One‐dimensional and two‐dimensional hydrodynamic modeling derived flow properties: impacts on aquatic habitat quality predictions

Studies of the effects of hydrodynamic model dimensionality on simulated flow properties and derived quantities such as aquatic habitat quality are limited. It is important to close this knowledge gap especially now that entire river networks can be mapped at the microhabitat scale due to the advent of point‐cloud techniques. This study compares flow properties, such as depth and velocity, and aquatic habitat quality predicted from pseudo‐2D and fully 2D hydrodynamic modeling. The models are supported by high‐resolution, point‐cloud derived bathymetries, from which close‐spaced cross‐sections were extracted for the 1D modeling, of three morphologically and hydraulically different river systems. These systems range from small low‐gradient meandering pool–riffle to large steep confined plane‐bed rivers. We test the effects of 1D and 2D models on predicted hydraulic variables at cross‐sections and over the full bathymetry to quantify the differences due to model dimensionality and those from interpolation. Results show that streambed features, whose size is smaller than cross‐sectional spacing, chiefly determine the different results of 1D and 2D modeling whereas flow discharge, stream size, morphological complexity and model grid sizes have secondary effects on flow properties and habitat quality for a given species and life stage predicted from 1D and 2D modeling. In general, the differences in hydraulic variables are larger in the bathymetric than in the cross‐sectional analysis, which suggests that some errors are introduced from interpolation of spatially disaggregated simulated variables with a 1D model, instead of model dimensionality 1D or 2D. Flow property differences are larger for velocity than for water surface elevation and depth. Differences in weighted usable area (WUA) derived from 1D and 2D modeling are relatively small for low‐gradient meandering pool–riffle systems, but the differences in the spatial distribution of microhabitats can be considerable although clusters of same habitat quality are spatially comparable. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

潮间带地形测量的新途径

潮间带,特别是宽阔的浅滩或淤泥滩地带是海洋测绘中的困难地带。本文提出用ＤＧＰＳ定位结合杆测水深的地形测量方法,代替常规水深地形测量方法,使潮间带水深地形测量变得越来越简便快速。     

三峡水库蓄水运用以来长江中下游沙量平衡分析

以三峡工程为核心的梯级水库群联合调度运用显著改变水沙条件,坝下游河段出现长时间、长距离的冲淤调整,长江中下游沙量平衡分析是合理评估水库群修建对河道影响的重要依据,是河湖管理与保护的关键支撑.本文基于长时间序列原型观测资料,采用沙量平衡法分析长江中下游不同时空尺度泥沙沿程恢复特征,对比断面地形法计算结果,结合河道空间区域性特征,从临底悬沙测验误差、断面代表性及断面间距、河道采砂等多角度深入揭示两种方法计算冲淤量产生差异的主要原因.结果表明:(1)2003-2018年宜昌至大通河段冲刷泥沙10.76亿t,其中粒径d<0.125 mm的泥沙冲刷量占比达90.9%.以螺山为界,宜昌至螺山段"粗细均冲",螺山至大通河段则"细冲粗淤";(2)宜昌至大通河段2003-2018年沙量平衡法与断面地形法计算冲淤量相对偏差为71%,从沿程差异分布来看,距离三峡大坝坝址较近的宜昌至沙市河段两方法计算绝对差值较小,而沙市至大通河段差值较大,占宜昌至大通全河段绝对偏差的近86%;(3)宜昌至沙市河段河道采砂量占实测河床冲刷量的比例约为20%,临底悬沙对输沙量的改正比例为13.2%~26.7%(平均约为20%),修正后,沙量平衡法、断面地形法计算结果吻合相对较好;沙市至大通河段泥沙测验、固定断面布设、河道采砂等是导致沙量平衡法与断面地形法出现差异的主要原因.     

基于地形图与知识规则的土地利用信息提取

在土地利用变化及相关研究中,地形图已成为重要的信息源。本文以1∶100000地形图为基础信息源,根据地图制图原理并结合专家知识与规则,进行了没有影像时期的土地利用信息提取的尝试。并选取典型区,以系列影像数据作为背景数据,以耕地为例,将提取结果与同期统计数据及所推算的影像数据进行了对比分析和精度的验证。如以推算的影像数据为标准,则验证误差<5%。研究表明,按照一定的知识规则,基于地形图进行历史时期土地利用信息重建是可行的,完全可以满足相同比例尺及较小比例尺上土地利用制图及分析的需要。     

棕版地形图上等高线的自动提取和批量赋值

地形等高线在地学研究中有重要意义,地形图上等高线的自动提取和赋值是地理信息系统中的一个重要课题。本文引入图像分割技术,将全要素棕版地形图尺度分割生成图斑后,再通过在红、绿、蓝各波段上设置平均属性范围,对地形等高线进行了自动提取。借助图像处理技术对不同类型的等高线断点进行了连接。通过编写程序对获取的地形等高线进行交互批量赋值,最终较好地解决了等高线提取中的间断、交叉和粘连等问题。     

