海洋數(shù)值模擬

1、1 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬 Numerical Simulation of Oceanic Dynamics 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬2 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬3 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬4 注意！注意！ nCoastal Zone: n陸上高潮線上10km，15m等深線 （海洋管理） nCoastal Ocean: n陸架+河口+海灣 nMarginal Sea: n大洋邊緣，不一定淺 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬5 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)

2、值模擬海洋數(shù)值模擬6 There is a basic difference between the terms oceanography and oceanology. nOceanography is the recording and description of the physical, chemical and biological characteristics of the ocean. This term inadequately describes modern scientific ocean investigations. nOceanology is the scie

3、ntific study of the sea by applying traditional sciences, such as physics, chemistry, mathematics, etc., to all aspects of the ocean. 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬7 nPhysical Oceanography is the study of the physical processes in the ocean and the interaction of the ocean with the atmosphere. nPhysi

4、cal oceanographers study currents, tides, waves, and convection in the deep ocean, along coasts, and in the surf zone. They also study the heat budget of the ocean including solar heating, evaporation, radiation into and out of the sea, and the transport of heat and salt by currents. 2021年6月22日11時(shí)19

5、分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬8 nThe goal of their work is to understand and predict the processes including such important processes as El Nio, tsunamis, tides, the role of the ocean in climate and the ice ages, and the influence of the oceans on local climate. nIn doing their work they often construct elaborate n

6、umerical models of the circulation, and they develop instruments used on ships and satellites. 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬9 nAs we study the ocean, we use to describe ocean dynamics. Neither is sufficient by itself. 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬10 The ultimate goal is to know the ocean well enough

7、 to predict the future. 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬11 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬12 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬13 Mechanistic models are simplified models used for studying processes. Because the models are simplified, the output is easier to interpret than output from more complex models. Man

8、y different types of simplified models have been developed, including models for describing planetary waves, the interaction of the flow with sea-floor features, or the response of the upper ocean to the wind. These are perhaps the most useful of all models because they provide insight into the phys

9、ical mechanisms influencing the ocean. 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬14 are used for calculating realistic circulation of oceanic regions. The models are often very complex because all important processes are included, and output is difficult to interpret. 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬15 Limitation -

10、1 nDiscrete equations are not the same as continuous equations. Numerical models use algebraic approximations to the differential equations. We assume that the ocean basins are filled with a grid of points, and time moves forward in tiny steps. The value of the current, pressure, temperature, and sa

11、linity are calculated from their values at nearby points and previous times. nCalculations of turbulence are difficult. The ocean is turbulent, and any oceanic model capable of resolving the turbulence needs grid points spaced millimeters apart, with time steps of milliseconds. 16 n2.1 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) n2.2 描

12、寫流體運(yùn)動的兩種方法 n2.3 海水運(yùn)動控制方程組 n2.4 物質(zhì)輸運(yùn)方程 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬17 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬18 1.流體的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：不均勻、離流體的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：不均勻、離 散、隨機(jī)；散、隨機(jī)； 2.流體的宏觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：均勻、連續(xù)、流體的宏觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：均勻、連續(xù)、 確定；確定； 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬19 描述流體運(yùn)動的兩種方法 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬20 流體質(zhì)點(diǎn)在空間中運(yùn)動，很自然的流體質(zhì)點(diǎn)在空間中運(yùn)動，很自然

13、的 一種方法就是著眼于流體質(zhì)點(diǎn)，只要一種方法就是著眼于流體質(zhì)點(diǎn)，只要 能設(shè)法描述每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)自始至終的能設(shè)法描述每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)自始至終的 運(yùn)動過程，確定各個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)的位置運(yùn)動過程，確定各個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)的位置 隨時(shí)間變化的規(guī)律，那么整個(gè)流體的隨時(shí)間變化的規(guī)律，那么整個(gè)流體的 運(yùn)動狀態(tài)就可以知道了，這就是拉格運(yùn)動狀態(tài)就可以知道了，這就是拉格 朗日方法的思想。朗日方法的思想。 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬21 歐拉方法的著眼點(diǎn)不是流體質(zhì)點(diǎn)，而歐拉方法的著眼點(diǎn)不是流體質(zhì)點(diǎn)，而 是空間點(diǎn)如果，每一點(diǎn)的流體運(yùn)是空間點(diǎn)如果，每一點(diǎn)的流體運(yùn) 動都已知道，則整個(gè)流體的運(yùn)動狀動都已知道，則

