下边界条件为水位流量关系的扩散波洪水演算方法研究

经大量的理论分析和实际洪水演算表明 ,扩散波可较好地反映洪水波的运动特点。本文基于河道下断面的水位流量关系和连续方程的联立求解 ,导出了水位流量关系型的下边界条件。利用Laplace变换 ,得到了扩散波方程在该边界条件下的解析解。文中的求解过程表明 ,可利用该法进行洪水演算 ,关键在于如何与实际洪水结合 ,这个问题有待进一步地分析研究。

下边界条件对北极涛动影响的数值模拟研究

利用NCAR大气模式CAM3.0探讨了包括山脉和海陆分布等下边界条件对北极涛动(AO)或北半球环状模(NAM)形成的影响。主要进行了控制试验和两个地形敏感性数值试验,对比了控制试验结果与资料分析结果。控制试验和NCEP/NCAR资料分析结果对比指出,CAM3.0模式能够较好地模拟出AO的水平环状结构和垂直相当正压结构。在去除山脉的敏感性试验中发现,AO中纬度北太平洋和北大西洋两个活动中心的强度、范围和位置发生变化。在水球敏感性试验中发现,AO两个大洋上的活动中心被环绕极地主活动中心的环状结构代替。两个敏感性试验共同表明,AO是大气内部某种过程作用的结果,它的存在本身不取决于下边界条件的改变。山脉和海陆分布主要影响的是AO的具体形态。通过控制试验和两个敏感性试验对比,又分析了准定常波和瞬变波对AO的影响。去除山脉和海陆分布热力差异共同强迫的准定常波,AO纬向平均纬向风高纬地区平流层异常最大值活动中心消失,这表明在平流层准定常波和纬向平均流的相互作用与AO活动关系密切。在只有对流层瞬变波作用时,AO仍然存在,表明准定常波不是AO存在的必要条件。平流层准定常波与平均流的相互作用和对流层瞬变波与平均流的相互作用与AO形成之间的具体关系有待通过E-P通量诊断进一步确定。

下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响

在气候变暖背景下,北半球多年冻土呈现不同程度的退化趋势,冻土升温、活动层增厚、地下冰消融改变了区域工程地质条件、地形地貌,不仅对寒区环境和工程稳定性造成潜在的威胁,还影响着这些地区的气候、水文和生态过程。因此,准确评估和预估多年冻土热状况的变化具有重要科学和实践意义。现有用于模拟多年冻土热状况的各类模式重点考虑了近地表温度场变化对多年冻土的影响,主要集中于对气温和浅表层物理过程和参数化方案等改进和优化,而对于下边界条件设置对多年冻土热状况模拟的影响少有讨论。基于一维热传导冻土模型,以五道梁地区的多年冻土为研究对象,通过设置不同的下边界方案进行模拟实验,定量评估百年尺度气候变化下不同下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响。结果表明:近地表层(<3m)的温度场完全由年际气候变化决定,浅层(3~15m)及中层(15~30m)的多年冻土温度场受下边界条件的影响逐渐显著,深层(>30m)的地温对百年尺度气候变化的响应不仅与气候变化的幅度有关,还与多年冻土相变热的多少有直接的关系。下边界条件不恰当的设置方式会对大尺度的气候变化下多年冻土消融程度的计算造成较大的影响,进而可能对深层地温乃至多年冻土区面积变化造成严重的误判。因此,开展百年尺度多年冻土温度场变化模拟时,应采用深层或多年冻土底板以下融土层的稳定地热流作为下边界条件。

大通至徐六泾一维水沙数值模拟的下边界问题研究

在仅有进口来水来沙过程而缺乏配套的出口潮位和含沙量情况下,下边界的确定是实施感潮河段水沙数值模拟的难点之一。针对该问题,以长江口徐六泾断面为例,采用理论分析与观测资料统计相结合,提出了简捷的下边界处理模式。结果表明:在徐六泾断面附近,径流和潮汐对潮位的影响可线性迭加,据此可建立潮位的经验计算模式;根据断面含沙量变化由时间所主导的特点简化悬沙输移方程,可导出下边界海向来沙计算模式。将下边界的概化计算处理模式纳入大通至徐六泾一维水沙数学模型,计算的下边界逐时潮位误差绝对值小于0.3 m的占比达72.3%,计算的逐时输沙率与实测值之间决定系数达0.83,河段内沿程潮位和输沙量也能取得较满意的模拟效果。

BP神经网络在感潮河段水动力洪水预报中的应用

鉴于下边界条件对水动力洪水预报模型精度的影响,采用提高下边界条件的质量来提高洪水预报精度,在同时受径流和潮流影响的感潮河段,水位流量关系复杂,利用BP神经网络,通过建立试验流域上、下游站水位与下边界断面水位变化率之间的相关关系作为水动力洪水预报模型的下边界条件,在长江流域大通至南京段的水动力洪水预报模型中的应用表明,该方法预报精度较高。

基于动态水位流量关系的水动力洪水预报模型研究

鉴于下边界条件对水动力洪水预报模型精度的影响,采用提高下边界条件的质量来提高洪水预报精度,在考虑中下游地区洪水易受变动回水顶托影响的基础上,提出了动态处理水位流量关系下边界的方法,即利用最新信息,并采用分段线性拟合的方法动态拟合新的水位流量关系作为下一时刻的边界条件进行洪水预报,使模型边界具有一定的实时修正功能。在资水流域水动力洪水预报模型中的应用表明,该方法预报精度较高。

扩散波模型在城市坡面汇流中的应用

为分析一维扩散波水动力方程在模拟城市地表降雨径流过程中的可行性,针对典型概化城市流域,采用一维扩散波水动力方程的数值解法模拟了一短历时强降雨事件,并对比SWMM模型模拟结果与扩散波模型模拟结果。结果表明,扩散波模型可以较好地体现降雨作用下地表径流过程的动力特点,但无法适用于过缓的地表坡度,解释了两者连续性方程的差异对模拟结果的影响,最后分析了扩散波模型下边界条件的确定方法。研究成果可为城市坡面汇流模拟提供参考。