Geophysical flows under location uncertainty,Part II Quasi-geostrophy and efficient ensemble spreading

Models under location uncertainty are derived assuming that a component of the velocity is uncorrelated in time. The material derivative is accordingly modified to include an advection correction, inhomogeneous and anisotropic diffusion terms and a multiplicative noise contribution. In this paper, simplified geophysical dynamics are derived from a Boussinesq model under location uncertainty. Invoking usual scaling approximations and a moderate influence of the subgrid terms, stochastic formulations are obtained for the stratified Quasi-Geostrophy and the Surface Quasi-Geostrophy models. Based on numerical simulations, benefits of the proposed stochastic formalism are demonstrated. A single realization of models under location uncertainty can restore small-scale structures. An ensemble of realizations further helps to assess model error prediction and outperforms perturbed deterministic models by one order of magnitude. Such a high uncertainty quantification skill is of primary interests for assimilation ensemble methods. MATLAB^® code examples are available online.     

水下多路液压快速接头的夹头结构分析与优化

深海油气田水下生产系统装备之间的精准连接是国际公认的技术难题,对接一般通过深海连接器完成。弹性夹头是水下连接器的重要组成部分,其性能关系到海洋油气生产系统的安全性和可靠性。弹性夹头的主要作用是在水下机器人的辅助下连接和锁紧连接器的固定端和移动端。采用ABAQUS软件的显式动力学分析模块计算夹头夹紧心轴这一过程中的应力、反作用力状态。三维模型仿真结果表明,锁紧过程中弹性夹头的最大应力不超过430 MPa,小于所选取的材料屈服强度480 MPa。采用正交试验和方差分析的方法研究夹头的长度、夹头与心轴的间隙等几个关键尺寸从而分析影响夹头应力和连接所需推力的最显著因素。对夹头的结构进行优化设计,同时也为夹头心轴结构的设计提供了理论依据。最后,通过试验研究对样机进行测试,测试结果表明,夹紧动作所需的最大推力在700 N以下。     

全球温升1.5℃和2.0℃情景下中国降雨诱发地质灾害危险性和人口暴露度评估研究

气候变化情景下极端降水事件的频次和强度预估呈增加趋势,这会导致全球部分地区极端降雨诱发地质灾害风险的增加。本文基于中国降雨诱发地质灾害易发性模型和不同地貌分区的累积事件降雨量-降雨历时阈值曲线,采用最新的CMIP6全球气候模式多模式集合结果,基于全球温升目标情景的视角,从地质灾害空间易发性和发生频次两方面,探讨温升情景下中国地质灾害危险性的可能变化及其对暴露人口的潜在影响。结果表明,CMIP6多模式集合预估的多年平均降水在温升1.5℃和2.0℃情景下相比基准时期可能增加5.4%～9.5%,导致中等至极高地质灾害易发区范围预估增加0.33%～0.74%,由于预估的极端降水事件增加,地质灾害发生频次预估增加7.0%～11.2%,进一步综合未来人口空间分布,潜在地质灾害暴露人口可能增加6.20亿人次（18.90%）和4.26亿人次（12.97%）。各地貌分区未来情景下地质灾害危险性预估增加且存在显著的空间异质性,温升2.0℃情景下中等至极高易发性范围相比基准时期增加0.71%～1.28%,地质灾害发生频次预估增加1.2%～15.6%,其中,青藏高原区地质灾害危险性增加最明显。综合考虑未来人口...     

2017年四川九寨沟7.0级地震前地震应变场分析

以地震应变场作为地震活动的变量,通过自然正交函数展开方法,计算2017年8月8日四川九寨沟7.0级地震前的地震应变场,提取出震前时间因子的异常变化。计算结果发现应变场前4个时间因子在震前1~3年的中短期异常并不显著,只有第2个和第4个时间因子震前有小幅度的异常变化,分析其原因,时间因子可能受到2008年汶川8.0级地震和2013年岷县漳县6.6级地震前大幅度异常的影响。与时间因子对应的空间等值线形成局部应变高值异常危险区,可能是2013年岷县漳县6.6级地震和2017年九寨沟7.0级地震空间异常的中短期特征。再对比九寨沟7.0级地震前后与松潘-平武7.2级双震的空间异常随时间演变,分析异常发展变化模式的差异,最后应用地震资料的累积频次从物理角度解释异常形成的机制。     

