海洋动力环境模拟数值算法及应用(王永学,任冰著)思维导图

行聚类分析。本文提出的方法从视觉角度对数据进行分析和特征挖掘，并得到高维数据在低维空间上的可视化展示，实现了
有效量化海洋数据不同要素间的相关关系。
关键词：海洋多要素环境数据；多视图协同；关联关系；多维标度算法；K-means 聚类
中图分类号：TP301
文献标识码：A
文章编号：1001原6932（圆园19）05原园533原10
第 38 卷 第 5 期 圆园19 年 10 月
海洋通报
MARINE SCIENCE BULLETIN
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2019.05.007
Vol. 38袁No. 5 Oct. 2019
多视图协同的海洋多要素环境数据 关联关系分析方法
贺琪 1，武欣怡 1，黄冬梅 2，郝增周 3，宋巍 1
Multi-view analysis method for marine multi-factor environmental data association
HE Qi1, WU Xin-yi1, HUANG Dong-mei2, HAO Zeng-zhou3, SONG Wei1
(1. Department of Information Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China; 3. State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Second Institute

海洋监测设备实验水槽的环境动力参数Ⅱ.模型参数
刘学海;韩磊
【期刊名称】《海洋技术》
【年(卷),期】2015(034)005
【摘要】确定几何缩尺比和模拟的环境参数是开展物理模型实验的基础.为了提供海洋监测仪器设备模型测试时所需的选取环境参数及其模型值的依据,给出了"工作海况"和"极端海况"条件下各典型海域的风、浪、流等环境参数,确定了两个典型几何缩尺比对应的模型参数,并给出典型设备特别是海洋能利用装置在水槽进行模型实验时的模拟参数选取.
【总页数】5页(P26-30)
【作者】刘学海;韩磊
【作者单位】国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061;国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061
【正文语种】中文
【中图分类】P715
【相关文献】
1.海洋监测设备动力环境实验室信息管理系统的构建 [J], 王花梅;路宽;田强;
2.海洋监测设备实验水槽的环境动力参数Ⅱ.模型参数 [J], 刘学海;韩磊;
3.海洋监测设备动力环境实验室信息管理系统的构建 [J], 王花梅;路宽;田强
4.海洋环境自动监测的重要手段——小型多参数海洋环境监测浮标 [J], 李林奇;熊焰;张文泉
5.海洋环境自动监测的重要手段——小型多参数海洋环境监测浮标 [J], 李林奇;熊焰;张文泉
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（3）六点格式（Crank-Nicolson），双层六点隐式格式 在x点和n+△n/2时层，对t和x均采用中心差分
n 1 n n 1 n 1 n 1 n n n f f f f 2 f f f 2 f 1 2 2 i i i 1 i 1 i i 1 i 1 i [ ] O ( t x ) 0 2 2 t 2 x x


数值模拟的优点： （1）实验费用少； （2）速度快、周期短； （3）可以模拟多种因素相互作用的复杂物理过程。 如可以模拟水（潮）流、风、柯氏力等多种因素 共同作用下的多种泥沙及地形演变的复杂过程。 （4）可以完全控制流体的物理性质（如密度、容 重、粘度、含沙量等） （5）模型建成后，长期保存、随时调用修改。 （6）无法模拟微分方程不能描述的物理现象。
n 1 i 1 2 r t/ x
n 1 i
rf
n 1 i 1
n n n [ 1 2 ( 1 ) r ] f ( 1 ) rf ( 1 ) rf i i 1 i 1
2.2.2线性方程组的数值解


有限差分法是工程中常用的一种离散技术，将计 算域分成有限个网格，通过差分法求网格结点的 微分方程的近似值，也称网格法。 n 将网格结点上的函数f(x,y,z,t)表示成 f i , j , k ， i,j,k分别表示x,y,z方向的坐标位置，n表示时间。
数值模拟工作的基本步骤 （1）建立数学模型和编制源程序 建立或选择的微分方程； 根据模拟域边界条件选择合适的网格； 按一定的格式离散方程，得到代数方程 和采用合适的数值方法求解代数方程； 编制源程序求解代数方程。 数值模拟分析（收敛性、稳定性、相容 性、误差程度等）

