海底AUV关键技术综述

海底海洋的观测探测,亟需大范围、长时间的观测平台。海底AUV有三大要点：适应海底机动性的结构、适应海底复杂环境的机敏运动性能、适应海底的水声通信定位技术。本文分析了海底AUV的发展与演变历程,凝练出海底AUV的关键技术难题,并相应地给出海底AUV水动力外形优化技术、海底AUV机敏运动控制技术、海底水声通信与定位导航技术、海底接驳与充电技术的解决思路。最后以碟形结构的水下直升机为例,给出了海底AUV的实践探索一例。本文将为海底AUV及其观测探测技术的发展提供指导意义。     

各向异性和倾斜界面介质中P波质点运动的理论模拟与应用

P波质点运动已经成为研究地震台站下方浅部地壳S波速度结构的一种重要手段.然而,现有研究主要基于水平层状各向同性介质的假设,对于各向异性和倾斜界面对P波质点运动的影响仍缺乏系统研究.本文通过理论模拟初步研究了各向异性和倾斜界面情况下的P波质点运动特征.模拟结果表明,各向异性和倾斜界面会使P波质点运动随反方位发生周期性变化,而且这种变化具有频率依赖性,反映了结构的垂向变化.四川盆地是研究青藏高原生长与物质外向逃逸的重要场所.本研究以盆地内部的宽频带流动地震台站S124为例,探讨利用P波质点运动研究浅部地壳各向异性和界面几何结构的可行性.研究结果显示,台站下方~4-5 km以浅的地壳具有明显各向异性（~20%）,且其快轴方向（近东西向）与川中走滑断裂带走向一致.这表明研究区浅部地壳的变形模式可能主要受到断裂构造的控制.本研究的理论模拟和初步应用均表明,利用不同频率P波质点运动的反方位变化能够有效约束浅部地壳的各向异性和/或界面几何结构.

     

基于颗粒流方法的堆积层滑坡运动过程模拟

以颗粒流离散元为研究方法对勉县杨家湾十组堆积层滑坡破坏方式与运动过程进行数值模拟研究。通过PFC^2D双轴模拟试验所标定的岩土体宏观模拟参数与室内试验所获取的宏观实测参数进行对比,确定堆积层滑坡所需的颗粒细观参数,然后将标定的细观参数代入堆积层滑坡模型,对滑坡破坏方式及运动过程进行模拟研究。结果表明：滑坡破坏在初始阶段蠕滑变形累积,滑坡体挤压坡脚,直至坡脚产生剪切破坏,并向上牵引发展,使得滑坡整体顺接触面破坏下滑并堆积于坡脚,表现为典型的牵引式渐进破坏,结果与实际情况基本吻合。研究认为,采用颗粒流方法对堆积层滑坡破坏与运动过程的模拟研究具有较高的适用性,对该类滑坡防治具有一定的参考意义。     

HVSR方法用于地震作用下场地效应分析的适用性研究

以美国Garner Valley Downhole Array（GVDA）竖向观测台阵的强震观测记录为基础,利用水平与竖向谱比（Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio, HVSR）方法与传统谱比方法研究了多次地震作用下竖向台阵场地的波动传播规律,探讨了该场地HVSR曲线与传递函数（Transfer Function, TF）曲线的差异,综合利用频域求解一维层状场地P、SV波入射情况下场地响应的土层地震反应分析方法和合成理论地震图的波数积分法解释了二者差异可能的原因,在此基础上研究了HVSR方法应用于地震作用下场地效应分析的适用性.研究结论表明：竖向地震动场地效应是HVSR与传递函数产生差异的主要原因,竖向地震动场地效应主要是由竖向地震动中的P波成分引起的.在场地竖向放大可以忽略的频段范围内,HVSR可以作为传递函数研究地震作用下的场地效应.     

基于热点参考系的板块绝对运动模型

本文在最新一代板块相对运动模型（MORVEL模型）的基础上,通过最小二乘反演观测热点方向数据建立板块绝对运动模型.经过对前人用于约束板块绝对运动模型的所有热点数据与MORVEL模型的一致性作系统的统计学检验,发现存在离群数据.相应地,提出两种系统剔除离群数据的新方法：逐一剔除法和全局搜索法.结合对总残差的卡方检验和对残差频率分布的正态检验,逐步筛选最优模型,最终得到一个基于热点参考系的板块绝对运动新模型（T87模型）.该模型能够合理拟合全球分布的87个热点方向数据,而模型预测的板块绝对运动速率比观测热点火山的迁移速率系统偏小,最大偏差达到4 cm·a^-1.这样的偏差可由观测热点速率的系统误差或地幔返回流造成的热点间运动解释.不论是哪种解释成立,本文结果表明热点方向数据能够独立、有效地定义全球热点参考系.这样定义的热点参考系可方便地应用于板块绝对运动、地幔对流及真极移的研究.

