次网格地形动力效应参数化及其对降水模拟效果的影响

地形对气流的动力抬升作用是地形降水的重要产生机制之一,为了在模式中考虑地形对气流的动力抬升作用,改进模式对复杂地形区域的降水模拟效果,本文提出了一个次网格地形动力效应参数化方案。在模式中首先利用高分辨率的地形高度资料计算出次网格格点处的地形坡度、坡向,这些微观地形参数可以较为精细地描述次网格尺度地形信息;然后再根据地面气压与地形对气流动力抬升作用的关系,对地面气压倾向进行次网格修正;最后利用p-σ区域气候模式进行了三个数值试验,检验该方案对模式模拟降水能力的影响。结果表明,次网格地形动力效应参数化方案的引入,对中国区域的降水模拟有明显改进,尤其对冬、春季的降水模拟,无论是分布范围还是中心最大强度都与实况比较接近。

次网格地形参数化对WRF模式在复杂地形区风场模拟的影响

黄土高原特殊的地形导致该地区风场特征复杂,本文以黄土高原为研究对象,通过3组数值模拟试验,探讨次网格地形参数化对WRF模式模拟近地面风场的影响。结果表明:地形越复杂,次网格地形标准差越大,WRF模式中离站点最近格点的海拔高度与站点实际海拔高度差异越大;研究时段内,若不考虑次网格地形影响,观测风速较小时,WRF会高估风速,而观测风速较大时,WRF则低估风速。在相对平坦的地区,模拟风速与观测风速之间的均方根误差较小,地形越复杂时,均方根误差越大。采用次网格参数化方案后,模式对风速的模拟有明显改进,认同指数、准确率、相关性等都有明显提高,模拟误差明显降低。3组试验均能模拟出风速的日变化,但不考虑次网格地形影响时,模拟的风速几乎是观测值的2倍,考虑次网格地形影响后,模拟的风速明显降低,其中Jimenez方案模拟的风速与观测值之间的偏差最小,能更好地描述风速的空间分布特征,而Mass方案仅降低了平原和山谷地区的风速却没有突出山区的高风速,对风速空间变化的模拟不如Jimenez方案。

次网格地形坡度坡向参数化及其对区域气候模拟的影响

随着数值模式水平分辨率的提高, 模式下垫面特征的描述更加仔细, 针对东亚地区复杂的地形和植被特征, 发展适合非均匀下垫面的地表通量参数化方案, 对改进数值模式和刻画高原附近地区复杂地形动力和热力效应的能力非常必要。本文通过计算次网格地形坡度、坡向参数及其对到达地面短波辐射通量的影响, 提出次网格地形热力效应的参数化方案, 改进数值模式中复杂地形区域地面热量平衡的计算。利用p-σ区域气候模式的数值试验结果表明, 次网格地形热力效应参数化方案的引入, 对东亚地区夏季气候尤其是降水的模拟有明显的改进。

基于断面地形法和网格地形法的河道冲淤计算分析

河道的冲淤量及其分布是相关工程规划设计和防洪决策的基本依据,在生产实践中,冲淤计算一般是采用断面地形法。随着GIS技术的发展,三维表面的建模和表面分析已逐渐成熟,为推广网格地形法计算河槽冲淤量创造了条件。该文通过对比断面地形法、网格地形法两种方法计算的河道冲淤量,分析其误差来源及解决方法,评估其方法的适宜性和可靠性,得出GIS支持下的网格地形法计算河道冲淤可视化强,提高了效率和精度。

修正WRF次网格地形方案及其对风速模拟的影响

复杂地形区域风场模拟的准确率一直是风能研究领域的难点和重点。WRF模式是目前风能评估领域应用最广泛的天气数值模式之一,但该模式在复杂地形区域存在对平原、山谷风速高估且对山顶风速低估的系统性误差,并有研究建立次网格地形方案以订正误差。而次网格地形方案在不同水平分辨率下常出现错误的修正结果,该文基于高精度地形高程数据分析了方案失效的主要原因,发现其方程组中判断山体形态特征的阈值-20在过低和过高水平分辨率下均失去参考性。针对这一原因.将方案中影响关键参数C_t的地形高度算子与模式水平分辨率进行拟合,形成地形高度算子与水平分辨率相依赖的线性关系,获得不同分辨率下更适合的山体形态阈值。通过与自动气象站10 m风速对比分析了修正前后WRF对低层风速的模拟效果,结果显示:修正后的次网格地形方案能够分别在较低和较高分辨率下,部分矫正原方案错误的订正结果,使低层风速模拟更接近实况。修正后的次网格地形方案可为复杂地形区域开展高分辨率风场模拟提供参考。