14、整個(gè)流體的運(yùn)動狀 況也就清楚了況也就清楚了 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬22 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬23 24 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬25 怎樣理解跡線與流線的區(qū)別？怎樣理解跡線與流線的區(qū)別？ n跡線跡線是流體質(zhì)點(diǎn)在空間的運(yùn)動軌跡。某一流體質(zhì) 點(diǎn)在不同時(shí)刻處于 ，就得到該 流體質(zhì)點(diǎn)的跡線。某一流體質(zhì)點(diǎn)跡線上的各個(gè)點(diǎn) 是同一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻所在的空間位置。 n在某一瞬時(shí)，在某一曲線上任一點(diǎn)的切線方向與 流體質(zhì)點(diǎn)在該點(diǎn)的速度方向一致，則稱該曲線為 流線。 某一瞬時(shí)一條流線上各 個(gè)點(diǎn)處是不同的流體質(zhì)

15、點(diǎn)。 n一般來說，對于非恒定流動，不同瞬時(shí)，流線的 形狀是不同的；對于恒定流動，流線的形狀則保 持不變，且流體質(zhì)點(diǎn)沿流線運(yùn)動。即：在恒定流 動中，流線與跡線重合。 26 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬27 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬28 運(yùn)動方程運(yùn)動方程 F=ma n重力（地心引力+慣性離心力）； n科氏力； n壓強(qiáng)梯度力； n天體引潮力； n摩擦力； 1 2 T d dt V GrVpFV 提問：初級力；次級力提問：初級力；次級力 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬29 幾何知識幾何知識 兩邊之差小于第三邊兩

16、邊之差小于第三邊 問題問題 重力加速度隨緯度的變化重力加速度隨緯度的變化 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬30 科氏力科氏力 n地球自轉(zhuǎn)角速度： =2Pi/T； n太陽日：地球自轉(zhuǎn)36059， 周期為24小時(shí)； n太陰日：地球自轉(zhuǎn)37338， 周期為24小時(shí)50分； n恒星日：地球自轉(zhuǎn)恒星日：地球自轉(zhuǎn)360，周，周 期為期為23小時(shí)小時(shí)56分分 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬31 n地表之切線速度隨緯度而遞減，故物體向 北運(yùn)動時(shí)其原有的切線速度比新到地點(diǎn)的 大，因此運(yùn)動時(shí)將向東偏。反之則向西偏。 物體向東運(yùn)動時(shí)，其切線速度亦大于當(dāng)?shù)?所有值

17、，其平衡位置應(yīng)在南方，故物體將 向南偏。反之則往北偏。 n合力矩為零的情況下，角動量守恒 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬32 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬33 成因：氣壓；水位起伏；密度： 海水的壓力海水的壓力 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬34 水位起伏與密度垂向梯度引起的壓力水位起伏與密度垂向梯度引起的壓力 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬35 Tidal Force Origin of the Tides from gravitational attraction and ce

18、ntrifugal effect 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬36 Gravitational attraction pulls the ocean towards the Moon and Sun, creating two gravitational tidal bulges in the ocean (high tides). Centrifugal effect is the push outward from the center of rotation. Latitude of the tidal bulges is determined by the

19、 declination, the angle between Earths axis and the lunar and solar orbital plane Gravity nm=2，即為擴(kuò)散方程,當(dāng)兩項(xiàng)都存在既是對 流擴(kuò)散方程; n當(dāng)m=1和m=3同時(shí)存在即為KDV方程，而當(dāng) m=13，即為KDV-Burgers方程， n當(dāng)m=0，即函數(shù)本身，這相當(dāng)于近海運(yùn)動方程 中的底應(yīng)力項(xiàng)。 m m m PP a tx 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬112 分析結(jié)果分析結(jié)果 m為奇數(shù)：為奇數(shù)： 0 i 1 1 2 ( 1) m m r m Ca k k 2021年6月2

