泥石流数值模拟软件包类体系的建立及应用

通过泥石流数值模拟的分析,根据面向对象系统设计方法,首先构造模拟类,在此基础上派生出泥石流数值模拟,然后对泥石流数值模拟进行了类体系的分析与划定,按变量类型划分为３个类,即一维、二维、三维类,将模拟方法划分为类函数,进而建立泥石流数值模拟软件包。最后将软件所应用于昆明市川区域区泥石流危险性分区中,对于泥石流的非工程防灾、减灾具有重要的意义。     

沟道泥石流的数值模拟

以二维立面纳维尔－斯托克斯（Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ）方程为基本方程，将沟道泥石流视作为一种宾汉体．对三种不同纵坡情况下的沟道泥石流流场进行了数值模拟，并与相应的野外实验进行了对比，取得了较好的结果．     

青藏高原山地系统动力学数值模拟研究

青藏高原山地系统地壳巨厚，约为正常地壳厚度的两倍，由于第四纪以来高原的急剧隆升而成为全球构造研究的热点，根据山地系统岩石圈运动的主要因素－构造带和断裂带，本文将青藏高原山地系统的地壳演变化简化成一个平面问题和一个典型剖面问题的力学模型，应用变形体模拟构造带，采用摩擦模型模拟断裂带，并根据周边位移情况给出边界条件，应用ABAQUS有限元分析软件和位移加载，变成了青藏高原山地系统岩石圈应力－位移场吻合较好，由此分析和推断了青藏高原山地系统演变的历史和现状。     

针对北极地区典型月份期间的大气数值模拟分析

本文利用极地中尺度数值模式Polar MM5对2005年7月17日～19日, 2007年12月20日～24日北极地区大气环流进行了中尺度数值模拟, 分析比较了北极夏季典型代表月7月间和冬季典型代表月12月间大气特征。数值分析表明,在500hPa高度上,12月和7月极区的大气环流都主要由2个波动控制;夏季的冰岛低压在冬季表现为一个高压系统,并且伸展到格陵兰岛上空。我们选择了2个北极地区探空站与相应温度场和风场的数值模拟结果进行了对比,表明数值模式能够很好地再现观测到得大气分布特征,表现为小的模式偏差和较高的相关系数。夏季7月份期间, Barrow 站2m处空气温度,感热通量和潜热通量具有明显的日变化特征和极地逆温层结垂直结构特征;冬季12月份期间,Barrow 站2m处空气温度,感热通量和潜热通量呈现出反位相变化的特征,虽然各通量峰值远小于夏季时的情形,但是北极所考虑站点下垫面在冬季12月和夏季7月份都是大气的热源和水汽源。     

沙丘动力学数值模拟研究方法综述(Ⅰ):沙丘周围流场模拟

沙丘地貌学包括沙丘形态、组成物质及形成过程等3个方面的研究,野外观测、物理模拟及数值模拟是沙丘形成过程研究的主要方法。目前,随着"3S"技术及计算机技术的发展,沙丘动力学数值模拟方法在沙丘地貌研究中已很活跃。沙丘周围流场变化导致沙丘不同位置气流剪切力的不同,对沙丘形态的塑造起着至关重要的动力控制作用。本文主要介绍了沙丘周围流场动力学数值模拟研究工作所采用的方法及所取得的主要成就。     

沙尘起动初期近地面浓度分布数值模拟研究

对沙尘事件发生初始阶段近地面空间的风沙运动进行了数值模拟研究。考虑固相的剪切黏性、总体黏性、气固相间动量交换、升力等,建立了一个二维气固两相流动数学模型。采用Fluent流体力学软件,进行数值计算。对一组风洞实验数据进行了模拟计算,验证了本模型和计算方法的正确性。研究区域高500 m、长1 000 m。近地层风速廓线采用指数式。沙尘粒度分布用R-R分布;粒径5~150 μm。模拟计算得出近地层内不同风速、沙粒直径的风沙速度及沙尘体积浓度空间分布。结果表明,沙尘起动初期分为发展壮大、回落、稳定3个阶段。沙尘卷起的发展段长度、沙尘卷扬高度及浓度分布曲线形状,均随沙粒和入口风速而明显变化。到达稳定阶段,沙尘浓度沿高度的分布表现为,近地面存在一个均匀的浓度层,即饱和层,其浓度、高度取决于风速和沙粒粒径;饱和层以上沙尘浓度呈指数衰减。     

