Coupled three-dimensional discrete element–finite difference simulation of dynamic compaction

Discrete element method has been widely adopted to simulate processes that are challenging to continuum-based approaches. However, its computational efficiency can be greatly compromised when large number of particles are required to model regions of less interest to researchers. Due to this, the application of DEM to boundary value problems has been limited. This paper introduces a three-dimensional discrete element–finite difference coupling method, in which the discrete–continuum interactions are modeled in local coordinate systems where the force and displacement compatibilities between the coupled subdomains are considered. The method is validated using a model dynamic compaction test on sand. The comparison between the numerical and physical test results shows that the coupling method can effectively simulate the dynamic compaction process. The responses of the DEM model show that dynamic stress propagation (compaction mechanism) and tamper penetration (bearing capacity mechanism) play very different roles in soil deformations. Under impact loading, the soil undergoes a transient weakening process induced by dynamic stress propagation, which makes the soil easier to densify under bearing capacity mechanism. The distribution of tamping energy between the two mechanisms can influence the compaction efficiency, and allocating higher compaction energy to bearing capacity mechanism could improve the efficiency of dynamic compaction.

     

EFFECTS OF SPRING SOIL MOISTURE IN THE INDOCHINA PENINSULA ON SUMMER PRECIPITATION OVER THE SOUTH CHINA SEA AND ITS SURROUNDING AREAS: A SIMULATION STUDY FOR 1999

Using the regional climate model RegCM4.4.5, coupled with the land model CLM4.5, we investigated the effects of springtime soil moisture in the Indochina Peninsula on summer precipitation over the South China Sea and its surrounding areas in 1999. Results have indicated that there exists positive correlation between soil moisture and summer precipitation over the western Pacific Ocean and negative correlation between soil moisture and summer precipitation over the eastern Indian Ocean. Summer precipitation in the South China Sea and its surrounding areas responds to springtime soil moisture in the Indochina Peninsula (the northwest region is critical) because general atmospheric circulation is sensitive to the near-surface thermodynamic state. Increased (decreased) soil moisture would result in decreased (increased) local surface temperatures. Latitudinal, small-scale land–sea thermal differences would then result in northeasterly wind (southwesterly wind) anomalies in the upper layer and southwesterly wind (northeasterly wind) anomalies in the lower layer, which strengthen (weaken) monsoon development. As a result, precipitation would enter the Western Pacific region earlier (later), and water vapor over the eastern Indian Ocean would enter the South China Sea earlier (later), causing a precipitation reduction (increase) in the eastern Indian Ocean and increase (reduction) in the Western Pacific.     

两个相似路径台风残余造成局地特大暴雨的成因机制和能量收支对比分析

本文利用ERA-Interim 0.5°×0.5°再分析资料、自动站小时和分钟加密资料、风云2G（FY-2G）卫星红外云图及多普勒雷达和风廓线雷达资料对2015年路径高度相似的“苏迪罗”和“杜鹃”台风在浙江沿海引发的局地特大暴雨进行对比分析。这两次降水过程都是在台风减弱为热带低压甚至残压并深入内陆远离浙江沿海后发生的。结果表明,“苏迪罗”降水过程是由低层强东南和偏南急流长时间辐合加上有利地形共同作用导致的;经向环流背景下来自季风持续的水汽输送有利于“苏迪罗”维持较长的生命史和稳定的降水。“杜鹃”残压特大暴雨的触发系统则是高纬地面冷高压底部的东东北出流南下与“杜鹃”北象限的东东南风交汇形成的中尺度倒槽;纬向环流和强盛副热带高压造成的弱引导气流及夏季风南撤和低涡卷挟造成的水汽通道断裂是“杜鹃”登陆后快速减弱为残压和降水维持时间较短的原因。两次台风降水过程中均无外部动能输送和来自有效位能的动能转换。动能收支的主要影响因子为中低层局地次网格运动间的能量转换、旋转风和散度风效应及下垫面的摩擦耗散。所以,虽然“杜鹃”的对流有效位能很小,但仍可造成强对流和特大暴雨。此外,降水过程中释放的凝结潜热造成的局地非绝热加热使气柱中显热能大量累积,促使地面中小尺度涡旋和倒槽不断加深,造成降水的增幅。     

青藏高原中东部夏季极端降水年代际变化特征

基于中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集得到的均一化降水序列,计算了夏季极端降水指数,分析青藏高原中东部1961—2014年夏季极端降水年代际变化趋势。结果表明:青藏高原中东部地区夏季降水量占全年总降水的50%以上,且夏季降水的变化趋势存在区域性差异,北部站点主要为增加趋势,南部增加和减少趋势的站点相当。夏季极端降水除西藏东部主要为减少趋势外,其他地区主要为增加趋势,且极强降水量的年代际变化趋势显著。大部分夏季极端降水指数的变化趋势在1970s发生转折,在此之前表现为减少的趋势,之后为增加趋势。通过Mann-Kendall趋势检验,在2000年之后强降水量和极强降水量出现突变。     

