总体样本风速风向联合概率分析方法

提出了针对总体样本的风速风向联合分布的实用统计分析方法。假定任意给定风向上的风速符合某一概型分布、风向间的关联以风速资料的相对发生频率反映、不同风向间的概型参数及频率分布的变化满足谐波函数,在此基础上,利用风速风向资料的总体样本可以得到一个能够反映任意方向的风速风向联合分布函数。利用澳门地区的百年风资料与某风站连续5年的风速观测记录,对该方法的可行性进行了验证。分析表明,该方法具有一定的适用性,便于结构的抗风可靠性分析,具有一定的工程应用价值。     

合成孔径雷达风场反演变分方案评估

利用合成孔径雷达获取高空间分辨率的海面风场,对于研究沿岸海域大气海洋过程具有重要意义.应用CMOD地球物理模型直接反演风速受先验风向误差影响较大,30°的风向误差可导致高达40％的风速误差.变分方法考虑了雷达观测值及背景风场的不确定性,能够较好地降低先验风向对反演风速的影响.但不同的观测误差或地球物理模型选择会形成不同的变分方案,使得反演风场存在差异.本文基于Sentinel-1合成孔径雷达数据及NDBC浮标数据,对不同变分方案进行了系统评估.试验结果表明,当观测误差选取常值0.1 dB、地球物理模型选取CMOD7时,反演风速均方根误差为1.11 m·s-1,总体最小;但在特定风速区间内,其他变分方案能获得相对更好的反演精度;各变分方案反演风速精度均显著高于背景风速及CMOD直接反演风速精度,但反演风向相对背景风向没有明显改善.试验结果可为变分方法在不同应用需求下的选择提供参考依据.     

基于DPHP测量数据提取热导率参数的方法研究

基于DPHP实测数据研究了提取热导率参数的两种方法:极值法和拟合法.极值法利用温度曲线的峰值及对应时间计算热导率,测量过程中的采样间隔是影响计算结果的关键因素,热导率相对误差同采样间隔与峰值时间的比值有关,当比值小于0.02时,相对误差不超过±1%.采用抛物线拟合采样最大温度值相邻的数据计算峰值温度能够在一定程度上弥补采样率过大的问题.但对于过大的采样间隔获得的数据应使用非线性拟合法.非线性拟合法要求拟合模型对实测数据有良好反映,但理论模型与实际探针模型的差异导致实测数据只是在最大温度前后吻合较好,因此需要对拟合数据窗口进行选择.基本原则是数据区间内应当包含温升最大值,而且上升段的数据量应少于衰减段的数据量.     

基于多项式拟合模型的实测海磁数据平差处理

通过对海洋实测地磁数据和不同阶次多项式拟合模型的几何特征进行分析,提出了利用多项式拟合模型对实测地磁数据进行平差处理的方法.根据不同测线上交叉点地磁场强度差值的特点,分别采用不同阶次的多项式拟合模型对地磁数据分区进行平差处理,最后通过比较平差处理总精度值和生成的磁场强度等值线图验证了本文提出的平差处理方法的有效性.     

基于星载SAR数据的台风参数估计及风场构建

传统的星载SAR数据海面风场反演方法是利用海面风场与雷达后向散射系数之间的经验关系即CMOD5模式函数求解海面风场.但在台风条件下,由于降雨对雷达信号的影响及高风速条件下CMOD5模式函数的停滞效应,海面风场的反演精度迅速下降.针对降雨对雷达信号的影响,本文基于星载SAR卫星平台未搭载降雨测量载荷的特点,将多时次的静止气象卫星红外云图用于推导台风云系的运动矢量,并由该运动矢量及非同步观测降雨数据估算星载SAR数据过境时的降雨强度.最后,利用订正模型和降雨强度数据进行降雨订正.针对高风速条件下CMOD5模式函数的停滞效应,本文基于台风的SAR图像特征和改进的HOLLAND台风模型,提出了台风参数估计及风场构建方案.首先,利用基于小波分析的风向提取算法提取台风风场的海面风向信息,并通过地球物理模式函数和风向信息反演海面风速.然后,根据台风眼的SAR图像特征计算台风中心位置和最大风速半径,并将其代入改进的HOLLAND台风模型.最后,利用中低风速数据通过最小二乘法拟合台风中心气压和最大风速,并将台风风向、中心位置、最大风速半径、中心气压和最大风速等参量代入改进的HOLLAND模型构建台风海面风场.为了验证方案的精度,选择台风"艾利"、"卡努"和"奥菲利娅"的星载SAR数据进行试验,并利用美国联合台风预警中心和飓风研究中心的最佳路径数据和风场数据进行精度检验.结果表明,本文利用星载SAR数据估算的台风中心位置、中心气压、最大风速与最佳路径数据基本一致,构建的海面风场精度较高,其中,海面风速的均方差为1.4 m s-1,风向的均方差为2.1°,为台风监测提供了新的技术途径.     

