基于长短时记忆神经网络的中国地区电离层TEC预测

电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)作为描述电离层形态、结构及变化的重要参量,一直是近地空间环境中重要的研究对象之一.本文利用太阳活动与地磁活动参量,结合欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)的TEC数据,给出了一种基于长短时记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络的电离层TEC短期预测模型,并将其应用于2015年中国单站和区域电离层TEC提前1 h的预测中.单站TEC预测结果显示：LSTM神经网络模型预测的TEC与CODE-TEC的均方根误差为2.572 TECU (1 TECU=10 ¹⁶el/m²),比国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)2016模型、反向传播(Back Propagation,BP)神经网络模型预测的TEC与CODE-TEC的均方根误差小5.183 TECU和0.667 TECU;在电离层扰动期与宁静期,LSTM神经网络模型预测的TEC与CODE-TEC的均方根误差分布在1.653~3.532 TECU,均方根误差明显小于IRI-2016模型、BP神经网络模型与CODE-TEC之间的均方根误差.中国区域预测结果显示：LSTM神经网络模型预测值与CODE-TEC值的均方根误差为2.721 TECU,比BP神经网络模型小0.716 TECU,其误差绝对值小于5 TECU的比例为92.83%,比BP神经网络模型的比例高5.77%,并且LSTM神经网络模型能更好地预测赤道异常区TEC的变化特征;同时,LSTM神经网络模型的预测值与CODE-TEC值具有较好的相关性,其相关系数达到0.989.整体而言,LSTM神经网络模型不仅能够准确反映中国地区电离层TEC时空变化特征,而且预测精度明显优于传统BP神经网络模型.

     

基于LSTM循环神经网络的储层物性参数预测方法研究

储层物性参数是反映储层油气储集能力的重要参数,表征了不同地质时期的沉积特征.地球物理测井参数由深及浅反映了不同地质时期的声、放、电等沉积特征,因而测井参数和泥质含量(孔隙度)之间有很强非线性映射关系,并具有时间序列特征.充分利用多种测井参数预测储层泥质含量和孔隙度对于储层精细描述具有十分重要的意义.深度学习技术具有极强的数据结构挖掘能力,目前,全连接的深度神经网络已经在泥质含量预测进行了初步尝试并取得了较好的效果.而长短时记忆(LSTM)循环神经网络更适合解决序列化的数据问题,因此本文提出基于LSTM循环神经网络利用多种测井参数进行泥质含量和孔隙度预测的方法,预测结果的均方根误差比常规全连接深度神经网络分别下降了42.2%和48.6%,实际应用表明,对于具有序列化特性的泥质含量和孔隙度,LSTM循环神经网络预测的准确性和稳定性要明显优于常规全连接深度神经网络.     

鄱阳湖水位变化对候鸟栖息地的影响

鄱阳湖越冬候鸟保护最重要的环节是保护栖息地,候鸟栖息地的面积和空间分布随水位过程而变化.在分析认定鄱阳湖湿地景观分类中水陆过渡带及其上下摆动区(稀疏草滩区和浅水区)为越冬候鸟主要栖息地的基础上,选择不同水位的遥感影像资料,经解译定量分析不同水位水陆过渡带面积及其空间分布,从而分析不同水位条件对候鸟柄息地的影响.进而分析...     

鄱阳湖水利枢纽工程对湖泊水位变化影响的模拟

水位变化是影响湖泊水文过程和生态环境的重要因素.本研究基于环境流体动力学(EFDC)模型构建了鄱阳湖水利枢纽工程与主湖区的二维模型,模拟水利枢纽工程运行后对主湖区及湿地保护区水位变化节律的影响.模拟结果表明:水利枢纽工程对湖泊水位的影响由北向南逐渐减小,水利枢纽工程提升了大湖北部水位,使南北水位差减小,将影响鄱阳湖枯水期的流速及自净能力.吴城和南矶湿地自然保护区核心区水位变化受水利枢纽工程的影响较小,吴城自然保护区核心区在水位低于13.8 m时与大湖脱离,不再受水利枢纽工程影响,但水利枢纽工程会影响蚌湖与大湖脱离时间;南矶自然保护区位于鄱阳湖南部,水位受水利枢纽工程影响很小.水利枢纽工程条件下,湖泊水位受人工控制,枯水年和平水年湖泊水位的变化基本一致;枯水年水利枢纽工程对湖泊水位的影响大于平水年,但对湖泊南部的水位变化影响仍然较小.模型模拟结果可以揭示在目前调度方案下,水利枢纽工程对湖泊水位变化节律的影响规律,为工程建设提供一定的理论参考.     