20、2日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬113 分析結(jié)果分析結(jié)果 m為偶數(shù)：為偶數(shù)： 0 r 1 2 ( 1) m m im a k 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬114 修正方程及偽物理效應(yīng)修正方程及偽物理效應(yīng) n任何一個(gè)差分方程都可以通過Taylor 級數(shù)回歸為差分方程，如只保留時(shí)、 空步長的最低階項(xiàng)，就得到了這個(gè)差 分方程的修正方程，它已經(jīng)是一個(gè)微 分方程，一般地說，它與原微分方程 只相差余項(xiàng)的最低階項(xiàng) 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬115 1 11 ()() 2 nnnn jjjj PPPP u tx 22 12 22 1111

21、 ()()()()() 22 nnnnnn jjjjjj PPPP PPttt tttttt 33 32 11 33 1121 ()2()() ()()() () 223!6 nnnnnn jjjjjj PPPP PPxxx xxxxxx FTCS 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬116 23 2 j 23 1u (u) ()()() 26 nn j PPPP tx txtx 223 2 23 ()() ) 26 nn jj ppupu utx ttxx u 原始方程是無頻散也無耗散的單向波方程，而原始方程是無頻散也無耗散的單向波方程，而 其修正方程中出現(xiàn)了空間三階導(dǎo)

22、數(shù)項(xiàng)，因而出其修正方程中出現(xiàn)了空間三階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，因而出 現(xiàn)了頻散現(xiàn)了頻散; u 修正方程中的二次空間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的系數(shù)為負(fù)值，修正方程中的二次空間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的系數(shù)為負(fù)值， 這證明了該差分方程具有負(fù)耗散，波幅將隨時(shí)這證明了該差分方程具有負(fù)耗散，波幅將隨時(shí) 間無限增長，這是違反物理意義的間無限增長，這是違反物理意義的 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬117 n對流方程是一種既無耗散也無頻散的方程，但由 于差分離散后而出現(xiàn)的耗散與頻散效應(yīng)，顯然是 一種偽效應(yīng)。 n只要差分方程與原始微分方程是相容的，在有限 的時(shí)空區(qū)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)值積分，其數(shù)值解與原始物 理解不會造成本質(zhì)差異 n惟出現(xiàn)二次空

23、間導(dǎo)數(shù)所表達(dá)的負(fù)耗散（系數(shù)小于 零）時(shí)格式是無效格式，它將嚴(yán)重歪曲了原物理 解。一般地說,隱式方程之所以比顯示方程穩(wěn)定 性好，是由于隱式形成正耗散，而顯式形成負(fù)耗 散。從這一方面看，顯然采用某種隱顯平均格式 比較好，例如Crank-Nicolson格式。 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬118 n我們曾以傅氏分析法獲得了一些微分方程 （組）的頻率方程，并由此方程分析了原 始微分方程的頻散，耗散關(guān)系。對于差分 方程也可以獲得相應(yīng)的頻散方程，從而分 析差分離散后的頻散耗散關(guān)系。 n兩種方法：利用差分方程的修正方程；離 散傅氏分析獲頻率方程； 119 120 近海水動力模型

24、控制 方程及定解條件 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬121 Outline n差分網(wǎng)格類型差分網(wǎng)格類型 n二維動力學(xué)方程組二維動力學(xué)方程組 n初始條件初始條件 n開邊界條件開邊界條件 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬122 差分網(wǎng)格類型差分網(wǎng)格類型 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬123 二維動力學(xué)方程組二維動力學(xué)方程組 n二維近海水動力模型二維近海水動力模型 二維：水平二維；區(qū)別于垂向二維二維：水平二維；區(qū)別于垂向二維 深度積分模型；一層模型深度積分模型；一層模型 n二維模型過時(shí)嗎？二維模型過時(shí)嗎？ n正壓：密度

25、為常數(shù)正壓：密度為常數(shù) 02 1010 a D 3 0 10 31 0 1010 a D 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬124 2 2 / aaxbx L pUUHUV HH fVgHU txyxx 0 UV txy 2 1 aaxbx L puuu uvfvgu txyxxH 0 HuHv txy 控制方程控制方程 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬125 n coscos0 coscos0 n UVQ uvv * nbbbn (, ) Q =Q (x ,y ,t) or bbb xy t b v =Q /H 閉邊界：海岸邊界條件。 為使問

