线性化物理过程对GRAPES 4DVAR同化的影响

线性化物理过程能够改善四维变分同化中极小化收敛的稳定性和增加极小化过程中对大气物理过程和动力更加精确的描述,它是四维变分同化中非常重要的一部分。通过在GRAPES全球模式中研究线性化物理过程,尤其是两个湿线性化物理过程,改善切线性模式预报精度,来提高GRAPES全球四维变分同化的分析和预报效果。线性化物理过程的开发首先需要简化原非线性化物理过程中的强非线性项,然后对线性化物理过程进行规约化,以抑制切线性扰动的异常增长。目前GRAEPS全球模式中的线性化物理过程主要包括次网格尺度地形参数化、垂直扩散、积云深对流和大尺度凝结。线性化物理过程预报精度的检验方法是通过选择合适大小的初始扰动（同化分析增量）,来比较非线性模式和切线性模式中的扰动演化的纬向平均误差。然后以绝热版本的切线性模式为基础,通过冬、夏两个个例试验来分别检验4个线性化物理过程的12 h预报效果。试验结果表明,通过添加次网格地形参数化和垂直扩散两个干线性化物理过程方案,可以有效抑制住绝热版本切线性模式低层扰动的异常增长,大幅度改善切线性模式预报效果。通过添加积云深对流和大尺度凝结两个湿线性化物理过程,可以在热带区域和中、高纬度地区提高切线性模式中湿变量和温度变量的近似精度,提高GRAPES全球四维变分同化的分析和预报效果。      

GRAPES全球奇异向量方法改进及试验分析

基于总能量模的奇异向量扰动常用于构造集合预报的初始条件。以建立GRAPES（Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球集合预报系统为目的,基于前期研发的GRAPES全球模式奇异向量方法,在GRAPES全球切线性模式和伴随模式2.0版的框架下,开展了引入线性化边界层方案来改善奇异向量结构,并提高奇异向量计算效率的研究。通过连续试验,从奇异向量的扰动能量结构、扰动能量谱及扰动空间分布等方面,综合分析改进GRAPES全球奇异向量的结构及演变特征。试验结果表明,改进后的GRAPES奇异向量方法有效抑制了之前扰动能量在近地面层不合理的快速增长,同时,奇异向量最优扰动的结构更客观地体现了中高纬度区域大气初始条件中的斜压不稳定扰动及其演变,如在初始时刻奇异向量扰动能量主要位于对流层中层,并呈现出随高度向西倾斜的大气斜压特征;经过线性化演变,扰动能量向较大水平尺度转移,并在垂直结构上表现出向对流层高层上传及向对流层低层下传的特征等。针对GRAPES奇异向量迭代求解中伴随模式计算耗时为主的情况,改进伴随模式中广义共轭余差方案的调用方式,并采用大内存存储法来提高其计算效率,进而将奇异向量总计算时间缩短了25%。总之,改进后的GRAPES奇异向量方法,可应用于构建面向业务应用的GRAPES全球集合预报系统。      

非线性参数估计的自适应松弛正则化算法

非线性方程参数估计存在的弊端在于非线性观测方程存在不适定问题时,以线性化平差估计和高斯牛顿为代表的经典数值算法会产生较强的不稳定特征。因此,针对传统非线性最小二乘求解不稳定且可靠性低的特点,基于稳定泛函极小准则最优化思想,提出了一种自适应松弛正则化数值算法。该算法采用正则化参数几何递增计算方法和残差最小步长准则,实现了正则参数和迭代步长计算的完全自适应,提高了非线性迭代收敛效率。以病态仿真数据和水下实测数据为例,验证了该方法的数值收敛解优于线性平差估计解,收敛效率优于迭代Tikhonov正则化方法。     

基于随机振动理论确定桥梁地震碰撞的临界间隙

确定梁桥邻跨间避免地震碰撞的最小间隙,对于梁桥地震碰撞危险性预测及防地震碰撞措施的设计有着显著意义。本文基于随机振动理论建立梁桥地震碰撞邻跨临界间隙的计算方法,分析模型采用跨径不等的两跨简支梁桥,且考虑隔震支座非线性恢复力的影响。文中首先建立了系统的非线性运动方程;随后运用随机等效线性化理论将其线性化;最后在复模态空间推导了临界碰撞间隙的均值与方差的计算方法。人工地震动的非线性时程分析结果验证了本文算法的正确性。参数分析表明,临界间隙随邻跨长度比增大而增大,随支座屈服力与上部结构重量比值减小而增大,随隔震支座屈服位移增大而增大,随桥墩振动周期增大而增大。隔震支座屈服前后刚度比值对临界间隙大小影响很小。     

