矿井突水水源判别的ESN正则化模型

针对标准回声状态神经网络（ESN）因病态解而导致水源判别模型准确率低,精度差的问题,提出了将6种正则化方法与ESN神经网络相结合,并应用于矿井突水水源的判别,与标准ESN模型的判别结果进行对比分析。结果表明：ESN模型易出现过拟合问题,判别准确率只有49%~88%;而采用阻尼最小二乘奇异分解法（DSVD）与广义交叉验证法（GCV）相耦合的正则化方法能够较好的解决模型病态解问题,使模型的准确率提高到100%,最佳判别精度比标准ESN模型提高了64%,稳定性提高了61%;且该方法对不同规模的储备池结构表现出较强的适应性,不仅简化了模型的映射关系,提高计算效率,还增强模型的泛化能力。因此,基于GSVD_GCV正则化的ESN水源判别模型可作为一种快速有效判别矿井突水来源的新方法。     

低频扰动增量法在华南冬季低温延伸期预报中的应用研究

通过扰动物理量分解方法和增量预报方法,提出低频扰动增量的定义,分析冬季大气低频扰动信号与华南低温事件的可能联系,构建基于低频扰动增量的华南冬季低温延伸期预报模型,为低温延伸期预报提供科学参考依据。分析表明:(1)东半球500 hPa高度场低频扰动变化显著区域主要位于中高纬度45°×80°N地区,尤其在乌拉尔山脉附近及其以西的东欧地区和贝加尔湖以北的中西伯利亚地区;(2)500 hPa中高纬高度场和风场低频扰动增量的前两个EOF模态反映了周期为20 d左右低频振荡的传播型模态,EOF1反映的是导致中高纬度两槽一脊型的环流形势得以维持的低频扰动特征,EOF2反映的是中高纬度高空槽东移后出现的低频扰动特征,研究揭示了华南最低气温低频扰动增量与该低频传播模态的关系十分密切;(3)基于低频扰动增量的延伸期预报准确率明显优于直接应用原始场的延伸期预报,重点抓住大尺度环流的低频扰动增量及由其引起的预报量的扰动增量,可以提高延伸期预报的准确率。     

基于优势低频带地震数据的属性融合断层识别方法

断层是剩余油的重要富存区,地震精细刻画断层对于高效挖潜剩余油具有重要意义.针对传统断层识别方法精度低、不确定性大等问题,提出一种基于"优势"频率数据体的相干-倾角-方位角三属性融合断层识别方法.该方法首先通过匹配追踪频谱分解对地震数据进行分频处理,获取有利于断层刻画的"优势频率";再以地震"子体"为运算对象,在免受噪声影响的情况下,从优势频率单频数据体中获取相干、倾角和方位角属性;基于HIS（Hue-Intensity-Saturation）变换融合不同属性后,最终实现断层高精度识别.理论模型测试表明,优势频率可以突出断距3 m以上断层反射特征,有效避免岩性边界响应特征干扰断层识别,降低了识别结果的不确定性.该技术应用于L油田,首次发现其优势频率为低频端25 Hz,实现了L油田断裂体系重建,指导该油田发现两个断层剩余油富集区、部署两口沿断面大位移定向井,取得了显著的开发效果.     

基于深度残差网络与MVMD的多通道地磁信号处理

地磁数据在地震预报、空间天气监测、矿产资源勘查、地球深部构造探索等领域具有重要价值.但现有的地磁台站观测数据受到人文噪声污染的问题日益严重,给地球内部高精度成像带来了极大困难.为此,我们将深度残差网络(residual network,ResNet)与多元变分模态分解(multivariate variational mode decomposition,MVMD)引入到地磁信号的处理,提出一种新颖的多通道地磁信号处理方法.首先,利用深度残差网络对大量人工标记的数据集进行训练,得到基于残差网络的地磁信噪识别模型;然后,利用训练好的模型识别出观测信号中的含噪片段;之后,利用MVMD对含噪片段进行多通道的信噪分离,得到去噪后的片段;最后,用去噪后的片段代替原始观测信号中的含噪片段,得到完整的高质量信号.为验证方法的有效性,我们设计了仿真实验,结果表明所提方法可以将观测信号的信噪比提高约15 dB,相对于变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)、互补集合经验模态分解(complementary ensemble empirical mode decomposition,CEEMD)、数学形态滤波(mathematical morphological filtering,MMF)、小波去噪(Wavelet)等方法具有较明显的优势,且适合多通道信号的同时处理.我们将所提方法应用于菲律宾海及西太平洋的海底观测的地磁数据,结果表明所提方法的识别精度约为98%,并能够极大改善信号的质量.去噪后的信号与相邻台站的同时段高质量信号的相似度由去噪前的94.75%提升到了97.34%,表明处理结果是可靠的,使用我们的方法有望提高地磁数据成像的精度及可靠性.