基于长短记忆模型的鄱阳湖流域径流模拟及其演变的归因分析

气候变化和人类活动直接或间接的影响着全球和区域水文循环过程,是导致水文水资源时空分布的主要因素,同时也是流域-湖泊水文情势变化的根本原因.本文基于长短记忆模型构建了鄱阳湖气象—径流模型,同时引入了基准期的概念,定量区分了导致鄱阳湖流域径流变化的主要影响因素.研究结果表明:在同时考虑计算效率和模拟效果的前提下,采用10 ...     

基于双向长短期记忆神经网络的储层孔隙度预测方法研究

孔隙度作为重要的储层物性参数之一,在储层评价中发挥着重要作用,因此,寻找一种低成本、高效的方法获取高精度的孔隙度成为了储层评价的重要课题.由于测井参数和孔隙度之间复杂的非线性映射关系和时序性特点,本文提出了一种基于双向长短期记忆(BiLSTM)神经网络的储层孔隙度预测方法,通过建立BiLSTM孔隙度预测模型,并在模型中使用Nadam自适应优化算法提高模型训练效率和准确率,引入Dropout正则化技术防止训练过程中发生过拟合,采用ReLU激励函数提高网络的鲁棒性和稳定性,最后利用实际测井数据验证其性能.研究结果表明,相较于长短期记忆循环神经网络(LSTM)、常规循环神经网络(RNN)和全连接深度神经网络(DNN),BiLSTM模型具有更高的预测精度,在储层参数预测方向具有广阔的应用前景.     

基于CART模型的鄱阳湖草滩苔草分布与水位波动要素关系

水位波动对鄱阳湖草滩湿地的形成与分布至关重要,但不同要素对湿地植物种的具体影响不尽相同.本研究以湿地优势植被苔草群落为研究对象,通过环湖区样带设置和植被调查得到较大尺度上的苔草分布数据,以不同水文站水文数据结合湖区DEM插值得出各样点水位波动要素数据：年内最大水位差R,年内淹没出露频次F,年平均水位M,最长淹没的出露日期D,年内总出露时间T,用CART模型进行分析.结果表明：1）影响鄱阳湖区草滩湿地苔草群落分布的最直接的水位波动要素为T和R;2）年内总出露时间大于84天（T ≥ 4.619）,年极差水位大于11.3 m（R ≥ 10.41）时,苔草群落的综合分布情况最佳.进一步探讨认为：其他水位波动要素未能被CART模型选为分类依据,可能是因为彼此之间存在相关性;高程决定植被分布,实际上是多种水位波动要素综合影响的结果,精度要求不高时,可以用高程替代水位波动各要素进行简略分析.本研究相关结论可以为鄱阳湖控湖工程今后的运行,提供一定的参考,以维持草滩湿地生态系统的稳定,更好地实现其生态价值.     

抚仙湖历史水位反演与未来30年水位变化预测

在极端气候事件频发和人类活动加剧的背景下,抚仙湖水位波动显著,尤其是2009—2012年极端干旱事件的发生,使抚仙湖平均水位（1721.31 m）低于法定最低水位（1721.65 m）,给生态环境安全带来严重威胁.因此,找到合适有效的湖泊水位模拟方法,对气候变化影响下的未来水位进行预测,并做好相应的应对准备,对湖泊生态系统的保护至关重要.本文运用DYRESM水动力模型对抚仙湖1959—2050年水位进行了模拟.因抚仙湖流域尚无长时间序列的历史水文观测数据,故利用模型和水量补偿法对抚仙湖入湖水量进行反推,构建了降水量-入湖水量的回归方程,并通过有效的实测入湖水量和水位数据,对回归方程的精度进行了检验.利用全球气候模式BCC-CSM2-MR中SSP245和SSP585两种情景提供的未来气候预估数据,运用DYRESM预测了抚仙湖2021—2050年水位变化趋势.结果表明：（1）构建的DYRESM水动力模型和降水-入湖水量回归方程精度较高,模型结果能很好地反映抚仙湖水位的年际和年内变化趋势,且能有效捕捉到抚仙湖的水位峰值.（2）在SSP245和SSP585两种情景下,抚仙湖2021—2050年多年平均水位分别为1722.98和1723.93 m,较1959—2017年平均水位1721.77 m分别升高1.21和2.16 m.两种情景下抚仙湖未来水位均有部分时段超过法定最高蓄水位（1723.35 m）,但均高于法定最低水位.因此,未来气候变化对抚仙湖水量的影响有限,并不会导致水位过低,当水位超过法定最高蓄水位时,可通过控制出流闸门将水位调节在合理范围内.     