风压极值的阈值模型研究

基于阈值模型(POT)的广义帕累托分布(GPD)能充分利用样本中较大的观测值,在极值计算上有广泛的应用。本文讨论了广义Pareto分布以及该分布在风压极值计算中的应用。采用极大似然估计方法,对风压样本进行GPD拟合,得到具有一定保证率的风压极值。通过与峰值因子法(PFM)和经典极值方法(GEVD)计算的结果相比较,证明GPD拟合风压数据的效果较好,高保证率下的极值估计合理。对于高斯分布的风压样本,三种方法计算得到的结果比较接近;对于非高斯分布的样本,三种计算方法的结果存在较大差别,以GPD拟合的结果最优。应用GPD方法计算风压极值无需风压分布满足高斯假定,因而具有更广泛的适用性。     

基于剪枝贝叶斯神经网络的电阻率成像非线性反演（英文）

针对传统神经网络在电阻率成像反演中存在的过拟合和易陷入局部极值等问题,提出了一种基于剪枝贝叶斯神经网络(PBNN)的非线性反演算法和一种基于K-medoids聚类的样本设计方法。在基于K-medoids聚类的样本设计方法中,利用观测数据的聚类结果提供先验信息构造神经网络的训练样本,从而有针对性地指导神经网络的训练过程;剪枝贝叶斯神经网络是在贝叶斯正则化的基础上,通过评估各隐节点对反演结果的影响来自适应确定神经网络的隐层结构,根据小样本条件下训练样本的先验分布特征,选择了基于广义平均的超参数αk来引导剪枝过程。通过与地球物理领域内其它常用的自适应正则化方法相比较,验证了本文算法的有效性。理论数据和实测数据反演的结果表明:该方法能够较好地抑制神经网络训练过程中噪声的影响,提高网络的泛化能力,其反演结果优于BPNN反演、RBFNN反演和RRBFNN反演以及传统的最小二乘反演。     

区域地电观测网地电场日变化模型研究

应用泰勒多项式和曲面样条函数法建立了我国地电场观测台网中华东、 华北两个区域台网的地电场日变化(K_p≤5)模型,并对拟合结果进行了对比分析. 结果表明: ① 尽管地电场变化复杂,但用这两种方法建立的日变化模型相当吻合,模型曲线随时间的变化符合样本曲线随时间的变化; ② 用模型曲线可以描述其它年份同农历日期、 同等磁情时实测的地电场日变化; ③ 用模型曲线描述实测地电场日变化时,低磁情时得出的结果要优于高磁情时的结果; ④ 用多日样本曲线得到的模型曲线更能清晰地展示出地电场日变化的两次起伏波形、 幅度以及极值集中在午前午后等变化特点. 今后建立全国各区域台网不同磁情、 不同农历日期的地电场日变化模型可定量评价区域台网的地电场观测资料的质量,同时根据该模型能够分离出地电场的非正常变化,进而研判真实的异常,以服务于地震等灾害事件的预测以及地球电磁环境变化的监测等方面.      

