基于Archimedean Copula函数的风浪联合统计分析

选取渤海海域某导管架平台24年的年最大波高和相应风速,基于Gumbel分布对2个边缘分布的拟合优度检验,采用Archimedean Copula函数族中的4种函数构建两变量联合概率分布模型,并进行了拟合优度评价。利用优选出的Clayton Copula函数,计算风浪联合分布的联合重现值。以海洋平台响应作为约束条件,进行了二维Clayton Copula函数的风浪联合统计分析。研究结果表明:基于Copula函数构造的二维分布,考虑了风浪之间的相关性,在相同重现值设计参数下,可以降低导管架平台的结构响应,从而可以降低海洋平台的环境条件设计标准。     

青岛港日最大降水量及其出现日期的联合统计分析

以青岛地区近30年历年日最大降水量(R_Y)与其在该年中的出现日期(L_Y),以及各月的日最大降水量(R_M)与其在该月中的出现日期(L_M)的13个样本序列为例,基于4种二维Copula函数(Clayton Copula、Frank Copula、Gumbel-Hougaard Copula和Gaussian Copula)建立二维联合分布模型;通过假设检验和拟合优度评价,选取拟合较优的二维Frank Copula函数所构建的日最大降水量及其出现日期的联合分布模型,对(R_Y,L_Y)和各月(R_M,L_M)进行了详细分析。通过历年各月日最大降水量及其出现日期的联合统计分析,在一定联合重现期时,当日最大降水量给定某一重现值时,可以估计该值在一年中(或某个月份中)最可能的出现日期,为合理港口装卸作业给建设意见。     

直立式防波堤可靠性分析

防波堤一旦破坏,会严重影响港口的正常使用功能,准确计算防波堤的可靠度指标对港口工程意义重大。防波堤所受主要荷载为水平波浪力及波浪浮托力,计算可靠度应考虑两者的相关性。结合Gumbel-Houggard Copula函数与对数正态边缘分布构造二维的Copula分布可以很好地描述荷载间的相关性。本文以秦皇岛直立式防波堤为例,用二维Copula分布计算防波堤的可靠度,并与JC独立法、JC相关法进行了比较,结果显示:用Copula分布计算的结构可靠度指标远小于JC独立法计算结果,与JC相关法接近。     

琼州海峡海口站近岸风暴增水概率风险分析

基于海口站1976~1997年逐时潮位和逐日最大风速资料,利用阿基米德Copula函数构建海口年最大增水与相应日期最大风速的联合概率分布模型。结果表明:1)广义极值分布可作为海口站年最大增水和相应日期最大风速的边缘分布。两个序列之间存在强正相关关系,G-H Copula函数更适用于作为海口站年最大增水和相应日期的最大风速联合概率分布的连接函数。2)两变量联合作用的同频率增水高度设计值与增水的单变量边缘分布设计值之间的相对差值约为7.5%。3)条件概率1(P(Y≥y|X≥x))中同频率的年最大增水和相应风速的遭遇概率介于78.2%~80.9%,条件概率2(P(Y≥y|X≤x))中同频率的年最大增水和相应风速两者的遭遇概率小于4.8%。     

基于Copula函数的海岸增水高度与相应风速的遭遇概率分析

简要论述了Copula理论与几种常用的二维Archimedean Copula函数的性质和适用性。以粤东汕头海域妈屿历年最高增水高度与相应风速的遭遇为研究实例,在分别采用3个三参数的概率分布模式:广义极值分布(GEV)、Weibull分布(WBL)和皮尔逊Ⅲ型(P-Ⅲ)分布对两个边缘分布(年最高增水高度与相应风速)拟合优度检验基础上构建了两变量联合概率分布模型。主要结果如下:(1) 年最大增水高度与相应风速的边缘分布分别服从Weibull分布和P-Ⅲ型分布;(2) 拟合优度检验指标表明二者的最优连接函数为Archimedean Copula类的Gumbel-Hougaard Copula;(3) 重现期介于2~200 a之间的边缘分布与同频率的联合分布的重现水平相对差值大约介于6.7%~22.2%之间;(4) 特定风速设计频率条件下,随年最大增水设计频率的减小,二者的遭遇概率也随之迅速减小;反之,特定增水设计频率随风速条件频率的减小,二者的遭遇概率随之明显增大。     

山东近海底层鱼类资源空间异质性

本文根据2016?2017年山东近海渔业资源底拖网季度调查数据,应用多项空间自相关指标和变异函数,分析了山东近海底层鱼类资源的空间自相关性与空间异质性.结果表明,山东近海底层鱼类资源呈现出显著的空间聚集格局,存在着空间自相关性,其中在春季、夏季和冬季的空间自相关性较强,在秋季的空间自相关性较弱.从空间分布上来看,底层鱼...     

