变分同化框架通过背景误差协方差构建动力平衡约束的研究进展

通过背景误差协方差构建动力平衡约束是变分同化框架设计的重要环节。它不仅帮助实现变量间的协同分析,提高观测使用效率,还能改善变分极小化问题的性状。本文在系统梳理通过背景误差协方差引入动力平衡约束的方式、流程的基础上,对求解目前全球和有限区域变分同化系统普遍采用的准地转平衡和静力平衡约束的共性问题和存在的不足作了归纳总结。分析了求解准地转平衡约束的三类方案:动力平衡方程方案、统计方案和动力-统计相结合方案的优缺点。对照比较了不同垂直离散方案下求解静力平衡约束时遇到的欠定问题的表现以及解决途径。最后,展望了基于背景误差协方差构建动力平衡约束在赤道等特殊地区、高分辨率同化系统、以及集合-变分混合同化系统发展中面临的挑战和机遇。     

内蒙古河套灌区春玉米作物系数试验研究

作物系数曲线是估算作物生长季耗水量变化的重要参数。基于2013年4—9月内蒙古巴彦淖尔市临河区田间水分试验和1994—2013年气象站观测资料,利用水量平衡法反求春玉米作物系数,分析生长季内的变化规律, 建立动态模拟方程,并与联合国粮农组织 (FAO) 分段直线法结果进行比较, 提出胁迫条件下作物系数的叶面积修正方法。结果表明:玉米作物系数随发育进程可用三项式曲线描述,变化趋势与产量水平无关, 但随产量增高而变幅增大;以出苗后相对积温为时间变量建立模拟方程效果较好,决定系数 (R2) 均在0.92以上;模拟计算出各站点最大 (1.30~1.48) 和平均 (0.831~0.919) 作物系数,与FAO分段直线法计算的典型值和区间值基本一致,生长中期平均相对误差为3.4%~7.2%;提出利用相对叶面积指数修正作物系数的计算方法;通过2014年实例检验,土壤水分模拟值与实测值的平均相对误差为6.3%,相对误差小于15%的占95.8%。     

基于自动观测站的鲁中地区土壤水分变化规律及精细化预报模型的研究

为了建立鲁中地区土壤水分精细化预报模型,利用2010—2013年农田土壤水分自动站逐日资料进行土壤水分年、月变化特征研究,并结合附近自动气象站资料,以土壤水分平衡方程、农田蒸散模型为基础,采用逐步回归和曲线估计等方法建立4—6月无降水条件下平原水浇田与山旱田土壤水分1 d、7 d降幅的经验预报模型。结果表明:鲁中地区0~100 cm土壤水分贮存量年变化趋势和0~50 cm基本一致,年最高出现在8月,最低出现在6月,年降幅最大出现在3—6月,易出现干旱。对预报模型进行回代和预报检验结果显示,回代平均相对误差为0.07%,7 d模型和1 d模型滚动预报第7天0~50 cm土壤水分贮存量,绝对误差分别为-0.15和-2.17 mm,平均相对误差分别为-0.07%和-1.56%,模型具有较强的理论基础和实用性,预报精度较高,为鲁中地区土壤墒情监测和精细化预报提供支持。     

2001年秋季风对坦帕湾盐度平衡的影响

利用三维高分辨率有限体积的近海海域模型FVCOM来分析2001年秋季期间风作用对坦帕湾区域盐度平衡的影响。为了区分风的影响,分别设计了两个实验：一个由潮汐和河流作为驱动,另一个由潮汐、河流以及风场共同驱动。结论如下：首先,风作用会使盐度产生变化,能够明显地使坦帕湾内的盐度增加,并导致水平和垂直方向上盐度梯度的减少;随后,本文分析了坦帕湾区域内的盐度平衡,主要的盐度平衡来自于全部（水平和垂直方向上）平流的盐度流量分歧以及除去海峡底部的垂直方向上盐度流量分歧;最后,对由风引起的盐度变化进一步进行分析,结果表明风作用不能改变盐度平衡地位的相对重要性,由风引起的盐度平衡改变高度依靠于特殊的地形,除此之外,全部平流盐度流量分歧和垂直散布盐度通量分歧能够抵消,并且两者都远大于水平散步盐度流量分歧。     

Effects of linear and exponential heterogeneity on the dynamic response of a moving load in an irregular isotropic half-space: a comparative study

Heterogeneity, being a trivial feature inside the earth or in a geostructure, makes a strong basis for its consideration in the study of geomechanics. Inclusion of the concept of heterogeneity along with irregularity in the medium brings a novelty to the existing literature related to the study of the moving load. The present study investigates the effects of linear and exponential heterogeneity on the dynamic response due to a normal load moving with constant velocity on a rough irregular heterogeneous isotropic half-space in a comparative approach. Expressions for both normal and shear stresses for either case of heterogeneity have been established in closed form. Substantial effects of the affecting parameters such as depth, irregularity factor, maximum depth of irregularity, frictional coefficient, linear heterogeneity parameter and exponential heterogeneity parameter on normal and shear stresses for both the cases of heterogeneity have been observed. Numerical computation has been carried out and the effects of said parameters have been meticulously examined by means of graphs. Moreover, different cases of heterogeneity and homogeneity along with various types of irregularity namely rectangular, parabolic and no irregularity are compared which serve as a focal theme of the study.     

