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《天津大学》 2011年
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大型海湾水交换高效计算方法研究

李小宝  
【摘要】:水交换能力是海湾、近岸海域的重要水动力学特性,它与区域水体的自净能力、环境容量、营养盐输运、生态环境等有着紧密的联系。随着科学技术的进步和社会经济的发展,人们对于海洋的开发热情日益高涨,人类在海洋、近岸海域的生产活动不可避免对海洋自然环境产生影响。研究在各种生产活动下海域水动力和水交换的变化情况,对于保障海洋产业的可持续发展和海洋资源的合理利用具有重要的意义。 本文针对大型海湾水交换问题,在数值模拟的基础上,采用随机游动的方法来计算水交换矩阵,并将水交换矩阵应用于海湾内不同区域之间的水交换研究。水动力参数是运行随机游动模型的基础,为了更为准确和快速地获取与实际相符的水动力参数,本文建立了分层三维潮流模型,并实现了它的并行计算。通过对目前常用水交换研究方法的总结,发现利用随机游动粒子跟踪模型可以弥补传统的拉格朗日粒子跟踪模型对水体扩散效果的忽略,同时又可以有效地避免对流扩散模型在特殊情况下产生的数值振荡及由此导致的不准确的水交换模拟结果。另一方面,利用具有拉格朗日特性的随机游动模型可以方便快速地实现诸如年龄等基于拉格朗日观点的水交换时间尺度的计算。 通过一系列经典算例的严格验证,证明了随机游动方法可用于对流扩散现象的准确模拟,并实现了随机游动模型的并行计算。 在大型海湾水交换研究中,通过将随机游动模型应用于水交换矩阵的运算,验证了在粒子数目较多的情形下,随机游动模型计算结果和对流扩散模型吻合很好。理论上证明了利用水交换预测矩阵可以对大型海湾的中长期水交换进行快速预测;分析了随机游动模型的粒子数目、矩阵取值时间和海域分区数目对水交换预测矩阵预测精度的影响,并用数值实验进行了验证。 将随机游动模型应用于渤海和天津近岸海域的水交换研究,分析了有无风场对渤海各海区水交换的影响。在研究天津近岸海域岸线变化对水交换的影响时,提出了分区平均驻留时间的概念,基于此概念对比分析了不同海域之间水交换的变化情况;将随机游动模型和年龄时间尺度结合起来,分析了岸线变化对点源污染输移路径的影响。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P731

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【参考文献】
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