海冰动力过程的改进离散元模型及在渤海的应用

作     者：季顺迎 王安良 米丽丽 刘煜 李宝辉 Ji Shunying;Wang Anliang;Mi Lili;Liu Yu;Li Baohui

作者机构：大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116023 国家海洋环境预报中心国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室北京100081 

出 版 物：《海洋学报》 (Acta Oceanologica Sinica)

年 卷 期：2015年第37卷第5期

页      面：54-67页

核心收录：

学科分类：07[理学] 0707[理学-海洋科学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(41176012) 国家海洋公益性行业科研专项经费项目(201105016 201205007) 高等学校博士学科点专项科研基金项目(20130041110010) 

主　　题：海冰动力学 离散元模型 堆积冰 渤海 

摘      要：海冰的断裂、重叠和堆积等离散分布特性广泛地存在于极区和副极区的不同海域,并对海冰的生消、运移过程有着重要影响。针对海冰在不同尺度下的离散分布特点,发展海冰动力过程的离散元方法有助于完善海冰数值模式,提高海冰数值模拟的计算精度。为此,本文针对海冰生消运移过程中的非连续分布和形变特性,发展了适用于海冰动力过程的改进离散元模型(MDEM)。不同于传统离散元方法,该模型将海冰离散为具有一定厚度、尺寸和密集度的圆盘单元。海冰单元设为诸多浮冰块的集合体,其在运移和相互接触碰撞过程中,依照质量守恒发生单元尺寸、密集度和厚度的相应变化。基于海冰离散性和流变性的特点,该模型采用黏弹性接触本构模型计算单元间的作用力,并依据Mohr-Coulomb准则计算海冰法向作用下的塑性变形及切向摩擦力。为验证该模型的可靠性,本文对海冰在规则水域内的运移和堆积过程进行了分析,离散元计算结果与解析值相一致;此外,对旋转风场下海冰漂移规律的模拟进一步验证了本文方法的精确性。在此基础上,对渤海辽东湾的海冰动力过程进行了48h数值分析,计算结果与卫星遥感资料和油气作业区的海冰现场监测数据吻合良好。在下一步工作中将考虑海冰离散元模拟中的热力因素影响,发展具有冻结、断裂效应的海冰离散元模型,更精确地模拟海冰动力-热力耦合作用下的生消和运移过程。