一次强飑线过程极端大风的中尺度分析

利用常规气象观测资料、区域自动气象站加密观测资料和GFS 0.25°×0.25°逐6 h的分析场数据以及多普勒雷达、风廓线等资料,通过背景形势场分析、物理量诊断分析和中尺度分析,对2018年3月4日发生在华东地区的强飑线天气过程进行了诊断分析。结果表明,这次过程具有发生时间(季节)早、移速快、范围广、致灾强等特点,是一次比较少见的早春(冬末)十分强烈的飑线天气过程,是在高空急流辐散区、低空西南急流轴前端、低涡南侧的暖区中发展起来的。飑线过程的地面要素变化十分剧烈,地面有强冷池,与飑线前暖空气之间构成了强的水平温度梯度,致使飑线强度更强;飑线经过时气压涌升所形成的雷暴高压、强气压梯度以及飑线的快速移动均有利于地面极端大风的出现。飑线发展过程中观测到弓形回波、超级单体等强天气系统。中高层动量下传和光滑湖面、喇叭口、狭管效应等特殊地形对于大风的增强效应比较显著,这些因素也加剧了地面极端大风的形成。      

春季对流层温度的季内和季节以上分量对南海夏季风爆发的年代际变化的相对影响

南海夏季风爆发时间在1993/1994年出现显著的年代际提早, 探讨了大气要素场的不同时间尺度分量季节演变的年代际变异对南海夏季风爆发时间的年代际变异的相对影响作用。南海夏季风爆发时间的年代际提早与南海季风区对流层经向温度梯度季节性逆转的年代际提早有密切联系。南海季风区5月中对流层经向温度梯度年代际增强主要由季风区北部温度的年代际显著增暖造成。季内分量和季节以上分量对1993年之前南海季风区经向温度梯度逆转及加强时间偏晚的作用同等重要。经向温度梯度距平的季节以上分量主要源于季风区北部温度相应分量的贡献, 而季节内分量则主要由南部相应分量影响所致, 并由25~90 d分量所主导。季节以上分量对1994年之后南海季风区经向温度梯度逆转及加强时间偏早的贡献要大于季节内分量的贡献。经向温度梯度距平的季节以上分量和季内分量对总距平的正贡献都主要来自于季风区北部温度相应分量。两种季内低频分量对温度梯度季内分量的贡献率相当, 10~25 d分量主要由南海北部温度相应分量所主导, 25~90 d分量对总距平的正贡献也源自北部分量。准双周振荡分量对各年代南海夏季风爆发具有明显的触发作用。      

中国主要江河径流变化成因定量分析

变化环境下中国主要江河实测径流量发生了较为明显的变化，科学理清径流变化原因是流域水资源评价和管理的重要基础工作。基于中国七大江河代表性水文站1956—2018年的实测径流量资料，诊断了变化环境下水文序列的变异性特征；采用水文模拟途径，定量评估了不同驱动要素对径流变化的影响。结果表明：①淮河、长江和珠江实测径流量变异性特征不明显，相比而言，北方主要江河实测年径流量系列存在较为明显的突变性，但最显著的变异点发生时间存在差异，变异前后降水径流关系发生较大变化。② RCCC-WBM模型能够较好模拟中国南方湿润区和北方干旱区江河天然径流量过程，该模型可以用来还原人类活动影响期间的天然径流量。③总体来看，人类活动对中国北方江河径流量的影响大于气候变化的影响，气候变化是中国淮河及其以南江河径流变化的主要原因。     

国家气象中心数值预报业务的进展

在最近的１５年中，国家气象中心的数值预报业务高速度发展，预报模式从北半球模式发展为全球谱模式，并配套建立了资料同化系统和用于降水预报的有限区预报模式，暴雨和台风预报模式正在研制中。目前数值预报时效已延至７天，Ｔ６３９３丙上时的预报水平已优于的数值预报产品的应用技术在不断改进，最高（低）气温下两天ＭＯＳ预报精度已接近预报员制作的综合预报结果。     

西南三省山地剖面气象资料管理服务系统

利用云、贵、川三省主要山系哀牢山、大娄山、大巴山的２５个山地剖面气候站点，自１９８７－２１－１９９０．２－２８，１９个气象要素的逐日观测资料，首次建立了西南三省山地剖面气象资料管理服务系统。系统具有资料管理、气候统计分析、资料比较等功能，适于科研、气候资料业务管理应用．