解析：第1题，水循环是实现海陆间水平衡的重要途径，其中的径流输送环节， 是海洋水体总量变化不大的主要原因。第2题，海水通过蒸发，不断向大气输送 水汽。低纬海区表层水温高，蒸发量大，向大气提供水汽最多。
[2022·江西南昌月考]茎柔鱼为大洋性浅海种，分布在中部太平洋以 东的广泛海域，高密度区主要分布在从赤道到18°S之间的南美大陆架 以西370～460 km的外海。据此完成3～4题。
[温馨提示]通常在厄尔尼诺现象发生后，会出现拉尼娜现象。
二、厄尔尼诺和拉尼娜现象 1．厄尔尼诺现象
(1) 概 念 ： 有 些 年 份 ， 赤 道 附 近 太 平 洋 中 东 部 的 表 层 海异水常温升度高 ________的现象。
(2)正常年份与厄尔尼诺年份海—气相互作用比较
时间
海—气相互作用
凝结
3．主要影响：通过大气环流与大洋环流，驱使水分和热量在不同地 区传输，维持地球上__水__分____和___热__量___的平衡。
[温馨提示](1)海洋是大气中水汽的最主要来源。低纬度海区和暖流 流经的海区，海—气间的水分交换较为活跃。
(2)海洋是大气最主要的热量储存库。水温高的海区，向大气输送的 热量较多。
在探索中感悟 一、列表比较正常年份与厄尔尼诺年份 每隔2～7年发生在南美洲秘鲁太平洋沿岸的厄尔尼诺现象，因海水 温度的异常变化而引起了洋流变化，进而引起附近海域生物变化。 太平洋东部海区水温异常升高时，会导致鱼类死亡、大气环流异常、 水旱灾害频发等连锁反应，这就是厄尔尼诺现象，厄尔尼诺引发的环 境问题及其成因如下表所示：
随堂检测·强化落实
读海—气相互作用模式，完成1～2题。
1．海洋是陆地降水的主要水汽来源，但从长远看，海洋水体总量变
化不大，主要得益于( B )

型在某种程度上都可以认为是该模型改进版
海洋数值模型发展的历史
上个世纪70年代，sigma坐标系开始应用于
海洋模型在水深方向，比如目前被广泛使用
的POM（Princeton Ocean Model）、
ECOM （Estuarine Coastal and Ocean
Model） 、ROMS（Regional Ocean
和2.4401；在稳定层次
可表示为
1
0 条件下，
D s
S M , S H 值分别为2.0145
1
0
D s
条件下，它下限值为
-0.28，对应的 S M , S H 值分别为 0.0470和 0.0461。
E1, E2, E3, B1 是2.5阶M-Y湍流闭合模式参数，由实验测得
M—Y湍流模型的适用条件
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？
• 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
4
海洋数值模型发展的历史
海洋模型到按其水平网格的离散方式以及所使用
的垂向坐标系的不同大致经历了如下源自个发展阶段 最早出现并且还在使用的海洋模型是Bryan等人
M-Y湍流模型已被广泛应用于浅海潮汐，风生
表面混合层的模拟以及底边界层的研究；
该模型在混合较弱的层化流体中对湍流混合系
数计算效果不佳，应用于河口的可行性也有待
于探讨；
虽然该模型无论是在物理上还是在数学上都存
在着明显的缺陷，但是目前依然得到广泛应用。
只有深入了解海水的微细结构以及海洋湍流结
，如果计算网格划分得足够细的话，C 可以

