外的模式,如POM、MOM、ECOM、MICOM、HAMSOM,等等;而国内目前比较成熟的模式有LICOM和TOM。因此,学科组结合自身的能力,对于数值模式的创新研究主要坚持如下原则:一、建立一整套新的数值模式(如用于内潮及内波研究的生成和演变的耦合模式、用于南海环流的正-斜压耦合层化模式和用于河口和港湾的生态动力学模式);二、在现有常用、比较成熟的数值模式的基础上改良(如将重整化群理论引入HAMSOM模式),努力避免照搬国内外现成的数值模式,使得所取得的成果别具一格;三、注意将理论知识结合到海洋观测仪器的研制和应用之中。

多年来,学科组所取得的主要研究成果如下:

1 南海环流研究方面的主要成果

两层模式是一个物理意义直观而且易于应用的数值模式。然而,将这一模式应用于南海,却难以处理南海东北部、南海南部等大陆架浅海区的底形。因此,学科组建立一整套新的正-斜压耦合层化模式,其特点是:在大陆架浅海地区采用正压单层模式, 而其余深海区则采用斜压两层模式。经上述改进后的模式能够简明直观地反映风应力、黑潮、底形效应以及正、斜压模等多种主要因子的作用,并被成功地用于探讨南海上层流场对于黑潮入侵、冬季风、夏季风以及季风转变的期间的响应和动力机制,揭示了南海流场的季节性模态特征、涡旋场与内Kelvin波和Rossby波之间的关系。

学科组还建立了一个简化的上混合层垂直积分模式,对南海南部“南沙暖水”形成的动力和热动力过程进行数值研究,得到了春季南沙暖水的形成主要来自海面净热通量的贡献、而通过温度平流、苏禄海或巽它陆架以南的暖水进入的贡献甚小的结论。

2 南海北部孤立内波研究方面的主要成果

通过对一些实测温度、流场资料进行深入分析,从中计算出南海北部出现孤立内波时相应的跃层深度、浮力频率等环境条件参数,并利用适当的理论对孤立内波的基本运动学特征参数进行估算,描述了南海北部孤立内波的一些特征。基于对内波的垂直模态的分析,探讨了该孤立内波在传播过程中所产生的波致流的特点。结合南海海域一些内潮现象比较显著的水文背景,建立了一个层化的两层数值模式,并通过数值试验来探讨由正压潮波作用下的内潮产生机制;建立了一个多因子作用下的规则化长波方程数值模式,以观测得到的环境参数作为初始条件,模拟了该孤立内波在南海北部陆架区的传播和演变。在上述两个模式的基础上,又建立了一个包含内潮生成模式和规则化长波传播模式的新耦合模式来研究海槛峡道中的孤立内波的生成和演变。最后,还对南海北部东沙群岛海区附近发生孤立内波的可能性作出总结,并对其源地——吕宋海峡中三个可能产生孤立内波的海峡中内波的生成和传播进行模拟及作出物理学的解释。学科组首次提出引入了Morison的经验方法、模态分离和回归分析法相结合的方法来估算孤立内波对小直径圆柱形桩柱作用力和力矩。

3 近海潮流和水质环境研究方面的主要成果

重整化群模式是基于重整化群原理、通过对次网格的雷诺应力或涡动粘性系数参数化、从而达到显式地表示大尺度运动特征量进而计算湍流运动场的一种有力的计算流体力学工具,它提供了一种用来消除Navier-Stokes方程中的小尺度现象的分析方法,从而达到在动力学上对大尺度运动的一致性描述。它不仅能够体现近海湍流场中湍流各向异性及后散射现象这些重要的物理因素、克服湍流封闭模式在近海湍流数值模拟中应用的各种缺点,而且它能适用于描述从低雷诺数的层流到高雷诺数的湍流间各种状态的流动,这也是它优越于其它常规模式的明显优点。但目前该模式在层结较弱、混合比较强烈的近海湍流场计算中的应用仍甚少见诸报导。有鉴于此,学科组将重整化群模式引进入HAMSOM模式并应用于琼州海峡潮流的数值模拟中,其得到的计算结果与实测流场的吻合性明显优于目前常用的湍流封闭模式或其他参数化模式的计算结果。

此外,学科组还在HAMSOM模式的基础上,建立一个三维陆架海数值来预报近海潮流、COD和油类浓度的对流扩散,并应用于沿岸海区—茂名近海海域的工程前期数值预测,为相关的水动力环境要素和水质影响评价提供一定的参考价值。在HAMSOM模式加入泥沙动力学和运动学方程,将之拓展为能够模拟计算河口、沿岸的泥沙在三维空间的悬移和扩散;通过结合大亚湾大鹏澳的一些观测资料,分析了浮游植物、浮游动物和营养盐的季节变化特征,然后利用一个浮游生物数学模型来模拟浮游生物的生活周期,通过多个数值试验来研究影响浮游植物变化规律的主要因子。

4 海洋观测仪器的研制和应用研究方面的主要成果

学科组在海洋工程中心王盛安研究员的主导下,采用压力原理测量波浪和潮位,研制成功一种远程实时监测波浪、潮位的压力波潮仪,该仪器均可以安装在海床上,有利于观测系统的安全和节省建站费用;利用公共无线通讯网传输实时观测数据,具有信息传输区域大、受环境影响小、费用低廉等优点,用户足不出户就可以监视测点的实时观测数据及其变化过程曲线,为生产调度、防灾决策提供直观、准确的依据。

在上述的基础上,学科组目前已将压力波潮仪改进成为水文多参数综合测量仪,该新仪器可工作于自容、电缆传输、全天候网上在线的无线传输方式。仪器能同步测量流速、流向、水温、盐度、波高、波向、潮位,这对于实现在沿海岸站或海上石油平台监测长周期重力波(包括孤立内波)、从而获得长期相关观测资料积累,具有十分重要的意义。2004年12月25日,中国科学院综合计划局组织有关专家对“水文多参数综合测量仪” 仪器研制项目进行了验收。验收专家组认为:“水文多参数综合测量仪”项目的仪器技术设计先进,实现了海流、波浪、潮位、水温、电导率的同步观测,具备信息实时传输和自容的功能,其技术指标和整体性能达到了国际同类仪器的先进水平,并有所创新,属国内首创;项目组研制的波高、周期和方向谱的反演软件,具有较高的精度,软件界面友好,功能丰富,具有重要的实用价值。




























 
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