采用次网格地形方案对白鹤滩水电站坝区一次大风天气的数值模拟

基于中尺度气象模式,采用次网格地形方案模拟了2019年3月19~20日四川、云南交界处白鹤滩水电站的一次大风过程,对10 m风速、风向和2 m温度空间分布及日变化的模拟结果进行检验评估,并结合地形分析了坝区易产生大风的原因。结果表明:此次西南大风天气是由高低空一致的西南气流配合地面“东高西低”的环流形势共同造成的。午后热低压发展强盛,地面风速增大,坝区出现8级大风。采用次网格地形方案后,风速的平均绝对误差和均方根误差最高可分别减小17%和14%,同时该方案有效地缓解了模式对白天风速的低估和夜间风速的高估,在大风和小风时段均对风速有较好的模拟能力,从而能更好地刻画风速的日变化特征。综合来看,次网格地形方案能显著改善风场的模拟效果,其中Jiménez方案更适用于坝区大风的模拟,但次网格地形方案对温度模拟没有改善作用。白鹤滩水电站的大风受局地地形影响极大,南北向狭长河谷地形产生的狭管效应使气流增速显著,坝区主体高度区河谷风的放大系数超过3.0,使得白鹤滩水电站极易出现灾害性大风天气。

中国西部陆面过程次网格地形参数化的改进对区域气温和降水模拟的影响研究

地表作为大气模块的下垫面,为大气模块提供边界条件,地形对于模式结果的准确性起到至关重要的作用。现有的陆面过程模式在陆面同一网格内的次网格单元采用相同的大气强迫量,没有考虑次网格地形对网格内大气强迫量的影响,这关系到模式对气象要素和陆气交换量的模拟水平。本文在陆面模式NOAH处理次网格单元的同时,将输入的大气强迫量根据其与地形高度的关系进行修订,提出新的次网格地形的参数化方案,并引入到WRF(Weather Research and Forecasting)模式中进行数值试验,通过3组数值模拟试验,与未改进的方案和细网格方案分析比较,探讨新参数化方案对WRF模式模拟结果的影响。结果表明:地形越复杂区域,次网格地形的影响越大。本文引入的新陆面次网格地形方案对天山山脉和昆仑山脉以及青藏高原南部的地表气温的模拟有较大改善,模拟的地表气温在大范围区域内都更贴近细网格方案。虽然新陆面次网格地形方案和细网格试验都对温度的模拟结果都有改善,但新陆面次网格地形方案对降水的模拟改善甚微,而细网格试验对降水模拟却有改进,这是由于细网格试验在陆面和大气网格都进行了细化,而新陆面次网格地形方案只考虑了陆面次网格的影响。具体来说,新陆面次网格地形方案对温度的模拟结果改进是通过改变地表向上长波和地表感热实现的。而细网格试验由于同时细化了大气和陆面的空间网格,对降水和温模拟的改进是通过综合改变地表能量平衡实现的。

基于地形网格化和遗传算法的MLAT基站选址研究

针对不同多点定位(Mulilateration,MLAT)地面站的布站方式对定位精度影响的问题,提出一种基于地形实际计算最优布站方式的方法。该方法结合实际地形因素,构建地形网格化模型生成初始可选站点,通过XDraw算法计算地面基站的覆盖性对初始站点进行初筛,再结合遗传算法计算最优布站组合。最后选取不规则图形区域进行选址实验验证,在选址区域内随机生成地形,通过初筛减少初始可选点,得到布站方式,并计算几何精度因子和多点定位均方根误差,与传统布站方式进行比较。实验数据表明,该方法计算得出的布站组合与传统布站方式相比,多点定位均方根误差要比传统布站中最小的菱形布站减小4.0159 m,且该方法可用于实际考虑地形因素的MLAT最优基站选址。

