1998年6月“两湖”降水过程的数值模拟

运用中尺度η坐标暴雨模式(简称MEM),采用常规报文资料获得初始场,运用包络地形方法获得模式所需的地形资料,对1998年6月“两湖”降水过程进行了数值模拟。结果表明,该模式对形势场的模拟较好,MEM的TS评分结果明显高于国内目前业务运用中的主要模式,模式对暴雨有较强的模拟能力。无地形试验表明地形对降水预报有显著的作用,尤其中尺度地形对暴雨预报和模拟有重要的作用。     

EOF分解与Kalman滤波相结合的副高位势场数值预报优化

用经验正交分解和Kalman滤波相结合的方法,建立了夏季500 hPa位势高度场数值预报误差修正模型,以改进副高数值预报效果,提高副高预报准确率.首先用经验正交分解（EOF）方法将T106数值预报500 hpa位势高度场分解为彼此正交的空间结构模态和相应的时间系数的线性组合,随后选取前15个模态的时间系数（其方差贡献98.7%）序列,分别建立了各自的Kalman（卡尔曼）滤波模型,最后用优化出的时间系数与相应的空间结构场进行EOF重构,进而得到修正后的副高位势预报场.修正后的位势场与原始的数值预报场的对比结果表明,该修正模型可对副高数值预报误差进行有效修正,优化后的预报效果较原始数值预报场有明显改进提高.     

基于集合卡尔曼滤波的新安江模型状态变量实时修正方法

为了提高洪水预报的精度,基于集合卡尔曼滤波,提出对流域中子流域中间状态量进行全状态量回溯修正方法。该方法根据每个子流域地貌特征和汇流时间不同,分别找出其相应的回溯时间,与新安江模型相结合对各个子流域特定时段前的中间状态量进行全状态量回溯修正,逐步降低误差的累积。采用理想模型验证,结果显示子流域中间状态量得到有效修正,洪量相对误差和洪峰相对误差减小,确定性系数提高。以大坡岭流域为例,采用该方法对流域12场历史洪水进行修正,修正结果表明此方法能有效提高洪水预报的精度,可在实际洪水预报中推广应用。     

云南中尺度数值预报模式中气压梯度力计算方法试验

在云南中尺度数值预报试验模式中,引入实际地形,设计使用静力扣除法,回插法,局地等温法,经典修正法以及模式中原来计算方案等５种方法计算气压梯度力,用以解决陡峭地形问题。数值试验结果对比以后发现,经典修正法比其他方法计算精度高,运行稳定,能够满足模式的预报要求,比模式原方案有显著的改进。     

人工神经网络在岛屿近岸海浪模拟中的应用

以三亚东锣岛近岸海域为研究案例,基于9个月现场观测数据,利用人工神经网络模型对区域海浪模式WAVEWATCHⅢ(WW3)的有效波高结果进行了修正.结果显示:受空间分辨率的限制,WW3模式难以有效地刻画岛屿岸线和地形对波浪的影响,导致有效波高的模拟结果与现场观测存在较大差距;而使用该文建立的人工神经网络模型则能有效地修正有效波高的模拟结果,使其与观测值的均方根误差和平均绝对误差明显下降.进一步分析计算显示,当人工神经网络模型应用于岛屿近岸波浪要素的模拟修正时,有必要将平均波向作为输入变量,使不同来向的波浪传至岛屿近岸所经历过程的差异性得以体现.该方法及相关结果对岛屿近岸长时间序列波浪要素信息的模拟和预报具有工程应用价值.     

产流误差的动态系统响应曲线修正方法应用

产流误差的动态系统响应曲线修正方法(Dynamic System Response Curve,DSRC)是一种基于微分响应来反演修正的实时修正方法.简要介绍了实时修正概念和三水源新安江模型的结构、计算原理,详细阐述了DSRC的基本修正原理和过程.基于东圳流域1965~1999年共16场历史洪水运用三水源新安江模型洪水预报的结果,分别采用DSRC和二阶自回归(AR)模型进行实时修正.分析比较这16场历史洪水的平均修正结果,表明对洪水预报进行实时修正能提高预报精度,且采用DSRC的修正效果比AR模型更好.     

基于遗传算法的海气耦合模型参数反演

为了提高模型参数反演效率和精度,基于遗传算法和系统优化思想,从一个简单的海气耦合模式出发,反演模式参数和强迫项.试验结果表明:遗传算法和系统优化结合的方法,可以有效优化模式参数和强迫项,进而修正模式的预报误差.同时,该方法具有参数反演过程不与模型结构发生耦合,计算量小和操作性强、反演效率高等优点,为在实际应用中改善模式参数和初值、提高预报准确率提供了一个可借鉴的方法和途径.     

