高效优化非分裂PML边界二阶标量波方程数值模拟方法

卷积完全匹配层（convolution perfectly matched layer,CPML）吸收边界是一种高效处理波动方程数值模拟中人工边界反射波的方法。本文基于传统的一阶系统CPML吸收边界条件推广并推导了新的二阶系统CPML边界条件（NCPML）。与常规二阶系统CPML边界条件不同,新边界条件推导的核心思想是在复数-频率域中忽略部分衰减因子空间变化特性,避免其在时间域产生复杂卷积算子,然后反变换至时间域得到基于CPML吸收条件的二阶标量波方程,并应用于二阶标量波方程数值模拟。均匀介质模型测试验证了NCPML吸收条件在内存使用上相对于常规二阶系统CPML与SPML（split PML）吸收条件更少。在对人工边界反射的吸收效果上,NCPML稍逊色于常规二阶系统CPML,但二者均相对于SPML优势明显。最后通过层状模型和Marmousi模型测试验证了NCPML的稳定性及其在效率上的优势。     

基于LAHARZ的泥石流堆积范围预测模型的建立及应用

为了探究泥石流的堆积范围,利用LAHARZ软件,对北京市密云县泥石流沟喇嘛栅子南沟进行了数值模拟。结合泥石流沟小流域1：10 000数字高程模型图,模拟了泥石流的堆积范围。首先利用中国部分地区泥石流体积和堆积范围的数据资料,获得了泥石流体体积与其堆积范围的新的统计模型B=11.42V^0.7156;然后通过模拟沟道与实际沟道的对比,确定了最佳沟道阈值为15 000;再结合现场调查统计和降雨历史资料,确定了10年、20年、50年和100年一遇暴雨条件的泥石流体积值,分别为56 500、72 900、94 200和113 100 m³;最后在此基础上对该条泥石流沟的堆积范围进行了预测。结果表明,100年一遇的暴雨条件下泥石流堆积面积为48 729 m²,到达最远距离约为490 m,已影响下游村庄。     

基于NAD算法的声波方程时间四阶差分解法

波动方程数值模拟是研究地震波传播机理的重要工具,有限差分求解波动方程是当前地震波数值模拟的主要方法之一。当地下介质中的地震波速度较低或地震波高频成分丰富时,常规有限差分技术常常产生严重的数值频散误差,这种误差会降低数值模拟的精度,影响对地震波传播机理的分析。为压制地震波数值模拟时产生的数值频散误差,提高波场模拟精度,提出了基于NAD算子的时间四阶精度波动方程差分格式。根据对应的差分格式,分析了该差分格式的数值频散关系。与常规四阶精度差分算法的频散曲线相比,基于NAD时间四阶精度差分方法不但能够实现时间频散的有效压制,同时其基于更多网格点的位移分量和位移梯度分量空间微分求解方法还能够实现空间频散的有效压制。另外在相同模型条件下,基于NAD算法的声波方程时间四阶差分解法可采用大网格对模拟空间进行差分离散,减少网格数,提高计算效率。     

南海夏季风爆发的数值预报试验

分析了1986年南海夏季风爆发的环流演变特征,由经向风速剖面图看出,南风首先在中南半岛迅速加强,然后向南海发展,南海夏季风爆发同孟加拉湾低压的发展密切相关。通过地形和非绝热单因子敏感性数值预报试验表明,地形作用和凝结潜热等非绝热作用对南海夏季风的爆发都是很重要的,包含有这两种作用在内的控制试验成功地预报出了南海夏季风爆发的中期演变过程,单独的地形作用或非绝热作用都不能预报出南海夏季风的爆发。     

南海北部不同涡旋对内潮的影响

南海北部吕宋海峡是内潮最为活跃的区域之一,且涡旋种类繁多,不同特性的涡旋对内潮的影响不同。基于近岸与区域海洋共同模式(coastal and regional ocean community model,CROCO),模拟探究理想涡旋存在时,涡旋位置、极性、峰值流速和半径对内潮的影响。结果表明:涡旋位置是影响内潮的直接因素,位于涡旋区域内的内潮是主要影响对象,涡旋中心以西内潮方向变化的角度是以东的3倍。气旋涡和反气旋涡分别使潮能通量的方向向南和向北偏转,最大偏转角度超过12°,当涡旋所致背景流与内潮传播方向一致时,内潮群速度增强,反之减弱。涡旋对内潮的影响范围和幅度随着涡旋的半径和峰值流速的增大而变大。当涡旋峰值速度变大时,反气旋涡心以北的潮能通量增长量超过15 kW/m。当涡旋半径增大时,涡旋峰值速度的位置发生变化,涡旋的峰值流速和半径共同影响潮能通量水平分布结构,使其呈现纬向单峰或多峰结构。     