基于非对称Archimedean Copula的三变量风浪重现水平分析

采用非对称Archimedean Copula函数与Kendall分布函数分析极端波况下的波高、周期和风速三变量联合概率分布与风险率及其设计分位数,为海岸海洋工程设计和风险评估提供参考依据。以粤东汕尾海域的实测风浪数据为例,使用非对称Gumbel-Hougaard Copula函数计算三变量风浪联合分布的"或"重现期、"且"重现期和二次重现期及其最可能的风浪设计值。主要结论如下:对比不同设计风浪重现期显示,"或"重现期的风险率偏高,"且"重现期的风险率偏低,二次重现期更准确地反映了特定设计频率情况下三变量风浪的风险率;按目前有关规范设计要求的单变量风浪要素设计值已经达到安全标准,按三变量"或"重现期和三变量同频率设计值推算的风浪设计值偏高,以最大可能概率推算的三变量风浪要素的二次重现期设计值可为相关工程安全与风险管理提供新的选择。     

Hilbert变换在海浪波高与周期联合分布函数中的应用

Longuet-Higgins(1983)[1]导出了波高与周期的联合分布函数,此分布函数虽然与实际数据符合良好,但存在很大的缺陷,如:由此分布函数得出的波高分布为形式较为复杂的非Rayleigh分布,很难应用于工程计算中。孙孚(1988a)[2]应用射线理论导出了一种波高与周期联合分布,虽然弥补了Longuet-Higgins的一些缺陷,但推导过程过于复杂。本文在窄谱假定下通过应用Hilbert变换方法得出新的分布函数并与前两者比较,表明Hilbert变换的方法不但简便,而且完全克服Longuet-Higgins的不足,可以方便的应用于工程计算中。本文也为Hilbert变换的方法在工程中的应用提供了理论依据。     

基于Clayton Copula函数的二维Gumbel模型及其在海洋平台设计中的应用

根据Gumbel分布和Clayton Copula函数构造出二维Gumbel Clayton Copula分布,根据渤海海域某观测站测得的1970—1993年年最大波高及风速,具体介绍该二维Gumbel模型在海洋工程设计中的使用方法。通过导管架平台基底剪力计算表明,使用该二维Gumbel模型所得的50a一遇剪力值降低了37%,对于边际油田,可以降低荷载设计标准,从而减少海洋工程的投资费用。     

登陆中国东南沿海热带气旋气压变化的重现期分析

为正确考虑和衡量核电厂选址风暴潮灾害分析中热带气旋登陆过程时出现的气压填塞量的取值,利用1949-2014年在我国东南沿海登陆的台风气压资料,建立了登陆前TC中心气压与登陆后气压填塞量二维Copula联合分布函数,通过同现重现期表征出两种样本筛选条件下两种边缘分布的相关关系。结果表明:Frank Copula函数可以适应样本联合分布;考虑在台湾登陆的TC样本与不考虑时相比,相同同现重现期水平在登陆前气压边缘分布方向上要增加10 h Pa左右;气压填塞量在25 h Pa以内时,填塞量越小,同现重现期越大。     

波高周期联合分布四种重现水平对比分析*

基于Gumbel-Hougaard copula、Kendall和生存Kendall函数对比分析波高和周期联合分布的4种重现水平。以位于北卡罗来纳州Duck的美国陆军工程师团FRF (Field Research Facility)实验场观测的波高与周期样本为例, 计算二者联合分布的“或”重现期、“且”重现期、Kendall重现期和生存Kendall重现期及其联合设计值。主要结论如下: 对比设定重现期, 相对于“或”联合重现期, Kendall重现期可更准确地反映波高周期联合分布的风险率; 相对于“且”联合重现期, 生存Kendall重现期可更准确地反映波高周期同时超值情况下的风险率。按目前有关规范设计要求的单变量波高设计值基本达到设计标准, 按两变量“或”重现期和波高周期两变量同频率设计值推算的设计值偏高, 以最大可能概率推算的两变量的Kendall重现期和生存Kendall重现期设计值可为海岸海洋工程安全与风险管理提供新的选择。     

波高与风速联合概率分布研究

基于copula函数论述了两变量的联合概率分布方法.此方法的主要优点是边缘分布可由不同的分布函数构成,变量间可具相关性.以粤东汕尾海域极值波高与相应风速为研究实例,经分析获得以下结果:(1)优选的极值波高和风速可分别由P-Ⅲ型和GEV 分布表示:(2)拟合优度检验指标表明二者的最优连接函数为Archimedean co...     