基于SHMS的润扬悬索桥桥址区北风特性的研究

气象研究表明,作用在润扬悬索桥上的强风荷载主要是夏季台风和冬季偏北大风。运营近三年来,润扬悬索桥结构健康监测系统（SHMS）中的风速仪记录了经过该桥址区的大量强风样本。本文通过对北京时间2007-03-10 T13：00～2007-03-10 T16：00期间的实测强北风风速风向数据的分析,得到了该时段的风速和风向、紊流强度、紊流积分尺度、紊流功率谱密度函数等强风特性。结果表明,桥址区实测北风风速风向较稳定;顺风向紊流功率谱密度函数与Kaimal谱吻合较好;紊流强度较规范偏高。     

中国西南地区纽马克位移新的评估模型

本文作者旨在建立适用于中国西南地区同震位移的纽马克(Newmark)位移模型,该区域内发生过2008年汶川地震、2013年芦山地震,以及2017年九寨沟地震。基于2008年汶川MW7.9地震期间的33条强震动数据记录,作者对其中的纽马克位移值(Dn),临界加速度(Ac)和阿里亚斯强度(IA)进行了相关性分析,并根据吉布森(Jibson)模型及其演化模型的参数形态,拟合了新的参数,使模型适用于中国西南地区。结果表明:利用新拟合参数的模型具有较高的拟合优度和较小的评估误差。然后,利用2013年MW6.6芦山地震的强震动数据对这些模型评估结果进行验证,证实了具有新拟合参数的模型适用于中国西南地区,并通过对比分析选择出了具有最小评估误差和最大拟合优度的新参数模型:logDn=0.465logIA+12.896AclogIA-22.201Ac+2.092±0.148(R2=0.92),该模型可用于未来中国西南地区的灾害评估。最后,利用该模型对2017年九寨沟MS7.0地震引发的滑坡灾害进行了评估,评估结果与野外调查结果基本一致,显示本文建议的新拟合参数模型应用于中国西南地区地震灾害危险性评估的有效性。本文研究结果还表明:全球评估模型需要根据特定区域的地震地质条件重新拟合模型参数,以获得更好的评估结果。     

Modelling wind‐blown sediment transport around single vegetation elements

Wind erosion is an important soil erosion and hence a soil degradation problem in the Sahelian zone of West Africa. Potentially, the characteristic dryland vegetation with scattered trees and shrubs can provide for soil erosion protection from wind erosion, but so far adequate quantification of vegetation impacts is lacking. The aim of this study was to develop a model of wind‐blown soil erosion and sediment transport around a single shrub‐type vegetation element. Starting with the selection of a suitable transport equation from four possible sediment transport equations, the effects of a single vegetation element on wind speed were parameterized. The modified wind speed was then applied to a sediment transport equation to model the change in sediment mass flux around a shrub. The model was tested with field data on wind speed and sediment transport measured around isolated shrubs in a farmer's field in the north of Burkina Faso. The simple empirical equation of Radok (Journal of Glaciology 19 : 123–129, 1977) performed best in modelling soil erosion and sediment transport, both for the entire event duration and for each minute within an event. Universal values for the empirical constants in the sediment transport equation could not be obtained because of the large variability in soil and roughness characteristics. The pattern of wind speed, soil erosion and sediment transport behind a shrub and on either side of it was modelled. The wind speed changed in the lee of the vegetation element depending on its porosity, height and downwind position. Wind speed was recovered to the upstream speed at a downwind distance of 7·5 times the height of the shrub. The variability in wind direction created a ‘rotating’ area of influence around the shrub. Compared to field measurements the model predicted an 8% larger reduction in sediment transport in the lee of the vegetation element, and a 22% larger increase beside the vegetation element. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Running safety analysis of a train on the Tsing Ma Bridge under turbulent winds

The dynamic responses of the Tsing Ma suspension bridge and the running behaviors of trains on the bridge under turbulent wind actions are analyzed by a three-dimensional wind-train-bridge interaction model. This model consists of a spatial finite element bridge model, a train model composed of eight 4-axle identical coaches of 27 degrees-of-freedom, and a turbulent wind model. The fluctuating wind forces, including the buffeting forces and the self-excited forces, act on the bridge only, since the train runs inside the bridge deck. The dynamic responses of the bridge are calculated and some results are compared with data measured from Typhoon York. The runnability of the train passing through the Tsing Ma suspension bridge at different speeds is researched under turbulent winds with different wind velocities. Then, the threshold curve of wind velocity for ensuring the running safety of the train in the bridge deck is proposed, from which the allowable train speed at different wind velocities can be determined. The numerical results show that rail traffic on the Tsing Ma suspension bridge should be closed as the mean wind velocity reaches 30 m/s.     