腐蚀管道在内压和轴向压力影响下的弯曲破坏

运行在恶劣环境中的海底管道,往往受到内压、轴力和弯矩等复杂荷载的联合作用。腐蚀会导致管壁局部变薄,降低管道极限承载力。为保证管道安全高效运行,准确预测和分析复杂荷载作用下的塑性极限承载力和变形行为就显得尤为重要。考虑大应变和大变形、应力强化和材料非线性,运用数值仿真软件建立腐蚀缺陷管道的三维实体有限元模型,在全尺寸管道破坏试验验证的基础上,对腐蚀管道在内压、轴向压力和弯矩相互作用下的失效模式和极限弯矩承载力进行了相关研究,并进行了腐蚀缺陷几何参数的敏感性分析。研究结果表明:初始内压和初始轴向压力会显著降低腐蚀管道的极限弯矩承载力,并且影响最终的失效模式;在腐蚀缺陷几何尺寸参数中,腐蚀宽度比腐蚀深度和腐蚀长度的影响更大。     

Field Evaluation of the Vertical Bearing Capacity of a Screw Pretensioned Spun High-Strength Concrete Pile

This study has evaluated the vertical bearing capacity by conducting static load tests for noise-free and vibration-free screw pretensioned spun high-strength concrete (PHC) piles installed using two different methods (end-squirting shoe and pre-boring methods). Vertical bearing capacity differences seem to occur due to the displacement of soils near the external circumference of a pile, depending on the installation method. A method by which to evaluate the bearing capacity of screw concrete piles is suggested by considering the equations that already have been used to calculate the bearing capacity of piles. Based on static load tests and analysis, the pile installed using the end-squirting shoe method was assumed to be a bored pile and it was reasonable to use the equation proposed by the Japanese Geotechnical Society. At the same time, the pile installed using the pre-boring method was deemed a low soil displacement pile and so it was reasonable to apply the equations proposed for calculating the bearing capacity of the driven pile suggested by the Architectural Institute of Japan.     

小秦岭太峪水系沉积物重金属污染生态危害评价

以金矿开发影响的黄河二级支流太峪水系沉积物为研究对象,沿河采集16个表层沉积物样品,分层采集垂向剖面10件水库沉积物样品,测定了样品中重金属元素Hg、Pb、Cd、Cr、As、Cu和Zn的含量,采用Hakanson潜在生态指数法和Tomlinson污染负荷指数法评价重金属元素污染程度和潜在生态风险。结果表明,矿业活动是太峪水系沉积物重金属元素污染的主要因素;变异系数、富集系数和最高污染系数均反映Hg、Pb、Cd是太峪水系沉积物的特征污染重金属元素,Cr和As的质量分数接近地区背景值;太峪水系表层沉积物受到重金属元素的极强污染,山区段污染较山外更严重;整个流域的Hg、Pb、Cd具有很强的潜在生态危害,Cr、As、Zn的潜在生态危害轻微;太峪水系沉积物垂向各层沉积物都受到重金属元素的极强污染,生态问题以Hg、Pb、Cd的潜在生态危害为主,其污染和生态危害程度都高于流向上的沉积物。潜在生态危害指数评价突出了不同元素的毒性和危害程度,而污染负荷指数法侧重于样本空间上的污染程度,二者互补使用有利于实际问题的全面评价。     

北极斯瓦尔巴、高亚洲和阿尔卑斯山冰川物质平衡对比研究

基于冰川物质平衡和平衡线高度数据,对北极斯瓦尔巴、高亚洲和阿尔卑斯山的冰川物质平衡变化和平衡线高度空间分布特征进行了对比分析,得出以下结论：（1）阿尔卑斯山冰川年均负物质平衡值最大,为-907 mm;斯瓦尔巴为-431 mm;高亚洲最小,为-264 mm。（2）高亚洲和斯瓦尔巴冰川物质平衡年振幅较小,年际变化较小;阿尔卑斯山冰川物质平衡年振幅较大,年际变化较大。斯瓦尔巴冰川物质平衡趋向正平衡,阿尔卑斯山和高亚洲冰川物质平衡趋向负平衡。（3）斯瓦尔巴内陆的冰川平衡线高度高于沿海地区,高亚洲冰川平衡线高度呈纬向地带性、经向地带性和区域地带性的分布规律,阿尔卑斯山的冰川平衡线高度主要受冰川所处海拔的影响。     

丹阳天王寺边坡稳定性评价及防治措施

针对苏南地区典型露采边坡的地层岩性及地质构造特点,以极限平衡理论为基础,运用GeoStudio软件中的SLOPE/W模块和VADOSE/W模块计算分析江苏丹阳天王寺边坡在天然工况、暴雨工况及地震工况下的稳定性。结果表明:天然工况下,潜在滑动面分布范围最小,稳定性最高,存在滑动的危险性;暴雨工况下,潜在滑动面分布范围有所增大,稳定性降低,边坡滑动的可能性较大;地震工况下,潜在滑动面分布范围最广,稳定性最低,边坡滑动的可能性很大。基于上述结果,提出防治措施。