基于优化经验模态分解和聚类分析的滑坡位移智能预测研究

针对三峡库区"阶跃式"滑坡的变形特征,提出了一种新的滑坡位移预测方法。以白水河滑坡ZG118和XD-01监测点位移数据为例,采用基于软筛分停止准则的经验模态分解(SSSC-EMD)将累计位移-时间曲线和影响因子时间序列自适应地分解为多个固有模态函数(IMF),并采用K均值(K-Means)聚类法对其进行聚类累加,得到有物理含义的位移分量(趋势性位移、周期性位移以及随机性位移)和影响因子分量(高频影响因子和低频影响因子)。使用最小二乘法对趋势性位移进行拟合预测;采用果蝇优化-最小二乘支持向量机(FOA-LSSVM)模型对周期性位移和随机性位移进行预测。将各位移分量预测值进行叠加处理,实现滑坡累计位移的预测。研究结果表明,所提出的(SSSC-EMD)-K-Means-(FOA-LSSVM)模型能够预测"阶跃式"滑坡的位移变化规律,且预测精度高于传统的支持向量机回归(SVR)、最小二乘支持向量机(LSSVM)模型;并通过改变训练集长度,进行单因素分析,发现其与预测精度之间呈正相关关系。     

海洋涡旋在模态水形成与输运中的作用

模态水在全球气候变化中有着重要作用.但是由于缺乏海洋次表层的高分辨率观测,对空间尺度为百公里的海洋中尺度涡旋如何影响空间尺度大于千公里的模态水的认识仍然欠缺.为了解决这一科学难题,在科技部的支持下,实施了一次成功的海上观测试验.系统梳理了基于该观测数据所发表的有关涡旋影响模态水潜沉和输运的主要研究成果:①捕捉并揭示了中尺度涡导致混合层水潜沉的过程和动力机制;②发现了中尺度涡携带模态水迁移的新路径;③阐明了模态水多核结构的形成机制.研究结果揭示了黑潮延伸体海域中尺度涡旋影响大尺度模态水的物理本质,为该海域多时空尺度海洋—大气相互作用作出了一定的贡献.通过对该次观测试验结果的分析和总结,得到了如下新的科学推论:海洋次中尺度过程对模态水的形成和耗散也具有重要影响.     

我国华南江南春季雷暴气候特征分析

基于我国华南江南地区274个基本地面气象观测站数据、全国闪电定位数据以及欧洲中心的全球大气再分析数据(ERA-Interim),对1981—2017年华南江南地区的春季雷暴日采用经验正交函数分解方法(EOF),并与气象要素场做回归分析。得出以下主要结论:(1)我国华南江南地区春季雷暴活动高发区主要在广西东部至广东西部;其高峰期在下午18:00和凌晨4:00左右,且大多数雷暴活动持续时间不超过3 h;山区雷暴活动主要在傍晚至夜间;平原雷暴活动主要在白天,高峰在17:00及06:00前后;(2)华南江南地区的雷暴活动存在着3~5年的短周期和16年左右的长周期变化;(3)雷暴日距平EOF分析的前3个主成分累计方差贡献达到72.3%。按其向量场的方差贡献分型,Ⅰ型表现为华南江南雷暴活跃特征呈现较统一的变化规律。深厚西南低涡槽前、上干下湿的水汽层结、上冷下暖的温度层结为华南江南地区发生大范围雷暴天气提供良好的动力、水汽和位势不稳定条件,是华南江南雷暴活跃异常的主要模态;Ⅱ型表现为从华南南部到江西与浙江南部有一条西南-东北向、下宽上窄的雷暴活跃正距平异常区,而两侧为负距平异常区。其环流特征表现为温度整层偏冷,水汽整层偏湿,而西南槽前动力抬升有利于水汽抬升凝结触发对流形成雷暴;Ⅲ型表现为华南和江南地区雷暴活跃特征呈南北反位相异常,其分界线在26 °N附近。其环流特征表现为较强的干冷空气南下与南方暖湿空气在南岭山区对峙形成异常的垂直环流圈。在其上升支,低层干冷空气被卷入中高层使得中高层暖湿空气凝结释放潜热形成对流,造成华南地区多雷暴发生,而江南地区处于垂直环流的下沉支,整层湿度偏干,造成江南地区雷暴相对偏少。      

北大西洋地区气候准20年周期的观测和模拟分析

北大西洋地区除了存在约70 a周期的AMO（Atlantic Multidecadal Oscillation,北大西洋年代际振荡）之外,历史长期气候记录中英格兰温度（Central England Temperature,CET）与格陵兰冰芯净雪累计率还存在显著的20 a周期波动。本研究利用CCSM4（Community Climate System Model version 4）耦合模式工业革命前控制试验（piControl）结果中的海表面温度（Sea Surface Temperature,SST）,通过10～50 a带通滤波与扩展经验正交函数（Extended Empirical Orthogonal Function,EEOF）分解,得到在北大西洋副极地海区存在准20 a振荡的逆时针旋转模态。此周期与其临近地区的CET、格陵兰冰芯净雪累计率的准20 a振荡周期相吻合,说明这种北大西洋副极地海区准20 a振荡的海洋模态与其临近地区的大气准20 a振荡之间可能存在相应的联系。进一步利用CAM4（the Community Atmosphere Model version4）大气模式,以北大西洋副极地海区准20 a振荡SST旋转模态为强迫场进行敏感性试验,进一步验证了这种联系。     