区域干旱的数值模拟试验

针对土壤干旱,利用大气和土壤耦合模式对干旱过程进行数值模拟研究。在数值模拟方法上,引入美国国家大气研究中心和宾西法尼亚大学联合开发的第四代中尺度区域数预报模式MM4作为与土壤耦合的大气运动模式;将区域中尺度大气运动模式MM4与土壤水传导模式耦合,通过对土壤湿度的连续计算来试验模拟出干旱过程的几个阶段的状态。在大气与土壤耦合的过程中,主要考虑了4个的方面作用:分别是地表水蒸发、蒸腾作用、地表水渗透和地面风场。在进行区域干旱过程模拟试验中,以土壤湿度作为干旱划分指标,针对壤土选取长江中下游地区,1999年8月1日至30日的地面、高空资料进行连续计算。试验分三个阶段:第一阶段为长江中下游地区土壤供水量满足农作物需水量阶段;第二阶段为根系层土壤供水量小于农作物生长需水量阶段;第三阶段为长江中下游地区农作物干旱阶段。在对模拟试验的结果进行了分析后,得到了一些干旱形成过程的初步结论。     

构造应力场数值模拟在哈密凹陷四道沟地区T_2~k储层裂缝预测中的应用

哈密凹陷位于新疆东部三大板块的结合部位,内部构造复杂。本文利用数值分析方法,模拟了凹陷内四道沟构造Tk2层的构造应力场。结果表明:该层古构造应力分布不均匀,可划分出2个应力集中区、1个应力异常区,其余为正常应力区;根据岩石破裂试验以及构造应力模拟计算结果,制定了该区裂缝的定量评价标准;依据该标准,预测评价出该区的裂缝发育的Ⅱ级区1个、Ⅲ级区2个,其余为裂缝不发育区。     

山地绿洲边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V35非静力平衡模式, 采用三重嵌套的降尺度方法, 通过设计理想的地形和山地绿洲, 模拟研究了山地绿洲环流及边界层特征。山地绿洲的地面感热通量和潜热通量与周围沙漠差异较大, 对形成沙漠绿洲环流有明显贡献。在无山地绿洲的情况下, 地形仅对感热通量有影响, 对潜热通量影响不大。山地绿洲可以使绿洲上空的干冷气流通过下沉气流向下层输送, 在山地绿洲上空形成下沉干冷气流的边界层特征, 它可以抑制由地形形成的向上输送的暖湿气流, 改变地形形成的边界层特征。地形引起的环流是低层复合, 高空辐散。绿洲引起的环流是低空辐散, 高空复合。两种环流呈完全相反的情况。山地绿洲的气候效应可以抑制山地地形的气候效应。     

珠江口枯季盐通量数值模拟研究

采用数学模型手段对珠江河口的盐通量进行了计算和分析.该平面二维水流盐度模型范围包括珠江三角洲河网与八大口门在内,计算结果与实测值符合良好,较好地反映了模拟区域盐度场的时空分布特点.结果显示:珠江河口枯季大潮时的总盐通量为1 954×104t,小潮时总盐通量为512×104t,仅为大潮时的26.2％;无论是在大潮还是小潮期间,大虎和官冲的盐通量所占比例最大,说明盐水入侵主要是通过虎门与崖门这两个通道进入;盐通量沿程明显减少,这是盐度、水通量等沿程变化的综合作用.不同类型水体的盐度等值线在枯季大小潮期间的分布     

北极地区海雾数值模拟及其电波衰减研究

北极地区气候恶劣,但提供了北美洲、欧洲北部和亚洲北部国家之间最短交通往来路径,因此具有重要的战略地位。北极航行需要气象、导航、通讯、雷达等方面的保障,北极海雾降低了海上能见度,会使航行船只迷失方向造成搁浅、碰撞等重大事故,并引发大气波导超视距、毫米波严重衰减等电波传播现象。本文根据全球再分析数据,基于适合北极地区的中尺度大气数值模式,通过改进Noah陆面过程方案、长波辐射方案(RRTMG方案)等设置,成功模拟了我国第四次北极考察期间在北冰洋遇见的某次浓雾及其演变发展,并基于米氏(Mie)散射和瑞利(Rayleigh)散射理论评估了其对毫米波和远红外波段上的单位距离衰减值。对于毫米波段两代表频率(频段高低端100 GHz和30 GHz),在频率30 GHz,单位距离衰减值随海雾含水量增大逐渐增大,但变化平缓;在频率100 GHz,单位距离衰减值随海雾含水量增大迅速增大。对于红外波段两代表波长(波段高低端0.1 cm和50μm),在波长0.1 cm,单位距离衰减值随海雾含水量逐渐增大但变化平缓;在波长50μm,衰减值随海雾含水量增大迅速增大,单位距离衰减值可迅速增大到几百dB·km     