基于金字塔模型的地形网格数据研究

地理空间情报在情报分析与作战指挥中发挥了越来越重要的作用,它包括一体化的影像、地理空间信息,而地形是地理空间信息中的重要因素。为了实时地绘制大规模地形数据,在继承传统算法基础上,借鉴遥感影像金字塔模型,将遥感影像和地理信息统一,提出了一种瓦片金字塔模型和线性四叉树索引相结合的地形数据结构,并采用一种新的基于瓦片四叉树的接边处理方法用于消除不同层次之间的裂缝,是对传统结构的优化。实验结果表明该方法在保持地形逼真的前提下,在PC机上运行时有很好的绘制网格帧率和实时动态交互效果。

面向虚拟矿山的复杂异构地形网格渐变仿真

针对虚拟矿山动态仿真中地形网格具有规模大、结构复杂和变化前后拓扑异构等特点,实现了一种边界一致的快速异构网格渐变仿真方法。首先将大地形网格划分为静态区和动态区,对变化前后的动态区网格进行双向插值,实现顶点对应和拓扑重构;然后利用k-d树等结构建立动态区顶点和三角形网格的空间索引关系,实现对地形网格变化区域的快速查找和更新;最后根据地形网格特征自动计算符合实际生产工艺的渐变推进方向。通过实验表明,该方法在效率和逼真度方面均能满足虚拟矿山动态可视化仿真需求,可以较好地完成复杂地形网格渐变模拟过程。

应用BP神经网络实现基于等高线图像的CFD地形网格

针对目前生成CFD地形网格时计算量大且精度不高等问题,提出一种基于BP神经网络的CFD地形网格生成方法:将扫描数字化和线状要素提取相结合获取的等高线二维矢量矩阵作为训练样本,生成BP神经网络模型;通过Matlab实现BP神经网络的构建、训练与仿真,拟合出未在等高线上的点的高程值,建立高程DEM栅格矩阵,获得地形三维数据;在网格划分软件Gambit中进行网格生成与优化,生成精细的三维地形网格.实例验证表明,基于BP神经网络模型生成的CFD地形网格精确度高,建模效率也较高,适合CFD模拟工程的应用.

基于地形特征重要度的地形网格简化与调整

山地是应急决策过程的主要场景之一,面向移动终端和WEB展示等资源受限平台上的大场景优化显示方法是图形学和可视化领域的研究热点。文章在已有的DEM地形网格简化算法的基础上,提出了一种基于地形特征重要度的地形网格简化与调整算法。通过K-means算法将地形网格顶点进行聚类,并且引入地形特征重要度来调整特定区域地形网格的大小,达到突出特定地形的效果;采用细节层次(levels of detail,LOD)算法指导地形网格的细分和简化,提高地形网格的绘制效率。实验结果表明,该算法有效地保留且突出了山地区域地形地貌,并且减少了顶点数量,提高了地形绘制和渲染的效率。

青藏高原地形重力波拖曳的初步分析及数值模拟研究

针对目前对青藏高原大地形激发的重力波拖曳相关问题还不十分清楚,在GRAPES_Meso模式中引入次网格地形重力波拖曳参数化方案,通过数值试验初步研究了青藏高原地区次网格地形重力波拖曳的一些相关参数,结果指出:(1)沿30°N地形重力波拖曳的垂直分布显示,阻塞拖曳主要存在于模式的低层(第1—5层),重力波拖曳主要存在于模式的第5—10层;从水平分布看,模式第3层以阻塞拖曳为主,主要位于青藏高原边缘地区,阻塞拖曳大值区沿喜马拉雅山脉走向和青藏高原东坡;模式第5层以重力波拖曳为主,主要位于青藏高原东部地区和云贵高原的北部边缘。(2)弗劳德数和气流绕流高度分析表明,在青藏高原喜马拉雅山脉一带和高原东部边缘地区,气流爬坡能力强,同时在这一地区绕流高度最高;弗劳德数越大的地区绕流高度距离地表越高。(3)采用次网格地形重力波拖曳参数化方案后,对于低层和高层地形重力波破碎的发生有更准确的描述,地形重力波是向上垂直传播的。(4)个例和批量试验检验结果表明,采用次网格地形重力波拖曳参数化方案对于风场和降水模拟有正效果,提高了模式预报的准确率。