考虑土体动力特征参数相关性的工程场地随机地震反应分析

研究等效线性化方法中土体动力参数不确定性对场地地震反应的影响,提出了可考虑土体动力特征参数间相关性的土体动剪切模量和动阻尼曲线随机样本生成方法,基于Matlab开发一维等效线性化场地地震反应分析计算程序,用于开展场地地震反应随机动力分析。以Ⅱ类成层场地为例建立一维自由场分析模型,采用不同地震设防水准下露头基岩场地加速度反应谱为目标反应谱,合成人工地震记录折半后作为场地下卧基岩处的输入。计算结果表明,考虑土体动力特征参数不确定性对场地地震反应具有较大的影响,且影响程度与地震动强度、频谱成分及场地基本周期均密切相关;场地最大峰值加速度和地表加速度反应谱的波动范围随地震动强度等级的增加而变大,且最大峰值应变和最大峰值加速度的波动范围可达10%和14%;目标反应谱平台段及场地基本周期处对应的场地地表加速度反应谱的波动范围超过20%。     

基于广义Hoek-Brown准则的瞬时线性化强度折减技术

广义Hoek-Brown(HB)准则广泛应用于岩体的计算和分析,然而,广义HB准则是典型的非线性强度准则,不能直接在有限元强度折减法中采用来开展岩体的稳定性分析。针对这一问题,开展瞬时线性化研究,根据已有的应力状态将HB强度包线上一点的抗剪强度转化为该点切线对应的黏聚力和内摩擦角,并提出了两种瞬时线性化强度折减方案:(1)基于弹塑性分析获得的应力场,对每个应力点专属的瞬时Mohr-Coulomb(MC)强度参数进行折减,相应的方法记为Point-IL-SSRFEM;(2)由于传统有限元法要求单元的抗剪强度参数保持不变,在每个单元上各个应力点获得瞬时MC强度参数后,对这些参数进行单元均一化处理并进行折减,相应的方法记为Element-IL-SSRFEM。基于岩质边坡算例,对比和评述了三参数等比折减技术和瞬时线性化强度折减技术。数值分析结果表明:与Element-IL-SSRFEM相比,Point-IL-SSRFEM对网格划分的要求较低,计算精度和计算效率相对较高;与三参数等比折减相比,Point-IL-SSRFEM的计算精度高、计算性能稳定。因此,推荐使用Point-IL-SSRFEM来分析岩质边坡的稳定性。     

水平成层场地动剪应变与震动速度关系解析

以SHAKE2000为代表的频域等效线性化是目前主流的土层地震动计算方法。由于该方法在软土场地计算结果严重不合理,其改进方法成为目前研究热点,主要采用频率相关法,但一直没有取得实效。对频率相关法中土体动剪应变和震动速度成恒定比例关系的基本假定进行研究,从波动方程推导出了均匀全空间单向行波、单一均匀半无限场地、成层场地等3种典型场地中土体剪应变与震动速度关系的精确解答,通过数值试验研究了这一假定的合理性与偏差程度。结果表明：动剪应变和震动速度成恒定比例关系这一假定只有在无边界均匀介质单向行波情形下才成立,对于实际成层土场地,动剪应变与震动速度关系强烈依赖于波的频率和观察点的位置,如果在土层地震反应分析中忽略反射波而采用单向行波恒定比例假定将会使计算结果产生显著偏差;动剪应变与震动速度成恒定比例关系的假定导致的偏差达4个量级,即使对于单一均匀半无限空间模型偏差也十分显著;对实际土层地震动的求解,该假定在理论上定性错误,定量上偏差不可接受,必须放弃而另寻其他途径。     

土层分层参数不确定时对二维工程场址地震动影响分析

工程场地地震安全性评价中计算二维复杂场地地震反应分析时,如采用一维等效线性化分析模型会带来较大的误差,而直接采用二维的非线性模型在技术上还存在一定的困难和不合理性。目前工程中多采用对一维分析结果进行二维修正的思想给出设计地震动及反应谱。然而在建立二维分析模型时,由于勘测条件的限制使模型建立出现很多不确定性。基于以往提出的二维复杂工程场址设计地震动的修正分析思想,建立了几种可能且工程认可的二维复杂场地模型,主要研究不同分层特征模型及土层剪切波速这一物理参数不确定时对设计地震动的影响,进一步考虑不同场地类别下,不同二维分层模型及土体物理参数对地震动的影响。根据分析结果提出了不同类别场地下,方便且合理建立二维复杂场地地震动分析模型的方法,为实际工程中模型的建立及参数的选取提供一些参考。     

天津滨海软土场地的大震远场作用

利用天津滨海地区丰富的地震地质钻孔资料及测试数据,建立了相应的地震反应模型.选取美国加州1992年Landers地震的远场记录P0841作为基底输入,采用工程上常用的等效线性化方法进行了土层地震反应分析,以期对天津滨海软土场地的大震远场作用得到一些定性的认识．结果显示,天津滨海软土场地对远场大震地震动峰值加速度的放大作用比较显著,但不同场地条件放大作用有明显差异,Ⅳ类场地的放大效应明显减弱.对基岩与地表反应谱比的分析显示, 滨海场地对基岩地震动的不同频率分量的放大作用具有明显的不同,对短周期分量甚至出现了缩减,但当滨海软土场地受到与场地卓越周期相吻合的地震动影响时,可能会产生很可观的放大作用,这对建在其上的高层、超高层建筑可能会构成较大的威胁．