长短时记忆神经网络在地电场数据处理中的应用

作为深度学习方法的一种,长短时记忆神经网络(LSTM)是一种信号处理的重要方法.本文基于实际观测地电场数据来合成训练集,对特定结构的长短时记忆神经网络进行训练,将训练所得网络对测试集数据进行测试后,将网络应用至实际观测数据.结果显示,经过训练的网络很好地学到了训练集样本的特征,对测试集数据的信噪比压制了约20 dB,并过滤了人为添加的特定频率的干扰成分,对实际观测数据处理后得到明显的日变、半日变以及半月变、月变、半年变、年变等潮汐响应,表明长短时记忆神经网络可以有效应用于地电场数据处理研究.

     

基于时间序列谐波分析的鄱阳湖湿地植被分布与水位变化响应

采用高时间分辨率遥感信息的谐波分析方法,提取反映鄱阳湖湿地植被指数随水位变化的谐波分量,分别以自然年和水文年的不同周期作为湿地植被指数谐波分析单元,利用时间序列信号的最大振幅谐波分量的变化周期表征湿地植被指数在不同分析单元的变化模式,结合常年水位观测数据和湿地植被群落在不同物候期的时间与空间特征,探讨鄱阳湖国家级自然保护区和南矶湿地国家级自然保护区的植被分布面积与水位变化关系.结果表明:(1)鄱阳湖湿地植被分布受水文状况影响的特征明显,相对于南矶自然保护区,鄱阳湖自然保护区湿地植被分布面积对观测水位的变化更为敏感.(2)两个自然保护区范围内的湿地植被分布面积与对应水文年9和10月的观测水位呈现较强的负相关关系,且在0.05水平上显著.一年两季生长的湿地植被分布面积受退水时间影响大于次年的涨水时间,与枯水期的观测水位无明显的相关关系.(3)两个自然保护区在不同高程区间的湿地植被分布面积与观测水位的相关关系和显著性呈现各自特征.在鄱阳湖保护区,12~13 m高程区间的湿地植被分布面积与9月观测水位的相关性最强,且相关关系在0.05水平上显著;13~14 m高程区间的湿地植被分布面积与10月观测水位相关关系更强.在南矶自然保护区,湿地植被分布面积在不同高程区间均与9和10月观测水位显著相关.采用谐波分析方法分析湖泊湿地的植被分布面积与水位关系有助于基于多时间序列遥感信息的湿地水文节律研究.     

鄱阳湖水位变化规律的研究

根据都昌水位站１９５３￣１９９２年水位资料,对鄱阳湖水位的基本特征、退水过程及演变趋势进行了统计分析,在此基础上指出鄱阳湖开发利用中面临的主要问题和水位变化对鄱阳湖生态环境可能造成的影响。     

地形变化对鄱阳湖枯水的影响

基于2010年鄱阳湖最新地形,构建精细的鄱阳湖二维水动力数学模型,相同网格下构建1998年地形,分别模拟不同地形条件下2006年枯水年水位、流量时空分布,分析地形变化对水位、流量的影响,阐释地形影响的时空差异.结果表明:相比1998年,2010年地形由于北部入江通道的下切,相同的2006年水文条件下,水位普遍降低;水位越低,上下游水面坡降越大,受地形影响越明显;低水位最大降幅1~2 m,而高水位最大不超过0.4 m,分别对应湖口9 m以下、15 m以上水位;地形对水位的影响程度都昌星子棠荫康山;都昌至湖口段水头差降低了2 m,水面坡度变缓,棠荫至都昌段水面坡度变陡,康山至湖口水头差基本不变;全年出湖总流量增加了6%;地形变化影响最显著为河道区,影响范围可波及大部分湖区,局部地形的变化使得子湖水面积也存在一定差异.本研究首次基于水动力模拟量化了鄱阳湖地形变化对水位的影响程度和范围,结果可为水资源管理、江湖关系演变分析、湿地生态环境保护等提供科学参考.     