Morlet 小波用于环境激励下的模态参数识别研究

本文分别从卷积和Parseval定理的角度推导了非正交小波变换系数的实用计算方法。在环境激励下以互相关函数代替系统的自由响应数据,给出了基于Morlet小波变换的频率、阻尼比的参数识别方法,重点介绍了基于最小二乘法的振型识别技术。采用2层楼仿真算例和潮白河桥应用实例验证本算法,识别结果表明基于Morlet小波变换的模态参数识别技术能够有效地识别出环境激励下系统的模态参数。     

振动测量用叉指式硅微加速度计性能研究

硅MEMS加速度仪可以用于地震以及各种工程振动的测量,目前其精度较低,温度灵敏度较高,为了掌握MEMS加速度计的特性,提高其实用性能,本文介绍了一种叉指式硅微机械加速度计(FMSA)表头微结构和系统的工作原理,推导了微结构梁的刚度,利用ANSYS有限元软件分析了FM-SA加速度计的静态特性、动态特性和温度特性,验证了推导的正确性,说明微结构参数是决定FMSA加速度计性能的主要因素,为改进加速度计性能提供了依据,并对其在振动观测领域实际应用提供了理论指导。     

长江中下游夏季降水与西北太平洋海温的耦合模态分析

利用NOAA_ERSST海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和中国160站降水资料,借用多种统计方法研究了夏季长江中下游地区降水与西北太平洋的耦合关系.奇异值分解(SVD)和相关分析显示出长江中下游夏季降水与西北太平洋夏季海表温度(以下简称"海温")密切相关,而与其他海区没有明显的关系,并且这种关系主要反映年代际变化;夏季多变量经验正交函数展开(MV-EOF)分析结果证明夏季长江中下游降水、东亚-太平洋地区上空850hPa风场、西北太平洋海温之间存在显著的耦合模态,这种耦合模态反映出长江中下游夏季降水异常偏多时,东亚-太平洋上空自南向北有异常的反气旋、气旋、反气旋波列(即东亚-太平洋型遥相关或P-J波列),东亚夏季风偏弱、北界位置偏南.依赖季节的多变量经验正交函数展开(SRMV-EOF)分析结果表明,长江中下游夏季降水与西北太平洋的耦合模态与前期ENSO密切相关:前一年秋季,赤道东太平洋开始出现ENSO信号,冬季发展成熟,同时在菲律宾以东的西北太平洋上空有一个反气旋形成;春季,ENSO开始减弱,西北太平洋出现暖海温异常,反气旋发展;夏季,ENSO信号消失,西北太平洋异常暖海温范围扩大,反气旋发展很强,同时在东亚-太平洋上空出现P-J波列,华南上空的西南风与来自北方的偏北风在长江中下游地区辐合,造成长江中下游夏季降水偏多.     

利用正交本征模态函数分析日长变化的主要激发源

利用本征模态函数的正交分解方法对日长(LOD,length of day)数据序列进行分解,得到了日长变化的101个正交本征模态函数.通过对其中几个主要模态函数进行分析,发现日月地的相对位置与其中几个模态函数极值发生的时间极其吻合,并据此推断出日长变化的主要激发源.同时还发现日长变化存在准周期约为206 d的波动.     

基于全球分布的地震观测数据估计0S0模态的特征频率及品质因子

选取2011-03-11日本MW9.3地震后全球地震台站记录的约220 h波形数据,基于一定的判断准则,筛选出质量较高的448个垂向观测数据,采用频域AR方法对0S0模态的特征频率和品质因子进行估值,并以信噪比为权重进行加权平均,得到特征频率f=0.814 658 4±5.3×10-7,品质因子Q=5 586±12。该结果与已有研究成果相比精度更高,有助于约束现有地球介质密度和衰减模型,使其更接近真实地球。     

渤海夏季环流的高分辨率海浪-潮汐-环流耦合模式研究

The Bohai Sea is a shallow semi-enclosed inner sea with an average depth of 18 m and is located at the west of the northern Yellow Sea. The climatological circulation pattern in summer of the Bohai Sea is studied by using a wave-tide-circulation coupled model. The simulated temperature and the circulation agree with the observation well. The result shows that the circulation pattern of the Bohai Sea is jointly influenced by the tidal residual current, wind and baroclinic current. There exists an obvious density current along the temperature front from the west part of the Liaodong Bay to the offshore area of the Huanghe Estuary. In the Liaodong Bay there exists a clockwise gyre in the area north to the 40°N. While in the area south to the 40°N the circulation shows a two-gyre structure, the flow from the offshore area of the Huanghe Estuary to the Liaodong Bay splits into two branches in the area between 39°N and 40°N. The west branch turns into north-west and forms an anti-clockwise gyre with the south-westward density current off the west of the Liaodong Bay. The east branch turns to the east and forms a clockwise gyre with the flow along the east coast of the Liaodong Bay. The forming mechanism of the circulation is also discussed in this paper.