北京地区夏季边界层急流的基本特征及形成机理研究

首先指出了北京地区夏季边界层急流的基本特征, 即北京地区边界层急流一般出现在白天高温背景下或发生局地暴雨的夜间, 强度存在明显的日变化, 垂直分布具有明显的"鼻状"结构特征, 急流核高度一般为600～900 m.从中尺度扰动方程出发, 并通过天气过程演变实例, 研究了地形热力作用、局地强降水在边界层急流形成过程中的作用, 指出: (1)夏季高温背景下, 平原与山区之间温度梯度方向、强度的变化, 是造成低空风垂直切变加速或减速, 即边界层急流形成或消失的直接原因, 因此这种边界层急流的高度一般要低于山体的高度.(2)局地暴雨与边界层急流之间存在明显的正反馈现象: 由于局地暴雨同时改变了对流层中层和近地面层气温的水平分布, 这种热力强迫作用造成了边界层气流加速; 反过来, 边界层气流的加速又加强了急流前方的风速辐合--如果急流方向水平垂直于山坡, 这种迎风坡上的辐合将更强, 造成局地降水强度进一步增强.     

全球季风槽

根据先前的研究总结出,全球有22个地形槽,其中只有3个行星尺度的季风槽和6个半岛尺度的季风槽。全球季风系统是由行星尺度季风槽和半岛尺度季风槽组成的。活动于热带北太平洋、热带北大西洋和热带南印度洋的赤道辐合带是太阳辐射随季节强迫下位置发生变化的行星尺度季风槽。半岛尺度季风槽起源于区域海陆地形和随季节变化的海陆热力对比和干湿(降水)转换。在北半球夏季,亚洲-西北太平洋地区受到4个半岛尺度季风槽和1个行星尺度季风槽的影响。其他2个半岛尺度的季风槽位于南非和印度尼西亚-西澳大利亚地区。     

2016年北京地区一次雷暴大风的观测研究

利用常规气象观测资料、风廓线资料、北京观象台多普勒天气雷达产品、多普勒雷达变分同化分析系统（VDRAS）的反演资料和地面自动气象站客观分析资料,对2016年7月27日北京地区出现的一次雷暴大风天气的环境条件特征、风暴结构特征及演变机制进行了分析。结果显示：本次雷暴大风天气过程出现在弱天气尺度强迫环境中,较好的热力不稳定增强机制促使线状对流发展为弓形回波,形成雷暴大风天气。探空曲线中低层接近于干绝热的环境温度直减率和下沉对流有效位能突增等现象,对预报大风天气有较好的指示意义。上游雷暴的冷池出流与山前偏南暖湿气流在北京西部形成了明显的风向辐合,在强烈的扰动温度梯度和地形抬升的共同作用下,位于地面辐合抬升最强处触发新生单体并迅速发展。新生单体与风暴主体合并下山过程中,由于地形作用抬升了冷池出流高度,与平原地区偏南暖湿气流形成显著的不稳定层结,产生显著的扰动温度梯度,触发不稳定能量使雷暴在下山过程中强度增强。多普勒雷达产品上也表现为强的反射率因子核,并出现回波悬垂和有界弱回波区等特征,速度产品上可看到一对明显的端点涡旋。在冷池不断加强和端点涡旋对后入气流不断加速的共同作用下,后侧入流气流加强成为后侧入流急流,在低仰角速度产品上表现为显著的大风区。后侧入流气流将环境中的干冷空气夹卷进入云体,通过蒸发作用产生负浮力,使冷空气加速下沉,加之降水粒子的拖曳作用,最终造成剧烈的地面大风。     

海岸带修复地形变形监测探讨——以北海市廉州湾东岸整治修复为例

为了解廉州湾东岸海滩修复前后海岸地形的变化规律,本文以分析沙滩测量特性为前提,对修复沙滩特定剖面进行变形监测;并运用高程-距离绘制剖面图,同时对潮下带进行水下地形测量;应用GIS建立DEM,对比等高线,还重点分析了台风对沙滩地形的影响。结果表明,修复沙滩经过2年的时间,海岸线向陆域方向移动,滩肩变窄;0 m等高线向海方向移动20 m,-0.5 m等高线向海方向移动30 m;台风对沙滩的侵蚀是直接性的,且形成垂直断面;台风过后经历0.5年时间沙滩基本处于平衡状态。     

地形图的确定性与不确定性

地形图是地球科学研究中的基础资料。本文阐述了地形图上等高线、线性要素、面积要素的确定性与不确定性,即除非比例尺为1∶1,否则等高线并不真正具有“等高线上点的高度相等”的意义,这一不确定性特征,这种不确定性随着比例尺、地貌类型等的变化而变化。线性要素、面积要素的确定性与不确定性问题与之类似。