极地海冰影响局部海域的通航条件乃至地质尺度上的气候预测，由于基于连续介质理论的海冰数值模式如网格方法难以应对浮冰尺度的模拟，近年来离散元方法越来越多用于海冰动力学领域。本文使用基于表面网格划分的多面体描述浮冰，通过使用GJK(Gilbert-Johnson-Keerthi)算法以进行初步接触判断并提高计算效率，采用基于能量守恒接触理论确定单元间接触力，由此建立了极地海冰多面体离散元方法。将该方法应用于极地海冰动力过程模拟，并考虑Hopkins提出的冰脊形成导致的海冰间塑性接触力。首先通过两个浮冰间碰撞模拟以验证接触力计算的正确性，再通过对单向均匀风场下浮冰挤压的模拟验证冰脊生成的模拟能力，最后研究冻结强度参数对剪切风场下冰盖断裂和冰脊生成的影响。结果表明，极地海冰多面体离散元方法能够合理地反映地质尺度海冰的动力过程，并且可有效地模拟冰盖线性运动引起的冰隙和冰脊等动力特征。
极地海冰影响局部海域的通航条件乃至地质尺度上的气候预测，由于基于连续介质理论的海冰数值模式如网格方法难以应对浮冰尺度的模拟，近年来离散元方法越来越多用于海冰动力学领域。本文使用基于表面网格划分的多面体描述浮冰，通过使用GJK(Gilbert-Johnson-Keerthi)算法以进行初步接触判断并提高计算效率，采用基于能量守恒接触理论确定单元间接触力，由此建立了极地海冰多面体离散元方法。将该方法应用于极地海冰动力过程模拟，并考虑Hopkins提出的冰脊形成导致的海冰间塑性接触力。首先通过两个浮冰间碰撞模拟以验证接触力计算的正确性，再通过对单向均匀风场下浮冰挤压的模拟验证冰脊生成的模拟能力，最后研究冻结强度参数对剪切风场下冰盖断裂和冰脊生成的影响。结果表明，极地海冰多面体离散元方法能够合理地反映地质尺度海冰的动力过程，并且可有效地模拟冰盖线性运动引起的冰隙和冰脊等动力特征。
头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段，研究该河段河冰输移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和DPM(Discrete Parcel Method)河冰动力学模型，模拟了黄河头道拐河段2020—2021年冬季封河过程并进行了验证，讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明：相比于官牛犋弯道，河道弯曲率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰，且流量越小，卡冰作用越明显，冰盖向上游发展速度越快。河道流凌密集度小于0.4时，各种流量下研究河段未发生卡冰；流凌密集度增大至0.4,表面流冰首先在弯曲率系数较大的什四份子弯道处形成卡冰，随着流凌密集度和流量的进一步增大，下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋弯道形成卡冰，因此，头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为0.4。应用冰水耦合二维动力学模型可以很好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态，揭示了影响河冰过程的相关因素及作用机理，为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。
头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段，研究该河段河冰输移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和DPM(Discrete Parcel Method)河冰动力学模型，模拟了黄河头道拐河段2020—2021年冬季封河过程并进行了验证，讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明：相比于官牛犋弯道，河道弯曲率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰，且流量越小，卡冰作用越明显，冰盖向上游发展速度越快。河道流凌密集度小于0.4时，各种流量下研究河段未发生卡冰；流凌密集度增大至0.4,表面流冰首先在弯曲率系数较大的什四份子弯道处形成卡冰，随着流凌密集度和流量的进一步增大，下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋弯道形成卡冰，因此，头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为0.4。应用冰水耦合二维动力学模型可以很好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态，揭示了影响河冰过程的相关因素及作用机理，为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。
