加窗傅里叶变换谐波检测算法及其插值改进研究

直接采用快速傅立叶变换(FFT)方法进行谐波分析无法避免栅栏效应和频谱泄漏现象,不能获得准确的各次谐波参数.为此,针对谐波检测的加窗傅里叶变换进行研究,应用插值算法对窗傅里叶变换进行改进,提出一种基于逐幅谐波消去法的插值.理论分析和仿真表明,该改进算法可有效地减少泄漏,降低噪声的干扰,精确地获得各次谐波的幅值和相位.     

基于五项窗Rife-Vincent(Ⅰ)插值FFT算法的谐波参数分析

采用选择性暂态程序ATP建立一个实际的400/33kV工业电力系统的仿真模型,对电缆线路谐波电流进行仿真。由于快速傅里叶变换在非同步采样时存在较大的误差,无法直接用于电力系统谐波分析,本文提出了一种基于五项窗Rife-Vincent(I)插值FFT算法的谐波参数估计的新方法,并推导了其谐波参数估计公式。然后针对不同程度的频谱泄漏,采用FFT和五项窗Rife-Vincent(I)插值FFT两种算法对16次谐波参数估计值进行对比分析。实验结果表明:该算法较FFT算法在频率、幅值和相位的估计值精度上有明显提高。     

应用插值FFT算法精确估计电网谐波参数

深入研究了插值快速傅里叶变换(FFT)算法在电网谐波参数估计中的应用。加窗宽度和窗函数的类型是影响插值FFT算法分析精度的主要因素。通过对常用窗函数的特性分析，得出了加窗宽度关于分析精度的估计公式。电网信号的基波幅值远大于各次谐波幅值，分析表明，Hanning窗比较适合分析电网信号，同时给出了基于Hanning窗的电网谐波幅值、频率和相位的显式计算公式。仿真结果证明，应用上述分析结果，电网谐波幅度、频率和相位的估计达到了预期的分析精度。     

顾及GNSS水汽分布特性和站间距离的优化IDW插值方法

针对大气可降水量(Precipitable Water Vapor, PWV)精细化过程中插值算法的选取,本文系统性地分析了线性插值三角网法、克里金插值法、空间反距离(Inverse Distance Weighting, IDW)插值法3种方法,并提出了顾及GNSS水汽特性和站间距离的优化IDW插值方法.该方法通过分析GNSS站点距离与大气水汽分布特性对插值结果的影响,进而对插值参数进行优化,使插值结果靠近高精度的观测值.利用2017年5—7月徐州连续运行参考站的GNSS实测数据与探空站数据对该方法进行分析,实验结果表明：顾及GNSS水汽特性和站间距离的优化IDW插值方法的标准差、平均绝对误差、平均相对误差、均方根误差都要低于其他3种经典插值方法,其中均方根误差分别降低了14.88%、15.70%、4.12%.此外,本文分析了暴雨天气下不同插值算法重构高分辨率大气水汽分布图的能力,发现采用优化IDW插值方法能够显著减小采样站点分布不均及降水量激增造成的插值误差.这表明优化方法有助于重构局部地区稀疏GNSS站网的高分辨率大气水汽分布图,改进监测能力.     

基于弹性梯度下降算法的BP神经网络降雨径流预报模型

运用反向传播(back propagation, BP)的改进算法弹性梯度下降算法,选择崇阳溪上游流域1997—2014年的14场降雨径流过程,以流域内洋庄、吴边、大安、坑口、岭阳、岚谷6个雨量站的实测降雨量和武夷山水文站的前期流量资料为输入,武夷山水文站相应流量为输出,建立弹性梯度下降算法的BP神经网络降雨径流预报模型,采用7场降雨径流过程对模型进行检验。结果表明,与传统的反向传播算法相比,该模型所需的参数较少,运算速度显著提高,模型的预报精度满足要求,可以为防汛部门预测洪水提供依据。     

Nuttall窗的光伏系统间谐波分析方法

传统谐波分析由于很难达到同步采样和整周期截断,给谐波参数的计算带来不可避免的误差,加窗插值算法可以改善由非同步采样带来的频谱泄露和栅栏效应,依据快速傅里叶变换理论,采用双谱线加窗插值FFT算法对间谐波参数进行估计,并给出了Nuttall窗的间谐波频率、相位和幅值的插值修正公式.通过对模拟谐波信号的仿真发现,该算法能够在对信号谐波准确分析的基础上实现对间谐波的精确检测,并且比其它对比窗函数具有更高的精确度.     