26、題簡化，這里取作固定不動的岸界 開邊界：與其它水域溝通的水界 邊界條件邊界條件 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬126 底摩擦：底摩擦： rV b Q或 V V bc C 1 222 2 L uuvv C x y xxyy 側(cè)摩擦側(cè)摩擦(Smagorinsky公式）：公式）： 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬127 n正壓近海二維模型中，采用零初始場 ru fvgu txh vr fugv tyh huhv txy 0 n v 0 岸邊界：岸邊界： 開邊界：開邊界： 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬128 n開邊界：

27、與其它水域溝通的水界 物質(zhì)和能量的交換 n五點(diǎn)要求： n海水和波可以自由通過 n微分問題是適定的 n與內(nèi)域方程匹配 n數(shù)值計(jì)算可以穩(wěn)定 n具有相當(dāng)精度 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬129 確定邊界條件（第一邊界） n待求函數(shù)本身 n齊次邊界條件（零邊值） e.g., 近海環(huán)境問題近海環(huán)境問題 無奈的近似；假設(shè)無奈的近似；假設(shè) * nbbbn (, ) Q =Q (x ,y ,t) or (, ) bbb bb xy t xy t b * b v =Q /H P = P n嵌套模式 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬130 n20世紀(jì)70年代

28、由Blumberg 與 Mellor發(fā)展 起來，并在許多學(xué)者的共同努力下不斷完 善?？杀粦?yīng)用于河口、沿岸區(qū)域和開闊大 洋。 /WWWPUBLIC/htdocs.pom/ 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬131 n模式內(nèi)嵌一個(gè)二階動量矩湍封閉模型，能 夠提供垂向混合系數(shù)； n垂直方向采用sigma坐標(biāo)，可以使淺水區(qū) 獲得與深水區(qū)同樣的相對分辨率； n水平方向采用曲線正交坐標(biāo)和C差分網(wǎng)格； 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬132 特點(diǎn)特點(diǎn)Continued n水平方向的時(shí)間差分采用顯格式，而垂

29、向 采用隱格式，后者可以削減時(shí)間步長的限 制； n有自由起伏的表面，并將表面重力長波 （外模）與內(nèi)重力波（內(nèi)模）劈開，使積 分時(shí)間步長超出CFL條件的幾倍； n完整的熱力學(xué)過程。 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬133 * ;xx yy z H 請注意：請注意： ,xy z t z = 0 z = H(x,y) WU D x x V D y y D t t 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬134 學(xué)習(xí)海洋模型的一般步驟學(xué)習(xí)海洋模型的一般步驟 n兩種思路： n理論學(xué)習(xí)指導(dǎo)應(yīng)用；在應(yīng)用中學(xué)習(xí)； n說明書： n適用范圍；特點(diǎn)；組成；流程 n代碼：

30、n變量名；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；對照流程看數(shù)據(jù)流 n前處理與后處理： n輸入與輸出 n敏感參數(shù) 135 n6.1 水交換模型水交換模型 n6.2 環(huán)境容量模型環(huán)境容量模型 n6.3 懸沙與溢油模型 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬136 關(guān)注的問題關(guān)注的問題 n為何研究這些環(huán)境問題？為何研究這些環(huán)境問題？ n研究方法有哪些？適用性？研究方法有哪些？適用性？ n建模思想與關(guān)鍵過程？建模思想與關(guān)鍵過程？ n那些問題已能成功解決？哪些那些問題已能成功解決？哪些 問題尚未能解決？問題尚未能解決？ 137 水交換模型水交換模型 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬13

31、8 Outline n環(huán)境問題環(huán)境問題 n水交換周期水交換周期 n模型種類模型種類 n研究實(shí)例研究實(shí)例 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬139 環(huán)境問題環(huán)境問題 n污染物通過對流輸運(yùn)和稀釋擴(kuò)散等物 理過程與周圍水體分擔(dān)、與外海水交 換，濃度降低，水質(zhì)得到改善。 n例如， Brest bay; n交換不暢的水體，由于污染物的持續(xù) 累積，往往會形成諸如富營養(yǎng)化等問 題。 n例如， Koljo Fjord 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬140 水交換周期水交換周期 n五花八門，嚴(yán)重混淆 n同一個(gè)內(nèi)容，不同的名字 Flushing：Residenc