Numerical simulation of aerodynamic derivatives and critical wind speed for long-span bridges based on simplified steady wind field

Combining the computational fluid dynamics-based numerical simulation with the forced vibration technique for extraction of aerodynamic derivatives, an approach for calculating the aerodynamic derivatives and the critical flutter wind speed for long-span bridges is presented in this paper. The RNG k-ε turbulent model is introduced to establish the governing equations, including the continuity equation and the Navier-Stokes equations, for solving the wind flow field around a two-dimensional bridge section. To illustrate the effectiveness and accuracy of the proposed approach, a simple application to the Hume Bridge in China is provided, and the numerical results show that the aerodynamic derivatives and the critical flutter wind speed obtained agree well with the wind tunnel test results.     

洪泽湖风生流对风场和水位变化响应特征

深入认识大型湖泊在不同风速、风向和水位下三维风生流结构特征对于湖泊污染控制、生态恢复及资源的开发利用具有重要意义.本文在构建笛卡尔坐标系下洪泽湖三维水动力模型的基础上,利用2次全湖30个点位流场监测数据验证了模型精度.基于1975-2020年长系列风场观测数据,确定了洪泽湖典型风速风向.在此基础上,模拟了16种不同风向,13种不同风速和20种不同水位工况条件下洪泽湖三维风生流结构.结果表明：水动力模型可以较好地刻画洪泽湖三维湖流变化特征.洪泽湖风生流结构随风向变化呈现出较大空间差异.风生流流速随着风速的升高呈加速上升趋势,其中表层水体流速上升幅度远高于其他水层.在2.4 m/s东风驱动下,溧河洼、成子湖和南部湖区垂向平均流速随着水位上升呈先升高后降低的趋势,3个湖区分别在12.7、12.4和12.2 m水位下流速达到最大值.     

基于改进的OBV模型的下击暴流风荷载模拟

下击暴流是雷暴天气产生的近地面短时强风,具有和大气边界层近地风显著不同的风场特征,其风荷载数值模拟方法也和常规风荷载模拟方法不同。在将下击暴流风速表达为时变的平均风速和调制的非平稳脉动风速之和的前提下,本文采用基于改进的OBV模型（Oseguera and Bowles／Vicroy（OBV））的方法来模拟平均风速,其平均风速直接由改进的OBV模型表达,而不同于已往研究中将平均风速表达为竖向风剖面与时间函数的乘积,并采用结合快速傅里叶变化的谐波叠加法来模拟调制的非平稳脉动风速。改进的OBV模型考虑了下击暴流的风暴中心移动和强度演化的影响,更准确地描述了下击暴流的实际物理过程。通过实例仿真,说明结果准确合理。     

Dispersion modelling of air pollution caused by road traffic using a Markov Chain–Monte Carlo model