     

地震动参数速报仪的研制

在出现区域大震后,为了迅速展开有效的应急救援行动,需要及时准确了解烈度分布.目前震动图的获得有震后人工调查、震源参数计算、地震监测台网、地震烈度速报台网等几种方式,其中最有效的是在重点监护区建立烈度速报台网.但烈度速报台网建设往往沿用地震监测台网的模式,建设成本高、台站密度有限、实时数据传输量大.本文研制的地震动参数速报仪采用MEMS加速度计为测震传感器和ARM+Linux嵌入式计算机技术,具有体积小、成本小、功耗低、一体化、智能化的特点;其内置地震信息实时处理算法,能够自动判别地震事件并计算地震动参数;在实际应用中安装简便.通过大量密集布设这种小型仪器而组建的地震动参数速报网络,具有数据传输量小、分布式计算、组成的速报网络可靠性高、能够快速产出高分辨率的精细震动图等特点.     

杭州地区大气水分特征及相关问题的初步探讨

用1951年1月至2003年12月NCEP/NCAR再分析格点比湿、垂直速度资料,以及杭州站降水量资料,分析了杭州地区对流层整层可降水量、低层空气垂直上升运动强度以及地面降水量的演变特点。结果发现,可降水量与低层空气垂直上升运动具有显著的年代际变化,且这两者均利于降水的时段,降水量不一定偏多,这说明空中水资源具有很大的开发空间。对杭州6月大气可降水量的长期变化特征与全球同纬度地区作了对比,发现近53年来,杭州地区6月份降水量处于下降趋势。     

Development of FBMINC model for particle diffusion in fluids

An accurate particle tracking method using FBMINC （new fractional Brownian motion） is outlined. It generates non-Fickian diffusion rather than Fickian diffusion as traditional particle tracking model does. The FBMINC model is based on fractional Brownian motion （fl3m） which is generalization of regular Brownian motion. The two models of fBms （FBM model and FBMINC model） were explored and the differences of the two models are compared from the three aspects： the standard deviation of each step, the small memory and the effect of the number of particles in the cloud. The results show the FBMINC model is a better model as it produces more accurate statistics. The effect of simple shear dispersion for both Brownian and fBm was investigated. The power law scaling of fBm shear dispersion was correctly identified. In addition, a scaling coettieient was found numerically. The FBMINC model is then used for producing both superdiffusive and subdiffusive particle paths, therefore, the non-Fickian diffusion of soil particle clouds can be modelled. The particle clouds represent soil contaminant are released in an idealised coastal bay and the fBm particle tracking method is used for simulation the particle cloud spreading in the bay. There is a noticeable increase in the spreading rate of the cloud. In addition, owning to the spreading rate of the cloud, a noticeable part of it has escaped the bay area and transported downstream. The variation of the Hurst exponent can lead to an area of the flow being affected by a contaminant cloud which is not picked up by the regular Brownian motion models. The purpose of this paper is to bring soil transport engineers a new angle on soil particle transport research in fluids. Using FBM1NC particle tracking model allows more flexibility in simulation of diffusion in soil contaminant spread in coastal bay or ocean surface.     

Fengyun-4 Geostationary Satellite-Based Solar Energy Nowcasting System and Its Application in North China

Surface solar irradiance (SSI) nowcasting (0–3 h) is an effective way to overcome the intermittency of solar energy and to ensure the safe operation of grid-connected solar power plants. In this study, an SSI estimate and nowcasting system was established using the near-infrared channel of Fengyun-4A (FY-4A) geostationary satellite. The system is composed of two key components: The first is a hybrid SSI estimation method combining a physical clear-sky model and an empirical cloudy-sky model. The second component is the SSI nowcasting model, the core of which is the derivation of the cloud motion vector (CMV) using the block-matching method. The goal of simultaneous estimation and nowcasting of global horizontal irradiance (GHI) and direct normal irradiance (DNI) is fulfilled. The system was evaluated under different sky conditions using SSI measurements at Xianghe, a radiation station in the North China Plain. The results show that the accuracy of GHI estimation is higher than that of DNI estimation, with a normalized root-mean-square error (nRMSE) of 22.4% relative to 45.4%. The nRMSE of forecasting GHI and DNI at 30–180 min ahead varied within 25.1%–30.8% and 48.1%–53.4%, respectively. The discrepancy of SSI estimation depends on cloud occurrence frequency and shows a seasonal pattern, being lower in spring–summer and higher in autumn–winter. The FY-4A has great potential in supporting SSI nowcasting, which promotes the development of photovoltaic energy and the reduction of carbon emissions in China. The system can be improved further if calibration of the empirical method is improved.     

结构保持的图像序列自适应超分辨率重建

基于概率运动估计的超分辨算法能克服传统超分辨率方法过分依赖于准确运动估计的缺点,为了改善其重建效果,通过分析图像的局部结构模式,给出了局部空域活跃度的定义表征图像的局部结构特征,设计了形状、尺度自适应的非局部空时邻域窗口函数,进而提出了一种结构保持的超分辨率自适应重建算法。实验结果显示,本文方法具有更好的重建性能。