起沙系数对沙尘数值模拟影响的研究

通过综合考虑地表条件,如土地利用、土壤类型、植被覆盖与土壤湿度等,定义了起沙系数,用于改进沙尘数值预报模式中的起沙通量,为沙尘数值预报模式提供客观准确的地面起沙条件,提高了沙尘天气分布预报的准确率\.起沙风系数的引入能够对沙尘数值模拟产生较大的影响,若起沙系数中应用较高精度的土壤水分资料与土壤类型,将能更准确地反映起沙系数的作用。     

地面加热对沙尘暴数值模拟结果的影响研究

利用沙尘数值预报模式并针对2002年3月18—20日典型沙尘暴过程,模拟研究了地面热通量对沙尘暴的影响及其机制。结果发现,沙尘天气数值预报模式较准确地模拟了本次沙尘暴过程。模式对白天地面加热强度和夜间地面冷却强度均有一定程度的高估。地面热通量能够使沙尘暴明显增强,同时也通过导致地面风速、层结稳定度、地面摩擦速度产生明显的日变化,进而导致沙尘暴强度的日变化。地面热通量影响地面风速的方式是导致混合层形成,从而有利于产生高空动量下传。另外,沙尘暴发生时地面热通量主要影响地面和行星边界层中的天气要素,随时间推移地面热通量能够持续影响上升运动强度,且这一影响从边界层逐渐向上扩展到自由大气,并达到500 hPa以上。     

强夯加固砂土软土地基的数值模拟

目前强夯法加固地基仍处于经验阶段,强夯理论和施工设计方法还不完善。本文通过上海浦东国际机场场道工程地基的强夯数值模拟,阐述了强夯加固砂土软土地基的动应力、位移、孔隙水压力等变化特征,并与试验区实测值进行了对比,确定强夯试验区的影响深度和夯点间距等强夯参数。     

阿克苏地区陆面蒸发的数值研究

本文的试验地区——塔里木盆地阿克苏地区气候干旱,雨量稀少。本文详细地介绍了在土壤湿润不足情况下蒸发的计算方法,但由于人工灌溉的原因使试验地区的地下水位上升到1.5m至2m,故对小麦地的蒸散研究,找们不能完全采用干旱情况下的蒸发公式来处理,本文采用大气湍流边界层阻力的空气动力学方法来计算,并通过与波文比方法的比较,给出了小麦地总蒸散的时变化状况。同时利用土壤分层模式,给出了土壤表层与深层的体积含水量的模拟结果,并与实测值进行了比较,发现二者是基本一致的。     

太湖风生流三维数值模拟试验

本文建立了一个适合太湖的三维水动力学模式，考虑太湖局地风场的影响，模拟了太湖的风生流，模拟结果和二维模式的计算结果相比，流速值较符合实际。另外，研究了太湖地形因子对太湖环流的影响，指出洞庭西山和洞庭东山间狭长的过道区是产生太湖大范围环流的重要原因。为了研究太湖中藻类的治理和富集问题，对不同风向作用下太湖的散度场进行了分析计算，对太湖的梅梁湾和贡湖地区进行分析，结果可归纳为三类：（１）辐合型（对应Ｓ、ＳＷ风）；（２）辐散型（对应Ｎ、ＮＥ风）；（３）并存型（对应Ｗ、ＮＷ、Ｅ、ＳＥ风）。     

天津市夜间城市热岛的数值模拟

本文基于Myrap等人的工作,提出了一个能量平衡模式,并用实测的天津市夜间近地面温度场对模式进行了验证.应用这个模式,可给出天津市近地面热岛的适当预报,同时,可对天津市夜间城市热岛中各能量通量的空间变化进行讨论.     

风成沙纹数值模拟研究述评

风成沙纹的数值模拟研究已取得了不少进展，但各家所采用的模拟方法及模拟结果存在不少差异。笔者从模型构建，边界条件和初始条件的确定，算法设计以及模拟结果等方面对目前具代表性的六家沙纹数值模拟方法逐一进行了详细评述，最后提出了沙纹数值模拟研究的发展趋势。     

西藏古乡沟泥石流的数值模拟

泥石流运动数值模拟是确定泥石流泛滥范围、进行危险性分区、辅助减灾工程设计与检验的重要方法。以西藏波密古乡沟为实例,从泥石流的二维运动方程出发,使用一种新的数值方法对古乡沟50a一遇泥石流在堆积扇上的运动过程进行了数值模拟,获得了其最大流速、流深、动量和动能的空间分布,并据此确定了受泥石流危害较小的川藏公路穿越堆积扇方案。将泥石流数值模拟结果与游勇等1997年做的模型试验结果进行了比较,具有较好的相似性。