研究内容：包括海岸线变迁、海滩侵蚀、潮汐现象、海浪运动等。 应用领域：海岸工程、海洋资源开发、环境保护等领域。
海岸工程：如港口建 设、防波堤设计等
海洋资源开发：如潮 汐能、波浪能等
环境保护：如海岸侵 蚀、海平面上升等
自然灾害防治：如台 风、海啸等
军事应用：如潜艇隐 蔽、导弹发射等
学科背景：海岸动力学是研究海岸线、海岸带和海岸生态系统的动力学过程和规律的科学。 发展历程：海岸动力学起源于19世纪末，随着海洋科学的发展而逐渐形成。 学科发展：20世纪初，海岸动力学开始受到重视，并逐渐成为一门独立的学科。 当代研究：现代海岸动力学研究涵盖了海岸线变化、海岸带生态系统、海岸工程等多个领域。
数值模拟技术的发展趋 势：随着计算机技术的 不断发展，数值模拟技 术在海岸动力学中的应 用将会越来越广泛，精
度也会越来越高。
验证方法：对比实验结果与理 论预测
精度评估指标：误差、偏差、 方差等
影响因素：模型参数、初始条 件、边界条件等
提高精度的方法：改进模型、 优化算法、增加计算资源等
敏感性分析：研究模型参数变化对结果 影响的程度
国际合作：加强与其他国家的合作，共同研究海岸动力学问题 学术交流：举办国际学术会议，促进学术交流与合作 技术共享：共享研究成果和技术，提高海岸动力学的研究水平 人才培养：加强国际人才培养，提高海岸动力学的研究能力
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海岸动力学概述
海岸动力学的基本原 理
海岸动力学的数学模 型与数值模拟
海岸动力学的实际应 用案例
海岸动力学的未来发 展趋势与挑战
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海岸动力学概述

科技文献检索与论文写 32
作
第 3 学期
培养学生掌握中国渔业特点、现代化、生态渔业、渔业技术引进、渔业资金 管理、水产品加工、水产品贸易和养殖企业管理等知识，获得在政府及相关 企业从事渔业管理的初步能力。 培养学生掌握增殖放流技术、人工鱼礁技术等知识，获得从事人工放流、人 工造礁、海草资源修复的基本技能。先修课程：《海洋动物学》、《普通生态 学》、《水生生物学》、《海洋生态学》、《鱼类学》。 培养学生掌握环境中污染物的生物转运和生物转化过程、污染物与生物有机 体的相互作用包括吸收、分布、代谢和排泄等过程相关知识。获得对环境污 染物清除的初步技能。环境科学下的分支学科。先修课程：《水域环境监测 与评价》、《普通生态学》。 培养学生掌握有机物分析、重金属含量检测、污水检测等知识，获得使用分 光光度计、原子吸收仪、气象色谱仪的使用技能。先修课程：《普通化学 I》、 《分析化学Ⅲ》、《生物化学》、《海洋化学》。 本课程是重要的专业拓展课程，可使学生掌握关于科技文献检索的途径、基 本方法、步骤、技巧，及科研论文写作的基本思路、步骤、格式等方面的知 识，为以后的科研能力训练奠定基础。
设课目的（阐述该课程在培养学生品德、知识、能力、体育或美育的作用。 在课程体系中与前后课程的关系）
所属 课程群
第 1-4 学期 培养学生英语听、说、读、写、译的综合应用能力。
大学英语
第 1 学期 第 2 学期
第 3 学期
第 1 学期 第 6 学期 第 3 学期
掌握马克思主义的基本立场、观点和方法，树立正确的世界观、人生观、价
数学 数学 数学 化学 生态学 生态学 生态学
生态学
理信学院 理信学院 理信学院 海洋学院 海洋学院 海洋学院 海洋学院
海洋学院