Pipeline ADC后台数字校正中传输函数建模算法

采用后台校正技术,通过对级间余量放大器传输函数建模来估计误差,以提高流水线型ADC(analog to digital converter,ADC)的性能。为了在校正精度、硬件消耗、功率消耗和算法收敛速度之间做一个合理的权衡,需要在建模时选用一个合理的插值算法。以一个12位,采样频率40兆的流水线型ADC为原型,分别采用分段线性插值、三次多项式插值对第一级余量放大器传输函数建模,用硬件描述语言Verilog对系统进行描述,结合模拟电路部分进行混合仿真验证,运用综合工具对两种算法对应的Verilog程序进行综合估计。仿真结果表明:两种算法中,分段线性插值法硬件消耗和功耗更低,而多项式插值法校正精度更高,算法收敛更快。     

基于滑动平均-加权马尔科夫链的宁夏石嘴山市年降雨量预测

为了给农业发展与决策提供理论支持,根据石嘴山市5个气象站(大武口站、平罗站、石炭井站、陶乐站、惠农站)1960—2008年的降雨资料,进行3 a滑动平均计算.采用均值-标准差分级法计算降雨量分级,将降雨序列分为枯水年、偏枯年、平水年、偏丰年和丰水年5个状态.利用精度检验后的加权马尔科夫预测模型对石嘴山市2007年和2008年滑动平均降雨量进行区间估计,并根据状态特征值结合线性插值的方法计算了滑动平均降雨量的预测值,由此得出2009年和2010年的年降雨量预测值.最后讨论了各状态重现期.计算结果表明:石嘴山市2007年和2008年的3 a滑动平均降雨量分别是185.42,168.28 mm;2009年和2010年的年降雨量分别为135.11,146.88 mm,均处于偏枯年状态;平水年和偏丰年重现期最小,枯水年重现期最大.     

降雨输入对青龙河流域HSPF模型模拟结果的影响

为评价降雨输入对青龙河流域BASINs/HSPF模型模拟结果的影响,改善HSPF模型模拟精度,应用趋势成分建模、周期成分建模、相依随机建模和独立随机建模（白噪声）等随机建模程序和蒙特卡洛计算机模拟方法,获得200组降雨随机模拟序列,分别作为青龙河流域BASINs/HSPF模型的输入,以Nash-Sutcliffe效率系数（E_NS）作为模型模拟效果的评价标准,获得如下结论:采用趋势成分、周期成分与ARMA建模以及正态随机模拟获得降雨随机模拟序列是量化降雨输入随机性的可行方法;在模型参数优化的条件下,降雨随机模拟序列HSPF模拟E_NS值的变化区间为[71.09%,74.96%],波动幅度达3.87%,表明降雨输入随机性对于HSPF模拟结果具有显著影响;当考虑每年的日降雨量极大值时,E_NS值变化区间为[75.35%,78.81%],波动幅度达3.46%,且结果均优于没有考虑降雨极大值点的降雨随机模拟序列,表明降雨时间序列的极大值点对于HSPF模拟效果具有显著影响;随着降雨时间序列中所考虑极大值点数量的逐渐增多,HSPF模拟效果出现下降趋势,表明HSPF模拟应特别关注若干最大极值点的影响;降雨输入的不确定性是HSPF模型模拟结果不确定性的重要来源,改善HSPF模拟效果需要考虑降雨时间序列随机性和极值点因素的影响.本研究可为量化降雨输入对HSPF模型模拟的影响以及HSPF模拟的降雨情景优选提供借鉴.     

气流式水平姿态传感器数据拟合技术的研究

为了提高气流式水平姿态传感器的环境性能,将数据插值拟合方法应用在该传感器的软件温度补偿中。采用拉格朗日插值和分段线性插值法,运用Matlab软件计算并比较2种算法,把算法应用在温度补偿中,计算出温度补偿完成后零位电压值。结果表明,高次插值的runge现象使得拉格朗日数据拟合精度降低;而分段线性插值法更能准确地反映环境温度与零位电压的变化,可以为温度补偿提供精确的参考值。采用分段线性插值进行温度补偿后,环境温度的影响几乎为零,零位电压稳定在2．0V／℃,同时分段线性插值运算量少。这两点有利于提高后续补偿的精度,降低传感器的响应时间,对气流式水平姿态传感器的实用化研究和批量生产有重要意义。     