32、e Half Turnover Time； Half-life Time n同一個(gè)名字，不同的內(nèi)容 Flushing: 100% Flushing: exp(-1) 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬141 水交換周期水交換周期-continued n常用的三種尺度 nFlushing time： time required for a given tracer to vanish. T=V/F nHalf-life time: the time required for the concentration to decrease to the half of the

33、initial value. 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬142 水交換周期水交換周期-continued n真正從動力觀點(diǎn)上給出的存留時(shí)間： nAverage residence time by Takeoka (1984) in CSR n如何理解Average（平均） n從整體上講，不同子區(qū)域的水體離開控制體 的時(shí)間不同； n即使對同一個(gè)海水微團(tuán)而言，不同顆粒的存 留時(shí)間也不同 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬143 0 0 r t dt r tR tR Weighed period from the initial time un

34、til the bay Water is replaced by the outer seas water. 平均存留時(shí)間平均存留時(shí)間計(jì)算公式計(jì)算公式 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬144 轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換關(guān)系 0,10%100kktkttr A A）Linear PatternLinear Pattern： , k21 %50r 0 t etr B B）Exponential decaying pattern:Exponential decaying pattern: 1 1 er 1.44 times the Half-life Time 2021年6月22日11時(shí)

35、19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬145 水交換模型水交換模型 n箱式模型（Box Model） n將整個(gè)研究區(qū)域作為一個(gè)箱，假定內(nèi)部水質(zhì) 均勻；且外海水與箱內(nèi)水能夠瞬間混合； n質(zhì)點(diǎn)追蹤模型（Parcel-tracking Model） n考慮流場的不均勻性，刻畫每個(gè)示蹤粒子的 軌跡，記錄粒子從投放到被輸送出研究區(qū)域 所歷經(jīng)的時(shí)間； n水質(zhì)模型（Dispersion Model） n以平流-擴(kuò)散方程計(jì)算示蹤所用被動物質(zhì)的濃 度變化，從而估算出水體存留時(shí)間； 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬146 代表性研究代表性研究 n箱式模型+flushing time （Balt

36、ic Sea） n箱式模型+半更新周期 （石島灣） n質(zhì)點(diǎn)追蹤模型+mean residence time (膠州灣） n水質(zhì)模型+half-life time （渤海） n改進(jìn)的水質(zhì)模型+average residence time）（膠州灣） 147 環(huán)境容量計(jì)算方法環(huán)境容量計(jì)算方法 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬148 n環(huán)境容量是指水體在規(guī)定的環(huán)境目標(biāo)下允許容納的 污染物量。日本環(huán)境廳1975年環(huán)境計(jì)量化 調(diào)查研究 n控制污染物入海通量的依據(jù) n雖然，算法繁多，但很少能被普遍接受并應(yīng)用于海 洋管理工作實(shí)踐 在中國：排放總量確定以后，經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)施， 如果

37、海域環(huán)境能夠達(dá)到規(guī)定的使用目標(biāo)要求，則繼 續(xù)執(zhí)行該排放總量；如果達(dá)不到，則繼續(xù)削減排放 總量，直到海域環(huán)境能夠達(dá)到規(guī)定的海域使用要求。 （管理方法帶有很強(qiáng)的盲目性！ ） 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬149 dvCCEC V bs 1 1）環(huán)境本底值和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值之差的空間積分 ： q該方法不能體現(xiàn)不同污染源對同一區(qū)域的影響不同污染源對同一區(qū)域的影響 q水體中空間各點(diǎn)不孤立不孤立，通過平流擴(kuò)散等物理過程相 互聯(lián)系，例如，某些區(qū)域的容量尚有剩余的前提下，其 它區(qū)域的水體卻已經(jīng)超標(biāo)。 q使用該計(jì)算方法一般會過高估計(jì)環(huán)境容量過高估計(jì)環(huán)境容量，但可理解 為環(huán)境容量的。 v簡單