大规模三维地形生成算法的实施与分析

为了探讨适合于虚拟现实中大规模三维地形生成的算法,文章分析了均匀网格算法和ROAM算法的原理及其特点,基于Molehill渲染引擎采用两种不同的算法实施了地形数据的模拟与绘制。实验结果表明,由于ROAM算法可根据视点的位置动态地计算模型的细节层次,减少了每帧渲染多边形的数量,所以,提高了大规模地形数据的运算效率,适合于大规模三维地形场景的虚拟建模需求。

地形湍流拖曳力参数化及在GRAPES中的应用

分辨率的限制使得不能被模式识别的地形称为次网格尺度地形,次网格尺度地形在热力和动力方面对实际大气有着不可忽略的作用,其效应只能通过参数化的形式回馈给模式。分辨率的提高使得与较小尺度地形相联系的地形湍流拖曳力凸显其重要性。数值模式中地形湍流拖曳力的参数化对完善模式物理过程和改善模式近地层预报效果具有积极意义,其方法包括有效粗糙度法和直接参数化法,而GRAPES模式中并未以任何方法考虑次网格尺度地形的影响。该文通过单柱模式比较了有效粗糙度法和直接参数化法的优劣,发现后者在有些方面优于前者。最后,将应用于实际的一个直接参数化方案接入GRAPES中尺度模式中,进行个例模拟,并与NCEP再分析资料进行对比,结果表明:考虑地形湍流拖曳力方案对模式预报具有改进作用,尤其对局地低层风场具有积极影响。

中国地形图查询管理系统设计与实现

本文分析了中国地形图的分类规则,研究了图幅网格数据的生成方法,并基于组件式GIS和SQL Server数据库技术,借助Microsoft Visual Studio开发平台设计开发出中国地形图查询管理系统。实现了地形图数据管理、数据导入导出、空间查询、行政区查询、流域查询、新旧图幅号对照等功能,弥补了当前地形图信息查询系统的功能缺陷。

飞行模拟器视景系统中实时地形的研究与实现

对飞行模拟器视景系统中地形的生成算法进行了研究。为兼顾地形的渲染逼真度与渲染效率,采用LOD(Level Of De-tail)算法分割地形网格,同时通过添加修补三角形的方法解决了创建渲染三角形过程中产生的地面撕裂现象。地面的类型和陆地的高度信息使用256色位图来存储,并为地面贴上相应的纹理增加地形的真实性。为进一步提高渲染效率,将地形分块,实时渲染视野范围内的地形块,得到了比较满意的效果。

用于机载辅助导航的点云地形自适应分割方法研究

针对目前机载辅助导航应用的激光雷达点云地形分割方法对不同地形自适应性差和实时性不高的问题,结合CSF算法和移动曲面拟合思想,提出了一种新的点云地形自适应分割方法。该方法通过格网划分和地形识别计算布料硬度值,使点云自适应分割;并利用分割过程中产生的布料模型生成用于头盔显示器显示的网格化地形。实验表明,与ISPRS公布的经典分割算法相比,该方法在一定准确率的基础上,具有地形自适应性强、实时性较高的优势,对激光雷达在辅助直升机导航方面的应用具有一定参考价值。

地形可视化算法研究

近年来,随着计算机硬件性能的不断提高和相关算法的研究,地形可视化在三维游戏、飞行模拟训练、战场环境仿真、地理信息系统、虚拟现实等领域得到了广泛的应用。本文主要从构建地形网格、简化地形网格、计算对象空间误差和屏幕空间误差、视域剔除的实现等方面对地形可视化算法进行了深入的研究。最后总结并分析了地形可视化算法今后的研究重点。

基于ROAM算法的数字地面模型研究与实现

针对规则网格的数据量过大问题,采用了基于分块的ROAM算法进行多分辨率渲染,根据地形粗糙程度和视点位置,对地形进行有选择的细化,将庞大的三角形二叉树分为多个小二叉树,提高了地形构建效率,在此基础上建立地物要素模型,完成了数字地面模型的构建与多分辨率渲染。