 Although the strict legislation regarding vehicle emissions in Europe (EURO 4, EURO 5) will lead to a remarkable reduction of emissions in the near future, traffic related air pollution still can be problematic due to a large increase of traffic in certain areas. Many dispersion models for line-sources have been developed to assess the impact of traffic on the air pollution levels near roads, which are in most cases based on the Gaussian equation. Previous studies gave evidence, that such kind of models tend to overestimate concentrations in low wind speed conditions or when the wind direction is almost parallel to the street orientation. This is of particular interest, since such conditions lead generally to the highest observed concentrations in the vicinity of streets. As many air quality directives impose limits on high percentiles of concentrations, it is important to have good estimates of these quantities in environmental assessment studies. The objective of this study is to evaluate a methodology for the computation of especially those high percentiles required by e.g. the EU daughter directive 99/30/EC (for instance the 99.8 percentile for NO₂). The model used in this investigation is a Markov Chain – Monte Carlo model to predict pollutant concentrations, which performs well in low wind conditions as is shown here. While usual Lagrangian models use deterministic time steps for the calculation of the turbulent velocities, the model presented here, uses random time steps from a Monte Carlo simulation and a Markov Chain simulation for the sequence of the turbulent velocities. This results in a physically better approach when modelling the dispersion in low wind speed conditions. When Lagrangian dispersion models are used for regulatory purposes, a meteorological pre-processor is necessary to obtain required input quantities like Monin-Obukhov length and friction velocity from routinely observed data. The model and the meteorological pre-processor applied here, were tested against field data taken near a major motorway south of Vienna. The methodology used is based on input parameters, which are also available in usual environmental assessment studies. Results reveal that the approach examined is useful and leads to reasonable concentration levels near motorways compared to observations. We wish to thank Andreas Schopper (Styrian Government) for providing air quality values, M. Kalina for providing the raw data of the air quality stations near the motorway and J. Kukkonen for providing the road site data set from the Finish Meteorological Institute (FMI). The study was partly funded by the Austrian science fund under the project P14075-TEC.     

水体浊度对风速、风向及其时间累积效应的响应——以太湖贡湖湾为例

水体浊度是影响水下光场及营养盐循环的关键要素之一,其变化过程与水生生态环境演变关系密切.基于2015-2016年7个时段于太湖贡湖湾内外的金墅和上山村两站点的水体浊度及东山气象站的逐时风场数据,利用分位统计等方法,探讨了风速、风向及时间累积效应对水体浊度的影响.结果表明：在以风场驱动为主要动力来源的大型浅水湖泊中,春、秋两季水体浊度的变化频率高于夏、冬两季,且春季变率更为突出;冬季风场和水体浊度的变率均较夏季明显.风场（包括风速、风向及其累积时间）是影响水体浊度变化的关键因素.其中风速是主要决定性因子;风向对水体浊度有较明显的影响,其通过对风速效应的修正进而影响水体浊度,该修正作用可用三角函数表征;水体浊度变化同时还受前期风场累积的影响,其前期时间累积效应的有效时段为2~10 h.该研究给出了风速、风向及风场累积效应的耦合对水体浊度的影响模型,有助于弄清风场对水体浊度变化的影响机制.     

利用全极化微波辐射计资料反演台风境内海面风场

作为一种新兴的被动遥感技术,全极化微波辐射计不仅可以提供海面风速产品,还可以提供海面风向产品.以往利用全极化微波辐射计观测亮温进行海面风场反演仅在晴空条件下进行,本文通过对观测亮温结合台风区域海面风场的分布特征进行分析,验证了全极化微波辐射计具有在台风等恶劣天气条件下进行海面风场观测的能力.基于敏感性分析实验,确定使用6.8 GHz和10.7 GHz等低频通道组合可进行台风区域内海面风场反演.其中,海面风速反演使用基于统计的多元线性回归算法,同时对海面温度、大气水汽含量、云中液态水含量及降水强度等物理量进行反演计算,为海面风向反演做准备.海面风向反演使用物理统计法进行,借鉴散射计风向反演使用的最大似然估计法.通过在全极化辐射传输前向模型中加入降水对大气透过率的影响、设计第三和第四Stokes通道亮温环境影响修正函数,在实现台风区域内海面风向反演的同时减小了反演误差.通过对“云娜”台风境内海面风场进行数值计算,验证了本文反演算法的可行性,并对反演误差的空间分布特征进行了分析.将2004年各台风过程的海面风场反演结果与散射计风场产品进行对比,海面风速和海面风向反演的均方根误差分别为1.64 m·s^-1和18.02°.     

太湖湖体水环境容量计算

针对太湖风生流的特点,提出考虑风向风速频率修正及污染带控制的水环境容量计算方法,建立了太湖水量水质数学模型,并结合水文水质资料对流场和浓度场进行模拟和验证.在控制单个污染带面积为1～3 km2,污染带总长度为湖岸线长度10%的基础上采用该方法进行计算,计算结果更可靠.太湖CODcr的水环境容量为132727 t/a,TN的水环境容量为7700 t/a.