台湾地形对1998年6月7—8日中尺度对流系统降雨的影响

利用中尺度模式MM5研究了台湾地形对中尺度对流系统所引起的降雨的影响。通过一系列不同模式分辨率和不同精确度地形高度的敏感性实验, 发现模式的分辨率对降水的预报起决定作用,同时,地形的精确度也可以改变降水的分布和强度。为了得到合理的模拟,6km 的模式分辨率和18km 的地形精确度是必须的。去掉台湾地形的敏感性实验表明,台湾中央山脉对降水的影响可以分为两类,即“强迫”和“修正”效应。在对流层低层,中央山脉对中α尺度低压有阻挡作用,并强迫局地中β尺度的低压。中β尺度的低压和中α尺度低压相互作用,在台湾北部“强迫”出暴雨;而在台湾中部,中尺度对流系统登陆的地方,中央山脉对降雨的落区和强度都给予了“修正”。     

基于黏性等效的船舶顶浪运动降阶预报方法

针对势流预报方法速度快但精度受黏性影响显著、黏流预报方法精度高但计算效率较低的问题,提出一种基于黏性等效的耐波性预报降阶预报方法．该方法首先基于一种强迫放大运动,快速获取船舶阻尼随运动幅度变化的特性;再根据黏性等效原则和船舶运动状态,对无黏耐波性预报模型的阻尼进行实时修正．为验证该方法的有效性,以DTMB 5415船模为研究对象,开展了顶浪环境下的水池模型试验．结果表明：该方法预报的纵摇运动响应误差低于6.2%,垂荡运动响应误差低于15.6%;在仿真时间方面,该方法预报效率比传统黏流模型高出10倍以上．     

基于异构并行的山洪动力演进模型和模拟研究

为建立山区小流域降雨-山洪演进正演模拟和预报方法,构建了从降雨、植被截留、土体入渗、坡面汇流到山洪演进全过程物理模型．采用一阶迎风差分格式求解描述坡面汇流到径流过程的扩散波方程,并在凸地形点采用修正算法确保计算精度和求解简便性．基于CPU(中央处理器)+GPU(图像处理器)异构并行加速技术实现从降雨到山洪动力演进全过程快速模拟,计算效率相对CPU单核提升300倍左右．通过一维构造地形试验、V型槽实验和都江堰龙溪河真实小流域山洪过程分析,验证了当前计算模型和方法的有效性,为基于动力过程的山洪灾害实时预报研究提供参考．     

混输管路气液两相流模型的建立与验证

针对管路气液两相流,建立了一种捕获段塞流的形成和发展过程;并进行气液两相流水力计算的组合模型。以滑移速度和液相连续性方程为基础,通过建立动坐标系来求解液相连续性方程,得到以持液率的变化来反映段塞的形成和发展。加入地形起伏的影响和压降计算关系式,对气液混输管路进行水力计算。分别使用实验数据和工程现场数据来验证模型的准确性。实验数据分别来自于实验环道和大庆油田现场数据。结果显示:模型计算大部分压降误差在±17%以内,大部分积液量误差在±11%以内,具有较好的精度。     

基于机载小光斑LiDAR数据插值的亚热带森林丘陵地形的误差分析

以激光雷达(LiDAR)地面点云数据为数据源,将北亚热带天然次生林下的丘陵地形作为研究对象,分析了6种常用局部插值方法生成DEM的全局误差及其与地形因子、地面插值点密度和地表植被状况的相互关系,并借助随机森林方法进行插值误差不确定性制图。研究表明:各插值表面的预测值总体偏低,其最佳输出空间分辨率为2 m; 其中以自然邻近法插值生成的数字地形精度最高且可视化效果最好,而张力样条法的精度最低; 全局误差随坡度增大而逐渐提升,随地面插值点密度提高逐渐降低; 幼龄和中龄天然次生林所在区域地形插值的误差较大而成熟林的误差最大,灌木区全局误差不高但误差变异较大。同时,以LiDAR提取的植被参数与地形插值误差表现了较好的相关性,而归一化植被指数(NDVI)与误差之间的相关不明显,这表明以LiDAR数据提取植被参数在NDVI易饱和地区也可以较好地反映地形插值精度。     

DEM地形描述误差空间结构分析

首先提出ＤＥＭ（ＤｉｇｉｔａｌＥｌｅｖａｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ）地形描述误差的提取方法,通过误差地图以及量化研究方法,揭示ＤＥＭ误差的空间分布规律,试验结果显示：误差地图是实现ＤＥＭ误差可视化的有效方法;ＤＥＭ地形描述误差具有很强的空间自相关性,自相关值随地形复杂度与ＤＥＭ分辨率的改变而有规律的变化。     