38、易用，該方法被廣泛應(yīng)用于海灣河口的環(huán)境評價(jià)研究 包括膠州灣膠州灣（葛明等，2003） 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬150 n物質(zhì)輸運(yùn)方程在流速和擴(kuò)散系數(shù)已知的前 提下，平流擴(kuò)散方程可視為線性方程； n對于所研究的海域，多個(gè)污染源共同作用 下所形成的平衡濃度場，可視為由各個(gè)污 染源單獨(dú)存在時(shí)的濃度場的線性迭加。 n類似于水交換求分擔(dān)率的方法，求污染源 的響應(yīng)系數(shù)場 n大連灣（張存智，2002）；膠州灣（張學(xué) 慶，2003） 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬151 但該方法卻忽略了在一定的下，排海通量 可以在各污染源間合理分配，以達(dá)到兼顧各控

39、制 點(diǎn)不超標(biāo)的前提下，排污量達(dá)到最大，以充分利 用海域的自凈能力。 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬152 mnmm n n 21 22221 11211 n PF PF PF 2 1 s m s s c c c 2 1 0 0 2 0 1 m c c c + OBJECTIVE： S. T. n j j PFMax 1 高排放量不一定對應(yīng)高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值，研究環(huán)境容量應(yīng)該重視各污染高排放量不一定對應(yīng)高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值，研究環(huán)境容量應(yīng)該重視各污染 源的投入產(chǎn)出關(guān)系源的投入產(chǎn)出關(guān)系 線性規(guī)劃線性規(guī)劃排污布局排污布局 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬153 n

40、 j jjPF Max 1 mnmm n n 21 22221 11211 n PF PF PF 2 1 s m s s c c c 2 1 0 0 2 0 1 m c c c + OBJECTIVE： S. T. jjj PFYield 線性規(guī)劃線性規(guī)劃加權(quán)加權(quán) 突出經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的和諧性突出經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的和諧性 （優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；對高污染低產(chǎn)出企業(yè)關(guān)停并轉(zhuǎn)）（優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；對高污染低產(chǎn)出企業(yè)關(guān)停并轉(zhuǎn)） 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬154 n首先，明確所研究海域的功能使用要求，這是確 定約束條件約束條件的基礎(chǔ)； n第二，利用經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法計(jì)算其投入產(chǎn)出系數(shù)產(chǎn)出系數(shù) （j

41、 j）； n第三，查明污染源的位置，排放量的現(xiàn)狀，并利 用水質(zhì)模型計(jì)算各污染源的響應(yīng)系數(shù)場（）； n第四，在限制下，求解目標(biāo)函數(shù)求解目標(biāo)函數(shù)的最大值和各污 染源的合理排污量（MAX）； n最后，落實(shí)污染排放布局，對于超出合理排放量 的污染源要加大整治力度。 155 n7.1 海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型 n7.2 模型分類與研究內(nèi)容 n7.3 建模思路 n7.4 應(yīng)用實(shí)例 156 海洋生態(tài)系統(tǒng) 動力學(xué)模型 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬157 海洋生態(tài)模型海洋生態(tài)模型 n海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型是一種將各營養(yǎng) 層生物的分布與變化、有機(jī)物的產(chǎn)生與食 物條件、攝食和環(huán)境條件變化

42、相關(guān)聯(lián)的方 法，是將物理過程、生物過程定量化相關(guān) 的途徑。 n基于物理、化學(xué)、生物過程的基本規(guī)律， 借助計(jì)算機(jī)模擬，定量化各過程的相互作 用機(jī)制，理解系統(tǒng)功能的總特征，是多學(xué) 科交叉的紐帶和工具。 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬158 n復(fù)雜性：生命科學(xué)與非生命科 學(xué)交叉研究； n多樣性：生態(tài)系統(tǒng)具有地理性 （49個(gè)大海洋生態(tài)系統(tǒng)），不 同的地理環(huán)境必然造就和容納 不同的生物群落。 159 模型分類與研究內(nèi)容 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬160 模型分類模型分類 n箱式模型； n水柱模型； n垂直一維模型； n三維模型； 2021年6月22日11時(shí)19分 海洋數(shù)值模擬海洋數(shù)值模擬161 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 nAlgae blooms and primary production nPrimary production nSuccession nAnnual cycles nLimitation by nutrients and by light nEutrophication nReduction scenarios nCycling of the matter nNutrients budget 20