台风风场研究及其数值模拟

对近年来台风风场研究及其数值模拟方法作了论述.阐述了浮标和地面台站观测、飞机侦察、雷达卫星高空观测等台风观测手段;阐明了简易参数分析模型、定常动力学模型、非定常动力学模型、运动学模型等台风风场模型;分析了既有风场模型对我国东南、华南沿海海域台风风场模拟的适用性,又论述了基于台风内各站点、基于台风影响区域、台风全路径等极值风速预测研究手段.最后,展望了台风风场数值模拟的发展趋势和需解决的问题.     

基于强风圈半径的台风风场模型

首先用Jelesnianski台风风场模型及美国联合台风警报中心(JTWC)整编的台风资料,计算10级和7级风圈半径,并与气象部门的发布值相比,发现两者存在较大误差.进而,在Jelesnianski台风风场模型的基础上,提出一种基于最大风速半径、10级和7级风圈半径的台风风场模型,并比较两种台风风场模型的风速剖面.结果表明:该模型比包括被广泛应用的Jelesnianski台风风场模型在内的前人提出的台风风场模型都更接近台风风场实况,其中10级和7级风圈半径与气象部门的发布值是一致的.     

1307号台风“苏力”台风浪数值模拟

以T639预报风场驱动目前国际先进的第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-III),对发生在2013年7月中旬的1307号台风"苏力"所致的海浪场进行数值模拟,并利用来自台湾岛、朝鲜半岛、日本的浮标观测资料,验证模拟台风浪场的有效性,进而对台风浪的结构特征进行分析,以期为台风浪场的数值预报、防灾减灾等提供科学依据.结果表明:1)以T639预报风场驱动WW3海浪模式,模拟的台风浪场较好地刻画了台风"苏力"的结构特征;2)与浮标观测资料对比发现,模拟有效波高整体上具有较高精度,与观测值在曲线走势上保持了较好的一致性,在数值上稍大于观测值;3)澎湖浮标站处的模拟有效波高与观测值出现较大差异,这应该与台湾海峡的复杂地形、T639预报风场在台湾海峡的准确度有关;4)台风海浪场与海表风场表现出较好的一致性,台风位于大洋时,高值中心的有效波高可达13m以上,台风逼近福建沿海时,带来了11m左右的巨浪.     

单山和双山风场特征的CFD数值模拟

采用CFD模拟方法研究单山和双山情况下三维山丘风场,研究计算模型表面粗糙度对风场的影响,计算不同坡度山体情况下单山的风场,进行两个山体左右排列情况的风场计算,分析坡度、风向角、间距对双山风场的影响.研究表明:山体的计算模型表面粗糙度增大时,山顶上方半山高度的加速效应减弱,山后尾流区的高度增加;山体横风切面的加速效应大于顺风切面,横风切面内半山以上的位置均为风速最大值区域;左右双山紧贴排列情况下,风斜吹时前山山顶的加速比大于后山山顶,风直吹的数据在两者中间.     

山地风速地形修正系数沿山坡的详细插值分布

为研究山地风速地形修正系数η沿各向山坡的详细分布,对两座缩尺比为1∶300的具有不同坡度的余弦型单体山峰模型进行了风洞试验,获得了η沿迎、背、侧风坡面的详细分布.采用CFD软件Fluent建立数值模型,并将其计算结果与风洞试验结果进行对比,验证了数值模型的正确性.对具有不同高度(H=90~500m),不同坡度(tanα=0.13~0.5)和不同形状(余弦型、高斯型、抛物线型)的山体进行了数值模拟,拟合了山坡任意位置的η值建议计算公式,并与各国规范进行对比.结果表明,相对于现有水平向线性插值模型,根据山脚和山顶的η值,以计算点距山脚点的垂直距离h为自变量的竖向线性插值模型更能安全、合理、简便地估计山坡任意点的η值.侧风坡面的加速效应对于η取值起控制作用;侧风坡脚的η值可相对于迎、背风坡脚分别大61.89%和94.09%,最大可达1.2.     