M-估计法广义变分同化FY-3B/IRAS通道亮温

采用FY-3B/IRAS亮温资料进行广义变分同化研究。广义变分同化结合了经典变分同化和稳健M-估计两者的优点。区别于经典变分同化依赖于先前的质量控制并要求误差服从高斯分布,把M-估计法耦合到经典变分同化框架中,得到广义变分同化,其弱化了同化前的质量控制和误差服从高斯分布这两个条件。目标能量泛函包含M-估计以保证对离群值具有稳健性,从而能够得到较好的同化结果。对比变分同化前后的FNL资料湿度与GDAS湿度相关系数作为同化结果检验评价。具体操作过程在FNL作为背景场的基础上分别采用经典和M-估计不同的权重因子变分同化FY3B/IRAS资料,把得到的分析场与GDAS进行相关性比较,由于湿度具有较强的非高斯性,文中首先评估了安徽省13个站GPS/PWV和积分相关湿度廓线得到大气可降水量(即GDAS/PWV和FNL/PWV资料)的相关性,进一步基于信息熵自由度思想进行了近一个月IRAS 20个通道对分析场的影响贡献率诊断研究。     

基于集合卡尔曼变换的区域集合预报初步研究

为了深入研究集合卡尔曼变换(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF)初值扰动方法,提高集合预报质量,从全球大集合预报资料中提取初始扰动场,建立区域模式的ETKF初值扰动方案,对2008年7月22日发生在中国东部的一次暴雨过程进行集合预报试验,并分析ETKF方案构造的扰动场特征和集合预报效果。结果表明,由ETKF初始扰动方案产生的扰动场大小与分布合理,能够反映观测站点的空间分布,能够保持所有正交、不相关方向的误差方差。集合预报降水落区相对控制预报有所改善,集合平均小雨和中雨TS评分和BS评分总体优于控制预报。24h集合预报的Talagrand分布优于36h预报。试验结果揭示了ETKF初值扰动方案的基本性质及利用ETKF方法进行区域集合预报的可行性。     

Groundwater contaminant source identification based on iterative local update ensemble smoother

Identification of the location and intensity of groundwater pollution source contributes to the effect of pollution remediation, and is called groundwater contaminant source identifcation. This is a kind of typical groundwater inverse problem, and the solution is usually ill-posed. Especially considering the spatial variability of hydraulic conductivity field, the identification process is more challenging. In this paper, the solution framework of groundwater contaminant source identification is composed with groundwater pollutant transport model (MT3DMS) and a data assimilation method (Iterative local update ensemble smoother, ILUES). In addition, Karhunen-Loève expansion technique is adopted as a PCA method to realize dimension reduction. In practical problems, the geostatistical method is usually used to characterize the hydraulic conductivity feld, and only the contaminant source information is inversely calculated in the identifcation process. In this study, the identification of contaminant source information under Kriging K-field is compared with simultaneous identification of source information and K-field. The results indicate that it is necessary to carry out simultaneous identification under heterogeneous site, and ILUES has good performance in solving high-dimensional parameter inversion problems.     

地震地面运动能量分析的新方法--小波变换

从小波变换的基本原理出发,利用小波能量特性及正交特性,根据加速度记录推导出小波变换下的地震地面运动的能量时程公式,通过小波变换后求得的能量同时包括了地震动时域和频域内的能量,而且这种方法从理论上是可行,从方法实现上也是比较简单的。     

Soil resistances for laterally loaded rigid piles in multi-layered elastic soil

ABSTRACT

Short stubby piles like monopiles and large diameter drilled shafts undergo rigid body translation and rotation when subjected to a lateral force and/or a moment at the head. A method of analysis for these piles embedded in multi-layered elastic soil is developed using the variational principles of mechanics. Using this analysis, the soil resistance against pile movement can be rigorously related to the soil elastic constants, and the pile head displacement and rotation can be quickly calculated. The equilibrium equations for pile and soil displacements are obtained using the principle of virtual work and solved using an iterative algorithm. Pile responses obtained from the analysis match well with those obtained from three-dimensional finite element analyses in which the same inputs of loads, geometry, and material properties are given. Based on the new analysis, fitted equations for soil resistance parameters are developed, which can be used to directly calculate the pile head displacement and rotation without the use of the iterative algorithm. Numerical examples are provided that demonstrate how the method can be used to analyse practical problems.     

新型地震预警方法研究及预警能力分析

本文研究了一种不同于传统地震预警方法的新型预警方法。这种预警方法利用数据同化技术对实时波动场进行精确估计,然后再利用基于辐射传输理论的蒙特卡洛直接模拟法对波动能量的传播做数值模拟,并最终计算预警目标区烈度并做阈值判断发出预警警报。整个预警过程无需触发、无需定位、无需测定震级、无需利用衰减关系,较传统预警方法具有明显不同的技术手段,比较有效避免了传统地震预警方法中一系列基于经验统计规律的误差累积和单纯依靠初至P波信息在应对复杂地震时的局限性。本文选择了2011年3月11日日本M_w9.0地震和2016年2月6日台湾M_w6.7美浓地震作为预警模拟震例,分析并论证了本文预警方法在处理网外地震、网内地震以及复杂地震时的预警能力,最终得出本文预警方法在应对网内地震时具有良好的预警准确性和时效性,以及相对于传统预警方法在处理复杂地震时具有较大的优势。最后,总结并展望了本文研究工作的不足之处和有待继续研究的地方。