基于离散元方法的海冰精细化数值模型研究

In subarctic and seasonal ice-covered area, most of the ice pack is composed of discrete and movable floes, which makes ice cover unstable. These properties are not able to be exactly simulated through traditional numerical model. Therefore, this project will develop a model based on DEM (discrete element method) to effectively reflect the properties. The model takes advantage of parallel-bond sensitive to temperature, kernel function for stress distribution, viscous-elastic-plastic constitutive relation, increasing or decreasing computational elements and a new thermodynamic simulation considering salinity variable on time and space. So it is competent to embody fracture, overlapping, accumulation, melting and freezing of sea ice under the condition of current, wave, temperature and so on. Furthermore, this model will be applied into the Bohai Sea in collaboration with parallel computation, oceanic and atmospheric model, satellite image and field monitoring technology. This fine model can be used to employ dynamic thermodynamic processes of sea ice in the area dominated by movable floes.

在极区边缘和季节性结冰海域，海冰普遍表现出较强的离散分布和非连续运移特性，而基于连续介质的传统海冰数值模型尚难以精确模拟这类物理现象。针对于此，本项目将采用温度敏感的平行粘结、单元应力分配核函数、粘-弹塑性本构关系、计算单元的增减等方式和考虑盐度随时空演化的热力学过程来发展和完善海冰的精细化动力-热力学离散元模型。该模型不仅可以对风和流等作用下海冰的断裂、破碎、堆积和辐散等动力过程进行模拟，还可以通过考虑热力学过程实现对生消、冻结和融化断裂等海冰热力和动力耦合过程的模拟。此外，本项目针对渤海海冰开展应用性研究，将模型与高效并行算法、海洋和大气模式、卫星遥感图像和现场监测手段相结合，发展渤海海冰的高精度预报模型，尤其提高初冰期和融冰期海冰要素的预报精度。本项目基于离散单元方法发展的海冰精细化数值模型，将为深入研究具有明显动力学过程的海冰动力-热力演化机理提供科学依据。

在极区边缘和季节性结冰海域，海冰普遍表现出较强的离散分布和非连续运移特性，而基于连续介质的传统海冰数值模型尚难以精确模拟这类物理现象。针对于该问题，本项目建立了中小尺寸下海冰的离散单元动力学模型，研究了外力作用下海冰的断裂、堆积与辐散等动力学特性。利用一维海冰热力学变网格有限差分算法模型，研究了热力要素作用下海冰的生长和消融过程，并基于试验数据对模型的精度和有效性进行了验证，进一步实现了改热力模型与离散单元动力模型的结合。本项目形成了一套面向海冰数字图像的处理系统，该系统在Github上进行了开源处理，可以用来提取碎冰的尺寸分布参数和离散元模型需要的初始场。针对渤海海冰的精细化离散单元热力-动力预报模型，开展了海冰预报模型的业务化应用研究，并利用高清渤海海冰卫星遥感图像和油气平台雷达监测数据，对数值模型精度和有效性进行了检验。本项目取得的成果将为研究海冰的动力-热力过程、物理力学特性和海冰要素图像提取提供可靠的理论依据和技术支撑。