湖泊生态水位计算新方法与应用

水位是湖泊水文情势的主要特征指标,对湖泊的水量、水质和生物的栖息地等有直接或间接的影响,被认为是湖泊生态系统健康的关键影响因素.如何确定合理的湖泊水位以保证生态系统健康成为湖泊科学研究的重要科学问题.根据湖泊天然水位情势,从天然水文变化中识别多项反映完整水位过程的指标,构建了湖泊生态水位的计算方法.从湖泊天然水位情势中提取出高、低水位的历时、发生时间和变化率等水位指数来表征其生态水位.该方法弥补了传统湖泊生态水位计算方法仅给出最小生态水位的不足,体现了湖泊生态系统健康对水位过程的要求.基于提出的生态水位计算方法和鄱阳湖都昌水位站1952-2000年共49年的日均监测数据,计算了鄱阳湖的生态水位目标值区间,以期为鄱阳湖水利工程生态调度提供决策依据.     

1952-2011年鄱阳湖枯水变化分析

利用鄱阳湖区1952-2011年水文监测资料,分析鄱阳湖近60 a来枯水特征及其变化规律;从流域降水、五河来水、长江上中游来水、湖盆形态等方面的变化,探讨鄱阳湖枯水变化原因.结果表明,进入21世纪后的近11 a鄱阳湖枯水程度显著加剧,尤其是近5 a来最低水位不断被刷新;造成鄱阳湖枯水变化的最主要原因是流域降水和五河来水的相应变化,其次是长江上中游来水变化,湖盆形态变化对于近10 a来枯水加剧起到了推波助澜的作用;三峡大坝蓄水以后,长江上中游来水变化对鄱阳湖枯水变化的控制作用呈现逐渐加强态势.     

三峡工程运行对鄱阳湖水位影响试验

三峡工程运行改变了长江中下游水沙情势,影响了鄱阳湖湖区水位,造成了水资源利用、水质、湿地和生态等方面的新问题.实测日水位资料分析认为:湖区水位年内变化可分为低水、涨水、顶托倒灌和退水4个阶段;顶托倒灌阶段湖区水位基本由长江干流控制,另外3个阶段湖区水位受湖口流量和长江干流的共同影响,受影响程度与水位站位置、湖口流量和长江干流相互作用强弱有关;三峡工程运行没有改变鄱阳湖水位"高水湖相、低水河相"的基本特征,但对水位造成了一定影响.开展物理模型试验探索三峡工程运行对湖区水位的影响程度,结果表明:蓄水期三峡工程运行造成湖区水位降幅较大,枯水年都昌站平均(最大)降幅为0.94 m(2.58 m),枯水年湖区水面面积减小68%;增泄期会增加湖区水位,都昌水位最大增幅约1 m,平水年湖区面积增加约32%;枯水期三峡工程运行对鄱阳湖水位基本无影响.     

鄱阳湖丰水期着生藻类群落空间分布特征

着生藻类一般生长位置相对稳定,其群落分布主要受环境因素的影响,同时,着生藻类还是重要的水环境指示生物.本研究对鄱阳湖丰水期5个典型湖区(主航道、西部湿地、南矶湿地、撮箕湖和东南湖汊)着生藻类的群落结构特征进行调查,包括生物量、优势种及生物多样性,分析影响着生藻类群落区域分布的环境因子,以期为鄱阳湖水环境保护和水资源合理利用提供基础资料.结果表明:鄱阳湖着生藻类群落以硅藻、绿藻和蓝藻为主;鄱阳湖着生藻类总生物量有着明显的区域差异:主航道区域的生物量相对最高,平均为419 mg/m^2;其次是东南湖汊,平均为322 mg/m^2;南矶湿地和西部湿地分别为172和52 mg/m^2;而撮箕湖的总生物量相对最低,为9 mg/m^2.主航道的着生藻类优势种群为绿藻和硅藻,西部湿地、南矶湿地、撮箕湖和东南湖汊4个区域的优势种群为硅藻.冗余分析结果显示鄱阳湖丰水期着生藻类群落分布与总磷、电导率、pH值、总氮、硝态氮和悬浮物等理化因子关系较为密切.鄱阳湖主航道与长江连通,水体流速高;西部湿地、南矶湿地、撮箕湖和东南湖汊为季节性连通湖泊,丰水季节与主湖区水体连为一体,枯水季节独立蓄水.5个湖区的区域差异是导致其着生藻类群落结构差异的重要原因之一.着生藻类的多样性指数分析表明鄱阳湖水体处于中度污染状态.