海面模型的应用实例
01
02
03
04
厄尔尼诺现象模拟
利用海面模型模拟厄尔尼诺现 象的发生和发展，有助于预测
未来气候变化。
海洋环流研究利用海面Fra bibliotek型模拟海洋环流运 动，有助于了解海洋环流的规
律和影响。
渔业资源评估
利用海面模型模拟鱼类的迁移 和分布，有助于评估渔业资源
的状况和开发潜力。
海洋污染监测
利用海面模型模拟污染物的扩 散和迁移，有助于监测和防治
海洋流体动力学模型的特点
海洋流体动力学模型通过数值方法模拟海洋流动，可以模拟大规模、长时间尺度的 流动过程。
模型具有高度的灵活性和可扩展性，可以根据实际需求调整模型参数和边界条件。
模型可以提供定量的预测结果，有助于理解和预测海洋环境变化。
海洋流体动力学模型的应用实例
气候模拟
利用海洋流体动力学模型模拟全球气 候变化，预测未来气候趋势。
OpenSees
使用 OpenSees 对海洋风电场进行了结构仿真分析，得到了结构的 动力响应和稳定性。
ABAQUS
使用 ABAQUS 对海洋平台进行了有限元分析，得到了结构的应力分 布和位移变化。
COMSOL Multiphysics
使用 COMSOL Multiphysics 对海洋环境中的流体流动进行了多物理 场仿真分析，得到了流体的速度场和压力场分布。
02
海面模型
海面模型的分类
有限差分模型
通过将海洋划分为网格，用差 分方程表示水流运动，计算每 个网格点的水流速度和方向。
有限元素模型
将海洋划分为一系列元素，每 个元素用节点表示，通过求解 节点处的方程来模拟水流运动 。

农历每月的初一和十五前后，太阳、地球和月球三者近似处在一条直 线上，月球和太阳对地球的引力最大，潮水水位最高，称为大潮。潮汐时 刻表能够反映不同时刻的潮水高度。人们根据潮汐规律，在潮落的时候到 海岸的滩涂或礁石上打捞或采集海产品的过程，称为赶海。下图反映了深 圳大鹏湾某年11月25日(农历初二)的潮汐时刻。据此完成1～2题。
流动，叫作洋流。
(2)分类：按海水温度，可以将洋流分为暖流和寒流。
分类
判断依据
___暖__流_____ ___寒__流_____
从水温高的海域流向水温低的海域 从水温低的海域流向水温高的海域
2.世界表层洋流的分布规律 (1)影响洋流运动方向的因素：____盛__行__风____、海陆分布、地转偏向力。 (2)世界表层洋流的分布规律。
名称
组成
特点
中低纬度海区(南北纬 5°～45°)的大洋环流
在北半球呈__顺____时针 方向流动，在南半球呈 ____逆____时针方向流动； 东侧寒流，西侧暖流
名称 北半球中高纬度海区(北纬 45°～70°)的大洋环流 南半球的西风漂流(40°S 以南)
北印度洋海区的季风环流
组成
特点 呈____逆______时针方向流动； 东侧暖流，西侧寒流
【尝试解答】 距今约17～15千年期间，气候变冷，日本海西部近岸海域 表层海水迅速冷却，形成海冰，上、下层海水密度差减小；冬季风势力增 强，对马暖流势力减弱；北部海域结冰，寒流减弱，寒暖流交汇减弱，上、 下层海水交换强度降低；气温降低，南北侧环流减弱，西部上、下层洋流 交换减弱。
(2)有人认为现代对马暖流形成于距今约8千年，但也有人并不认同。基于 所给材料，请表明你支持的观点，并说明理由。 【破题思路】 若赞同，原因可结合材料信息“距今约8千年以来，日本海 西、中和南部海域的上、下层海水交换强度才呈现同步增强特征”分析。 对马暖流的入侵会提__高__表层和底层水体交换，且距今8千年以来，日本海西、 中和南部海域的上、下层海水交换强度同步增强，由此可认为现代对马暖 流形成于距今8千年。若不赞同，其原因可从日本海西、中和南部海域上、 下层海水交换强度受季__风__、_洋__流_共同影响分析。日本海背靠亚欧大陆，冬、 夏季风显著，而海水交换受风__力__影响明显，夏季风影响日本海表层水体层 化，而东亚冬季风影响日本海西部海冰的形成和深层水体垂向对流，对马 暖流的入侵提高了表层和底层水体交换。