重力波波包在水平风场中非线性传播的数值模拟--Ⅱ.水平风场为非均匀风场

采用全隐欧拉格式(FICE)对重力波波包在非均匀风场中的三维非线性传播进行了数值模拟,给出了波包在三维空间中非线性传播的过程．分析了重力波的传播特性及风场对重力波传播的影响．计算结果表明：波振幅随高度的增加而增长．但比线性条件下的指数增长要慢;重力波在剪切风场中非线性传播时垂直波长随高度的增加而减小。     

美若仙境的帕卢斯

<正>美国华盛顿州东部的帕卢斯地区幅员辽阔,其中起伏的丘陵和多彩的麦田景观被认为是地质演化的结果。在春回大地的晚春和万物生长的夏季,这里呈现出绿影变幻的汪洋绿海。秋天则是铺天盖地的金色麦浪,远远看去就像一座座金色的沙丘。到了万物萧瑟的冬天和早春,大地又还原为红棕色。     

苏门答腊附近大气准双周振荡的可能维持机制

海洋大陆上空常年有对流存在, 特别是苏门答腊地区, 由于地形对气流的阻挡, 形成很强的对流中心[1]. 很多学者指出, 亚洲季风区对流首先在中南半岛上空活跃是冬季位于苏门答腊的热带对流沿大陆桥移动的结果[2~5], 强调了苏门答腊地区的对流活动在亚洲夏季风建立中的重要性. 自从在热带地区发现低频振荡[6]后, 研究表明热带大气低频活动有准双周QBWO (Quasi-Biweekly Oscillation)和准40 d MJO (Madden-Julian Oscillation)两个主要频带, 其中 QBWO在夏季风的建立过程中起到了主要作用[7~11]. 但目前对QBWO的认识并不如MJO那样深入, 特别是对其维持机制的认识. 本文利用气候平均(1980~ 2001年)TBB和NCEP/NCAR逐日再分析资料, 分析了季节转换时期(3~5月)苏门答腊附近对流QBWO及与热带印度洋低层环流的关系, 并对QBWO的可能维持机制进行讨论. .........     

坡度对三维山丘风场特性及绕流机理分析

为研究坡度对山丘地形风场特性的影响,采用基于空间平均的大涡模拟方法进行了非定常绕流数值模拟研究。首先,通过与试验结果的对比,验证了模拟方法及参数的有效性;然后,研究了15°、21.8°、30°和45°四种坡度对山丘的近地绕流平均和脉动风速场的影响,着重从时均和瞬态流场角度进行了影响机理分析;最后,分析了坡度对地形加速效应的影响,并与不同国家规范结果进行了对比。结果表明：大涡模拟方法可以较有效地模拟不同坡度山丘的平均和脉动风速特性;不同坡度山丘迎风面处的平均和脉动风速场的变化规律基本一致,差异主要在山顶和背风面处。在山顶位置,随着坡度的增加,脉动风逐渐增大,以坡度30°为界,山顶处的流向平均风速呈现先减小后增大的趋势,背风面流动分离点逐渐向下游移动,引起涡旋中心位置逐渐向下游移动且远离山丘壁面。在背风面山腰近壁区,以坡度30°为界,当坡度较低时,随着坡度增大旋涡尺度不断增大,旋涡尾迹变宽,能量逐渐集中,流向平均风速逐渐减小,脉动风速逐渐增大;坡度大于该值时变化趋势则相反。不同坡度的地形加速效应趋势基本类似,主要差异在近壁区,结合各国规范本文给出了不同坡度地形加速效应的最大值曲线。     

基于有限元的大叶杨树叶运动模拟

对风场中树木的动态模拟研究,大多数都忽略了树叶的运动,最多也只是描述了其运动形式。采用有限元方法来分析其真实物理运动形态,提出了使用有限元中壳体分析方法来研究大叶杨叶面结构。计算和模拟了其三种运动状态,从而得到一片树叶真实的物理运动过程。同时提出以簇为单位分析一段树枝上树叶的整体运动,这样能够简化计算,又不失真实地反映其运动过程。