高原山区地形对雷暴云地面电场影响规律的数值模拟

为了在高原山区有效利用雷暴临近阶段的地面电场数据实现雷电的精准预警,搭建了典型雷暴云和基本山体模型,并结合高程数据模拟了真实高原山区地形,然后通过有限元方法研究了高原山区地形对雷暴云产生的地面电场分布特点和演变趋势的影响规律。结果表明：基本山体表面的雷暴云电场会发生畸变,畸变程度与山体形态和观测位置有一定关系;真实地形表面的雷暴云电场分布因为地貌的高低不平出现起伏波动,但整体趋势与平坦地面情况下基本一致;雷暴云临近观测点时近地电场的演变过程呈现先大幅上升再小幅下降的规律,但观测点地形特征会影响电场变化幅度。     

应用多劈模型的仪表着陆系统地形评估方法

针对机场起伏地形对仪表着陆系统性能的影响,提出了一种应用地形多劈模型的系统下滑道仿真评估方法.该方法应用一致性几何绕射理论建立仪表着陆系统下滑信标传播的基本模型,采用一种扫描搜索算法对地形多劈模型进行射线寻迹并得到受非理想地形影响所形成的空间复合场,所使用的扫描搜索算法能根据所考虑阶数射线的贡献来分析和评估起伏地形对仪...     

巴姆地震三维形变场获取

基于覆盖巴姆地震的先进合成孔径雷达(advanced synthetic aperture radar,ASAR)数据,使用差分干涉测量(differenti-al interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)方法获取卫星视线向(line of sight,LOS)向同震形变场,针对形变场中存在的失相干和地形误差等问题,分别使用非线性支持向量机方法(support vector regression,SVR)进行失相干恢复;并基于形变场经纬度与数字地形高程模型(digital elevation model,DEM)建立函数模型,去除残余的地形误差,从而获取完整的形变场.使用多种干涉雷达(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术联合的方法获取巴姆地震的三维形变场.结果表明:SVR方法可以较好地恢复失相干区域,而且巴姆地震发震构造是近南北向断层,主要以右旋走滑运动为主.     

运动学效应对登陆台风近地面风场模拟的影响

以2016年超强台风"莫兰蒂"为例,采用天气研究与预报模型(WRF)耦合加利福利亚气象模型(CALMET)的方法,提出了适用于台风条件下的CALMET运动学效应改进方案(KETT)。结果表明,KETT方案可以成功消除CALMET原有运动学效应带来的风场模拟系统性误差,并且10 m高度风速和风向模拟误差比原有方案分别降低10.8%和5.4%。在石蛇山区域,与不采用运动学效应相比,KETT方案10 m高度风速和风向的模拟误差均降低12%以上,能够更准确地反映局地地形对台风近地面精细化风场的影响。     

复杂地形风能评估的CFD方法研究

不可再生能源的日益枯竭为风能的发展带来了机遇与挑战。我国风能资源丰富的东南沿海及岛屿多是复杂山地地形,传统的风能评估方法在复杂地形中并不适用,这使得风力发电机的微观选址难于实施。本文将研究复杂地形中风场分布的CFD精细化模拟方法,使其能为风机的微观选址提供依据。从海拔最高站点的记录中选定了两次风向稳定的强风过程为研究工况,并分别建立了地形的六面体结构网格模型,选用40m×40m和20m×20m两种网格分辨率,采用两种雷诺平均湍流模型,将得到的风场分布同现场观测数据进行了对比。结果表明湍流模型SST k-ε 的结果更准确,20m的水平网格分辨率对复杂地形风场的估计已有较高的精度。最后,联合风加速比分布与当地的常年气象资料,提出一套基于CFD方法的复杂山地地形全风向风能评估方法。     

重力场模型和DEM提高GPS高程转换精度

为了充分利用GPS观测数据中的高程信息,提高山区GPS大地高转换为正常高的精度,利用国内外最新的重力场模型和数字高程模型（DEM）数据,采用移去-拟合-恢复方法进行GPS高程转换,并与三等水准实测高程进行比较,结果表明：在地形起伏较大的山区,利用高精度的地球重力场模型,可将GPS高程转换的精度提高50%左右。地形改正也可以在一定程度上提高GPS高程转换的精度,地形对高程异常的影响与地形起伏程度和拟合点间高差有关。对于几何水准难以施测的山区利用GPS观测信息确定高精度海拔高程有重要意义。     

野外地形电磁环境仿真可视化研究

针对野外地形的电磁环境仿真,提出一种基于野外优势路径电波传播模型的可视化方案,利用野外优势路径模型构建仿真核心,并与Okumura-Hata模型和峰脊衍射模型(knife edge diffraction model)进行仿真对比,证明野外优势路径模型能得到更接近事实的结果。使用ASTER GDEM V002数据构建带有真实高程信息的三维野外地形模型,使用Qt基于项的图形视图技术绘制二维视图,使用OpenGL绘制三角面片的方法构建三维视图。并以黑龙江五常市南部地区为例进行电磁仿真预测,验证方案的可行性。