A New Strategy for Solving a Class of Constrained Nonlinear Optimization Problems Related to Weather and Climate Predictability

There are three common types of predictability problems in weather and climate, which each involve different constrained nonlinear optimization problems: the lower bound of maximum predictable time, the upper bound of maximum prediction error, and the lower bound of maximum allowable initial error and parameter error. Highly efficient algorithms have been developed to solve the second optimization problem. And this optimization problem can be used in realistic models for weather and climate to study the upper bound of the maximum prediction error. Although a filtering strategy has been adopted to solve the other two problems, direct solutions are very time-consuming even for a very simple model, which therefore limits the applicability of these two predictability problems in realistic models. In this paper, a new strategy is designed to solve these problems, involving the use of the existing highly efficient algorithms for the second predictability problem in particular. Furthermore, a series of comparisons between the older filtering strategy and the new method are performed. It is demonstrated that the new strategy not only outputs the same results as the old one, but is also more computationally efficient. This would suggest that it is possible to study the predictability problems associated with these two nonlinear optimization problems in realistic forecast models of weather or climate.     

遗传算法及其在影像处理与分析中的应用

遥感影像处理与分析中的问题大多可转化为优化问题,而如何实现和改进优化技术的自动化与智能化水平,是摄影测量与遥感工作者一直追求的目标.本文在这方面进行了一些新的尝试,将智能科学范畴内的最新优化技术--遗传算法引入该领域中的优化问题求解,并就某些具体问题提出了一些新的思想和方法.     

Nonlinear optimization method of ship floating condition calculation in wave based on vector

Ship floating condition in regular waves is calculated. New equations controlling any ship＇s floating condition are proposed by use of the vector operation. This form is a nonlinear optimization problem which can be solved using the penalty function method with constant coefficients. And the solving process is accelerated by dichotomy. During the solving process, the ship＇s displacement and buoyant centre have been calculated by the integration of the ship surface according to the waterline. The ship surface is described using an accumulative chord length theory in order to determine the displacement, the buoyancy center and the waterline. The draught forming the waterline at each station can be found out by calculating the intersection of the ship surface and the wave surface. The results of an example indicate that this method is exact and efficient. It can calculate the ship floating condition in regular waves as well as simplify the calculation and improve the computational efficiency and the precision of results.     

用有限区域风速场准确求解流函数和速度势场的方法

流函数和速度势是气象业务和研究中常用于表述风速的一组变量。用有限区域风速场, 使用有限差分方法求解得到的流函数和速度势场重建初始风速场, 由于受区域边界的限制往往有明显的偏差。虽然有许多求解方法的研究, 但是, 至今仍尚未见到一种真正准确的求解计算方案。首先, 介绍用Arakawa A网格和D网格分布的有限区域风速场求解流函数和速度势场的一般有限差分计算方法, 探讨用它们的解重建风速场产生误差的原因。然后, 针对这些原因, 对给定的有限区域, 通过线性外推初始风速场, 扩展求解计算区域, 使用协调、一致的有限差分格式方案, 准确计算求解区域的边界有旋风速、散度风速和速度势的定解边界条件, 以及恰当选择流函数、速度势、涡度和散度等变量的分布网格, 设计了用上述两种网格分布的风速场准确求解流函数、速度势场的方案, 并对其正确性加以证明, 它们可以推广应用于其他Arakawa网格。用实际资料试验同样显示, 方案避免了重建风速场误差的出现, 与初始风速场相比, 全场风速最大偏差精度达到10-12m/s或以上, 在计算机精度造成的计算误差影响范围内。本文的研究很好解决了长期以来用有限区域风速场、 使用有限差分方法无法准确求解流函数和速度势场的问题。     

一类广义Hamilton系统的辛格式

通过引人泊松括号，分析了无限维Hamilton的性质，并将其推广到广义Hamilton系统，且从理论和实用角度讨论了这类广义Hamilton系统的辛格式构造问题，从而为辛几何算法在一般的时间发展方程的数值求解提供新的具体途径。     

多层弹性平面问题解的精确刚度矩阵法

从平面弹性力学的基本方程出发,利用Fourier积分变换等数学手段,推导出了单层平面问题的刚度矩阵,然后按有限元法组成总体刚度矩阵。通过求解由总体刚度矩阵所构成的代数方程和Fourier积分逆变换,得到在任意静荷载作用下多层弹性平面问题的精确解。由于刚度矩阵不含有正指数项,计算时不会出现溢出现象,从而克服了传递矩阵法的缺点。推导过程中摒弃了应力函数的选择,使得问题的求解更加合理化,同时也为进一步研究此类问题如温度场、动力学等奠定了理论基础。计算实例证明了推导结果的准确性。     

一种基于最小广义方差估计的TLS点云抗差法向量求解方法

针对地面激光扫描点云中的粗差与不均匀采样对法向量计算的影响,基于最小广义方差估计与局部平面拟合原理提出了一种抗差法向量求解方法。首先通过快速近似最近邻居搜索算法得到最近k邻居点集,然后由确定型最小广义方差估计方法和多元马氏距离得到邻居点集协方差矩阵的抗差估计,最后根据主成分分析法（principal component analysis,PCA）计算得到抗差法向量。通过构造的模拟地面激光扫描（terrestrial laser scanning,TLS）点云数据将提出的方法分别与基于PCA、鲁棒PCA和随机抽样一致的法向量求解方法进行实验比较。结果表明,所提方法的抗差性能优异,且并行优化改进后可以满足大规模TLS点云的计算需求。将该方法应用于实际野外地形TLS点云数据,由求解的抗差法向量重建的泊松表面更符合实际地形,表明了该方法在实际应用中的有效性。     

袭港热带气旋持续时间长期频率分析

香港经常受到西北太平洋热带气旋的影响,对该地区热带气旋持续时间的研究有助于经济社会的稳定发展。按照气象和天文台警告信号,热带气旋分为不同的强度等级。建立热带气旋持续时间的Poisson-Weibull复合分布模型,相应获得持续时间重现值的求解公式,分别用于不同热带气旋分类下持续时间多年一遇重现值的计算中。基于1987-2016年袭港热带气旋数据的分析结果表明,Poisson-Weibull分布适用于不同的持续时间分类样本;强的热带气旋经常会伴随较长的持续时间,这将会对该地区造成更为严重的破坏,这可为防灾减灾提供参考。     

锋面次级环流研究

本文通过一个包辛内斯克近似、静力平衡方程组,考虑非绝热过程,利用推导出的次级环流方程,在简单条件下,给以解析求解和定性分析,说明锋面次级环流的形成机制和原理,最后进行数值求解,详细解释地面锋面次级环流的存在及其特征,从而解释锋面强烈天气过程的产生原因。     

SPOT像片外方位元素之间的相关性及克服方法的研讨

本文从数学公式出发分析了SPOT像片外方位元素之间强相关的性质;讨论了在解求外方位元素时为克服强相关的影响而采用的两种方法,即线元素与角元素迭代求解法和定向未知数引入“伪观测值”法;并根据相关分析提出了一种新的方法——合并相关项求解法。试验结果表明:这一方法不仅具有计算收敛快、法方程答解稳定等特点,而且具有较高的解算精度。