     

蓬莱近岸海域夏季悬浮泥沙输运及控制因素

基于2019年6月在蓬莱近岸海域实地观测获取的样品和数据,研究了海流、温度、盐度和悬浮泥沙的时空分布特征,利用小波分析、单宽通量机制分解和Richardson数等方法,探讨了悬浮泥沙的输运机制和控制因素。研究区悬浮泥沙在平面上呈以登州浅滩为中心向周围海域逐渐降低的分布特征,垂向上呈由表层至底层逐渐升高的趋势。悬浮泥沙浓度变化与潮流变化具有较好的正相关关系,但在时间上滞后1～2 h。研究区单宽净输沙率为7.84～43.12 g/(s·m)。平流输运在研究区悬浮泥沙输运过程中占主导地位,垂向净环流输运次之。潮流是研究区悬浮泥沙输运的主要动力,悬浮泥沙净输运方向与余流方向一致,登州水道南部悬浮泥沙由西向东输运,水道中部悬浮泥沙由东向西输运,南长山岛两侧悬浮泥沙呈向水道输运的趋势。研究区海域部分水体层化现象明显,水体混合受到抑制,悬浮泥沙的分布和输运受到潮流、水体混合和地形地貌共同控制。     

基于本征正交分解的湍流去噪

在近岸河口湍流研究中,实测的湍流资料往往容易受到噪声的影响,导致湍流特征量的估算出现偏差。本征正交分解是一种将流场在能量上进行分解再重构的方法,基于该方法,结合数值实验和野外实测资料,对包含噪声的湍流数据进行了去噪处理。结果表明：（1）本征正交分解能有效去除湍流中的噪声。在进行信号重构时,应将保留能量的百分比与湍流能量占比保持一致。去噪的效果与噪声占比有关,噪声占比越高,去噪效果越明显。（2）在实测资料中,憩流时刻的噪声占比要显著大于非憩流时刻,水平方向的噪声占比要大于垂直方向。经过本征正交分解去噪后,各湍流特征量的估算更加合理。     

基于不等式约束的最小二乘法三维电阻率反演及其算法优化

基于光滑约束的最小二乘法是三维电阻率反演的主要方法,但该方法在某些情况下存在着多解性较强的问题,且普遍耗时较长,严重制约了三维反演方法的推广与发展.为改善上述问题,将表征模型参数变化范围的不等式约束作为先验信息引入最小二乘线性反演方法中,有效地改善了反演结果的精度,降低了反演的多解性问题.为了解决耗时较长的问题,基于预条件共轭梯度(PCG)算法和Cholesky分解法的特点提出了一套优化三维电阻率反演计算效率的计算方案.在该方案中,Cholesky分解法被用来求解敏感度矩阵计算中的多个点源场的正演问题,Cholesky分解法只需对总体系数矩阵进行一次分解,然后对不同的右端向量进行回代即可.将预条件共轭梯度法引入到三维电阻率反演方程的求解中,将雅可比迭代中的对角阵作为预处理矩阵,其具有求逆方便、无需内存空间的特点,有效地加快了收敛速度.对合成数据以及实测数据的反演算例表明,借助不等式约束和反演效率优化方案,最小二乘反演方法可得到较为精确的反演结果,有效地提高了反演计算效率,具有良好的推广前景.     

基于遗传算法的大地电磁阻抗张量分解方法研究

本文针对Groom-Bailey分解法在消除地表电性不均匀体对MT数据的畸变效应时存在的问题引入遗传算法,对基于传统线性最优化方法的GB分解算法进行改进,提出基于遗传算法的大地电磁阻抗张量分解方法.通过对理论合成数据以及三维/二维模型正演数据的分解试验,并且对青藏高原北缘阿尔金断裂地区实际MT数据进行分解处理,证明了基于遗传算法的GB分解能够更加有效地校正三维/二维情况下近地表三维电性不均匀体所造成的畸变影响.最后,在已有算法基础上,研究了基于遗传算法的多频率GB分解算法和MT数据静校正算法,并通过实际MT数据的处理证明了这些算法的有效性.     

一个创新研究——大气数值模式变量的物理分解及其在极端事件预报中的应用

大气温度、湿度、位势高度和风等数值模式变量可以物理分解为纬圈-时间平均的对称部分和时间平均的非对称部分,以及行星尺度瞬变扰动和天气尺度瞬变扰动等四个部分.区域持续性干旱、暴雨、热浪、低温和雨雪冰冻等极端天气事件与前期及同期数值模式中的行星尺度和天气尺度大气扰动系统之间呈现出密切的关系.瞬变扰动天气图可成为预报极端天气事件的新工具.本文在归纳本期9篇原创性文章的基础上,探讨大气变量物理分解后需要进一步研究的理论问题和应用前景.     

有限区域分解分析方法在2006年一次东北冷涡暴雨分析中的应用

2006年7月19—24日,东北地区出现一次明显的冷涡发展导致强降水的过程.对这次东北冷涡过程的天气形势分析表明,该东北冷涡的维持和发展与冷涡东部阻塞高压的建立与消亡有关.本文根据500 hPa环流形势演变特征,将东北冷涡发生发展过程分为4个阶段,并借助调和-余弦谱展开方法,对东北冷涡各阶段850 hPa水平风和水汽通量进行无辐散和无旋转分量分解,分析各阶段无旋转风动能和无辐散风动能之间的能量转化.研究结果表明,分解得到的无辐散风及其水汽通量清楚地展现出了东北冷涡的大尺度环流和水汽输送通道及水汽来源,而从无旋转风及其水汽通量上则可以直观地看到冷涡低层的中小尺度风场及水汽辐合辐散区,为分析东北冷涡内部对流提供帮助.东北冷涡发展的不同阶段其水汽来源有所不同,初始阶段的水汽主要来自黄海和渤海地区,发展阶段水汽主要来自日本海,而到成熟阶段和减弱阶段,水汽输送通道被破坏,冷涡的水汽供应大大减少,与同时期暴雨减弱一致.同时,无旋转风辐合强值区和无旋转风水汽通量大值区的重合区域有利于强对流的发生发展,表现为重合区与TBB(Temperature of Black Body,黑体辐射温度)强对流云带的形状和位置对应良好,与降水落区也较为一致,可为预报东北冷涡引发的强降水落区这一预报难点问题提供参考.从动能转化上看,无旋转风和无辐散风的动能转化项能很好地反映东北冷涡整个生命史过程中各阶段强度的变化特点,对冷涡强度预报具有一定的指示意义.