广东阳西近岸海域波浪的分布特征

通过对广东阳西近岸测站1a实测波浪资料及岸边同期风资料的整理与分析,探讨了该海域的波浪特性,得出研究海域不分方向H1/10年平均值为1.00 m,常浪向为SE向,出现的频率为38.35%,强浪向为SE向,观测期间的最大波高出现在0814号"黑格比"台风期间,Hmax值为8.31 m.用已有的理论分布函数对实测统计数据进行拟合,筛选出研究海域的波高分布、周期分布及波高与周期联合分布的特征,结果表明双参数威布尔理论波高分布、杨正己威布尔周期分布、朗格-赫金斯83模式或者孙孚模式较为适用于本海区的波高分布、周期分布、波高周期联合分布;结合相应的风速风向资料,运用回归分析方法,建立了该地区的波高与风速之间、波高与波周期之间的关系.     

Environmental contours using copulas

A procedure is proposed for constructing environmental contours using copula theory. Copulas are functions that define the multivariate probability distribution of a random vector or a set of random variables, and, thus, also determine their dependence structure. Constructing environmental contours requires knowledge of the joint probability distribution of the environmental variables. In many practical applications, the available statistical data is used to estimate the marginal distributions and the linear correlation matrix, and then the Nataf distribution model is employed to obtain the multivariate probability distribution. It turns out that such an approach implies a particular model of dependence structure defined by a Gaussian copula, which might not always be the appropriate one. In this work, some classes of bivariate copulas are considered for modeling the dependence structure of the environmental variables. We examine measures of association, rank-based methods for estimation of copulas, goodness of fit tests for copulas, and copula selection criteria, and apply them to metocean data from hindcasts of tropical storms and extra-tropical events in the Gulf of Mexico. A formulation is proposed for expressing the variates that define the environmental contours as functions of copulas. It is then applied for computing environmental contours of significant wave height, peak spectral period and wind velocity using the estimated copula models.     

Wave energy assessment based on trivariate distribution of significant wave height,mean period and direction

Based on the Vine copula theory, a trivariate statistical model of significant wave height, characterized wave period and mean wave direction was constructed. To maintain the properties of the different types of variables, a special copula function was derived from the model developed by Johnson and Wehrly based on the maximum entropy principle. It was then combined with the Archimedean copulas to construct the proposed model. An effective algorithm for generating corresponding joint pseudo-random numbers was also developed. Statistical analysis of hindcast data for the significant wave height, mean wave period, and direction, which were collected from an observation point in the North Atlantic every three hours from 1997 to 2001, was performed. The marginal distributions of the significant wave height and mean wave period were fitted by a modified maximum entropy distribution, and the mean wave direction was fitted by a mixture of von Mises distributions. It was shown that the proposed model is a good fit for the data. The seasonal wave energy resources in the target area were assessed using the model estimates. Histograms of the directional wave energy, wave energy roses, and scatter and energy diagrams were presented.     

极值波高与历时联合分布的重现水平分析

使用美国北卡罗来纳州的 FRF 1985—2016 年的极值波高及其持续时间数据，采用最优的 Gumbel-Hougaard copula函数和 Kendall 分布函数构建极值波高和相应历时不同组合的联合概率分布模式，分析各个组合的遭遇概率、“或”重现期、“且”重现期和 Kendall 重现期，以出现最大可能概率的方法推算各组合联合设计值。结果表明：Kendall 重现期所对应的累积频率更准确地代表了特定设计频率下的风险率；重现期分别为 5 年、10 年、20 年、50 年、100 年、200 年推算的 Kendall重现期设计值介于“或”重现期和“且”重现期设计值之间，小于相应的边缘分布设计值；基于 Kendall 重现期的极值波高及其持续时间不同重现期组合推算的结果可为海洋工程构筑物设计与风险管理提供新的选择与参考。