华北地区"12·7"降雪过程的数值模拟研究

对2001年12月7日一次引发北京交通堵塞的降雪过程成因作了模拟研究.模拟结果显示PSU/NCAR的MM5有可能模拟出此次北方较弱的降雪过程,模拟的降雪量、落区以及持续时间与观测较一致.在成功模拟的基础上,利用模式输出的时空分辨率较高的资料,对此次降雪的发生、发展和水汽输送过程等进行了分析,结果表明:(1)降雪发生前对流层中层先出现饱和,而低层并未饱和,这种弱降雪的产生似乎并不需要中低层有深厚的湿层存在;(2)此次降雪是由对流层中层快速移动的短波槽和近地面出海高压后部的回流共同影响的结果,近地面的高压回流主要对增加低层的湿度有贡献,槽前的西南气流将水汽由南向北输送到华北地区,辐合引起的上升运动又将水汽输送到对流层中上层,槽前的水汽输送和辐合上升是此次降雪过程的触发机制之一;(3)华北地区大气中可降水量达到7 mm以上时,就可能有弱降雪发生,并有可能根据可降水量判断降雪的维持时间;(4)冰相云物理过程对成功地模拟降雪是不可忽视的.     

边界层过程对"98·7"长江流域暴雨预报影响的数值试验研究

通过ETA模式对"98@7"长江流域暴雨过程的数值试验研究,讨论了行星边界层过程对暴雨数值预报的影响,结果表明边界层过程在这次暴雨预报中有重要作用.具体结论为:(1)降水大范围落区是受大尺度流场所决定的,但边界层过程对暴雨预报具有重要的作用;(2)不考虑边界层过程会影响对天气系统的正确预报,包括影响大气低层的运动场、水汽及大气不稳定度,从而影响暴雨的预报;(3)从时间层次上看,由于地表通量有着显著的日变化,边界层过程的作用不仅与暴雨本身发生发展及消亡的阶段有关,也与各阶段的时间(白天或夜间)有联系;(4)在空间范围内,边界层过程对大气的影响是通过大气流场重新分布来影响降水的环境条件,故地表通量分布和低层流场的相互配置作用十分重要.长江南北的情况有所不同,长江流域南侧区是地表通量的大值区,也是长江流域雨区水汽和不稳定能量的源区,它对长江流域的暴雨可能有着更为重要的作用.     

海阳市典型砂质海岸侵蚀机制与防护对策研究

海阳市砂质海岸资源丰富,延绵近120 km,尤以万米沙滩浴场著称,但近年岸滩侵蚀严重影响其社会经济发展.本研究基于海阳市羊角畔两侧长约20 km典型砂质海岸连续3 a的海岸线蚀和典型剖面蚀淤调查,定量化研究海滩侵蚀及其变化,辅以一维数值模型,研究人类活动影响下的泥沙运动特征和海滩侵蚀机制.研究结果表明,调查区42.5％和5.90％的砂质海岸分别处于侵蚀和强侵蚀状态,羊角畔东侧海岸侵蚀强度高于西侧,海阳港至海阳核电厂之间海滩侵蚀强度最高,海滩侵蚀强度与人类活动扰动程度密切相关.海岸工程、临海养殖和人为采砂导致海阳市部分砂质海岸侵蚀严重的主要原因,导致羊角畔两侧海岸侵蚀机制也不同.基于各岸段侵蚀机制特征有针对性地提出退养还滩、凸堤拆除和沙滩喂养等对策,以减缓海阳砂质海岸侵蚀威胁.     

Fully coupled hydraulic fracture simulation using the improved element partition method

The improved element partition method (IEPM) is a newly developed fracture simulation approach. IEPM allows a fracture to run across an element without introducing extra degrees of freedom. It can also simulate any number of fractures in a prescribed mesh without remeshing. In this study, the IEPM is extended to hydraulic fracture simulation. First, the seepage and volumetric storage matrix of a cracked element are derived using virtual nodes (the intersection points of a crack with element edges). Subsequently, the fully coupled hydromechanical equation is derived for this cracked element. To eliminate the extra degrees of freedom (virtual nodal quantities), the water pressure and displacement of the virtual nodes are associated with their adjacent nodes through least squares interpolation. Finally, the fully coupled equation in terms of nodal quantities is obtained. The verification cases validate the method. By using this method, the field-scale hydraulic fracturing process is well simulated. The proposed approach is simple and efficient for field-scale hydraulic fracture simulation.     

Robust numerical implementation of a 3D rate-dependent model for reservoir geomechanical simulations

A 3D elasto-plastic rate-dependent model for rock mechanics is formulated and implemented into a Finite Element (FE) numerical code. The model is based on the approach proposed by Vermeer and Neher (A soft soil model that accounts for creep. In: Proceedings of the International Symposium “Beyond 2000 in Computational Geotechnics,” pages 249-261, 1999). An original strain-driven algorithm with an Inexact Newton iterative scheme is used to compute the state variables for a given strain increment.The model is validated against laboratory measurements, checked on a simplified test case, and used to simulate land subsidence due to groundwater and hydrocarbon production. The numerical results prove computationally effective and robust, thus allowing for the use of the model on real complex geological settings.