冰下地形是冰盖运动和冰底侵蚀过程作用于冰前地形的结果。冰床粗糙度是对冰下地形不规则程度的定量刻画,是反映冰下环境和过程的重要指标,可用于研究冰下基岩物质组成、冰下侵蚀过程和冰底滑动状况、冰下地貌形成演化以及冰流运动等。首先,对冰床粗糙度量化方法的发展进行了介绍,详述了基于冰雷达数据的沿轨迹地形统计特性和基于冰床回波波形电磁散射特性这两类刻画冰床粗糙度的方法的演变和进展;其次,通过分析冰床粗糙度与冰动力学、冰下地貌、冰盖底部热机制、冰下地质等的联系,归纳了利用冰床粗糙度研究南极冰盖冰下环境和过程的相关进展;最后,对利用冰床粗糙度研究南极冰盖冰下环境和过程的现状及其未来发展趋势进行了总结和展望。
冰下地形是冰盖运动和冰底侵蚀过程作用于冰前地形的结果。冰床粗糙度是对冰下地形不规则程度的定量刻画,是反映冰下环境和过程的重要指标,可用于研究冰下基岩物质组成、冰下侵蚀过程和冰底滑动状况、冰下地貌形成演化以及冰流运动等。首先,对冰床粗糙度量化方法的发展进行了介绍,详述了基于冰雷达数据的沿轨迹地形统计特性和基于冰床回波波形电磁散射特性这两类刻画冰床粗糙度的方法的演变和进展;其次,通过分析冰床粗糙度与冰动力学、冰下地貌、冰盖底部热机制、冰下地质等的联系,归纳了利用冰床粗糙度研究南极冰盖冰下环境和过程的相关进展;最后,对利用冰床粗糙度研究南极冰盖冰下环境和过程的现状及其未来发展趋势进行了总结和展望。
基于冰盖影响下冰坝形成和演进的动力特性,该文针对冰坝与冰盖相互作用及冰盖破碎问题,在离散元河冰动力学模型的基础上,发展了具有冻结破碎功能的黏结失效模型,对碎冰在冰盖前缘堆积形成冰坝以及冰盖前缘破碎、冰坝推进下移的过程进行模拟。模拟结果显示:该模型能够较全面地描述冰盖前缘冰坝形成和冰盖破碎冰坝推移的过程;冰盖会导致堆冰发生在冰盖前端或冰盖底部,冰坝体的平衡状态受到来冰量、河道边壁阻力、冰盖强度和水力等因素的影响;冰盖在水位变化条件下先沿河岸纵向断裂,进而冰坝与冰盖前端作用并向下游推移,冰坝推移过程中冰坝与冰盖的作用力是累积-释放的循环过程;由冰盖前端破碎产生的碎冰会造成更严重的堆冰和河道壅水。模拟结果对现场观测难以捕捉到的动力过程及过程中水力、冰力等信息做出了描述,可为冰坝形成和演进的机理研究及冰区凌汛的防治提供参考。
基于冰盖影响下冰坝形成和演进的动力特性,该文针对冰坝与冰盖相互作用及冰盖破碎问题,在离散元河冰动力学模型的基础上,发展了具有冻结破碎功能的黏结失效模型,对碎冰在冰盖前缘堆积形成冰坝以及冰盖前缘破碎、冰坝推进下移的过程进行模拟。模拟结果显示:该模型能够较全面地描述冰盖前缘冰坝形成和冰盖破碎冰坝推移的过程;冰盖会导致堆冰发生在冰盖前端或冰盖底部,冰坝体的平衡状态受到来冰量、河道边壁阻力、冰盖强度和水力等因素的影响;冰盖在水位变化条件下先沿河岸纵向断裂,进而冰坝与冰盖前端作用并向下游推移,冰坝推移过程中冰坝与冰盖的作用力是累积-释放的循环过程;由冰盖前端破碎产生的碎冰会造成更严重的堆冰和河道壅水。模拟结果对现场观测难以捕捉到的动力过程及过程中水力、冰力等信息做出了描述,可为冰坝形成和演进的机理研究及冰区凌汛的防治提供参考。
河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响,但北方河流如黄河等冬季冰期的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程,亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总结了河冰水力学的理论发展,针对北方河流建立了二维水冰沙耦合数学模型,包括二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块,并介绍了该耦合模型的求解步骤和方法。研究表明:通过三个模块间的信息传递和数据反馈,该数学模型具备模拟冰塞冰坝等极端工况下的水流变化、河冰堆积和释放、泥沙运动、河床冲淤和岸滩侵蚀等过程的能力。该模型将水沙理论和河冰理论结合起来,可用于北方河流全季节与河冰生消全过程的水冰沙耦合过程模拟,为北方河流管理提供了有力工具。
河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响,但北方河流如黄河等冬季冰期的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程,亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总结了河冰水力学的理论发展,针对北方河流建立了二维水冰沙耦合数学模型,包括二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块,并介绍了该耦合模型的求解步骤和方法。研究表明:通过三个模块间的信息传递和数据反馈,该数学模型具备模拟冰塞冰坝等极端工况下的水流变化、河冰堆积和释放、泥沙运动、河床冲淤和岸滩侵蚀等过程的能力。该模型将水沙理论和河冰理论结合起来,可用于北方河流全季节与河冰生消全过程的水冰沙耦合过程模拟,为北方河流管理提供了有力工具。