华南丘陵区马贵河小流域暴雨山洪灾害强降水特征

降水强度及持续时间是引发山洪灾害的重要气象因素,短时间内高强度的降水极易诱发山洪灾害,研究降水因子时空变化是防范及预警山洪灾害的关键环节。为了探索不同时间尺度的降水与局地山洪灾害之间的潜在联系,本文利用2010—2018年稠密的气象自动站逐小时降水观测数据,统计分析了以马贵河小流域为中心的华南丘陵区多尺度降水特征,重点从短时强降水（小时降水量≥20 mm/h）的角度揭示了诱发该流域山洪灾害的可能降水成因,并分类建立了该区域典型短时强降水事件的天气学概念模型。研究表明：马贵河小流域并非华南丘陵区的年降水、年暴雨高频中心,但短时强降水发生频次较高、强度较大;山洪灾害频发与时间尺度更短的短时强降水关系更为密切,而非普遍关注的暴雨天气过程;该流域的短时强降水具有双峰型分布特征,华南前汛期（4~6月）短时强降水频次与强度略高于后汛期（7~9月）,但后汛期午后的峰值频次更为集中;典型短时强降水过程可分为冷式切变型、低空低涡型、偏南急流型和热带气旋型等四种基本类型,不同环流类型的系统配置与环境条件具有明显差异。该成果一方面加深了对华南丘陵区短时强降水与山洪灾害内在联系的科学认识,另一方面可为当地短时强降水及山洪灾害预报预警提供技术支持。     

An improved modeling of precipitation phase and snow in the Lancang River Basin in Southwest China

Precipitation phase(e.g., rainfall and snowfall) and snow(e.g., snowpack and snowmelt runoff) in high-mountain regions may largely affect runoff generation, which is critical to water supply, hydropower generation, agricultural irrigation, and ecosystems downstream. Accurately modeling precipitation phase and snow is therefore fundamental to developing a better understanding of hydrological processes for high-mountain regions and their lower reaches. The Lancang River(LR, or the Upper Mekong River)in China, among the most important transboundary rivers originating from the Tibetan Plateau, features active dam construction and complex water resources allocation of various stakeholders in Southeast Asian countries under climate change. This study aims to improve precipitation phase and snow modeling for the LR basin with a hydrological model and multisource remotely sensed data. Results show that joint use of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) land surface temperature product with high spatial resolution(1 km×1 km) and an air temperature product can more precisely distinguish precipitation phase than air and wet-bulb temperature products in the LR basin. Snowfall and snowmelt were found to be controlled primarily by rainfall and snowfall temperature thresholds in snow modeling. The rainfall and snowfall temperature thresholds derived from the hydrological model through calibration with remotely sensed snowpack at basin scales were considerably lower than those derived from in situ observations. Rainfall and snowfall temperature thresholds derived from in situ observations could lead to the overestimation of snowmelt runoff due mostly to the lack of representation of point-based measurements at basin scales. This study serves as a basis for better modeling and predicting snow for the LR basin and potentially other similar basins globally.     

初始地下水对浅层边坡降雨入渗及稳定性影响

浙江省山地丘陵地区浅层边坡土层大多存在稳定的初始地下水,从而导致土体含水率分布复杂、降雨入渗和稳定性分析难度大。为此,根据土体非饱和特性确定考虑初始地下水影响的坡体含水率指数分布模型,根据雨强与土体饱和渗透系数的对比关系将降雨分为弱降雨和强降雨两类工况,基于Green-Ampt入渗模型及水量平衡原理推导考虑初始地下水影响的浅层边坡降雨入渗物理方程解析解;结合浅层无限边坡模型,分析考虑初始地下水影响的浅层边坡在降雨作用下的稳定性;当假定坡体含水率均匀分布时,改进模型可近似退化为传统模型;当坡体含水率呈指数分布时,通过数值模拟验证改进模型的有效性。结果表明：当浅层边坡基岩上部土层存在初始地下水时,降雨导致的失稳将发生在基岩面处,且失稳时间早于传统模型的预测结果;弱降雨工况下,雨强提高导致边坡触发失稳的时间呈近指数关系快速缩短;强降雨工况下,当不考虑坡面径流对入渗的促进作用时,雨强提高导致边坡触发失稳时间缩短,速度趋于平缓。     

运动轨迹的插值信道估计方法

介绍了一种基于运动轨迹的插值信道估计方法,把插值问题转化为求解均匀加速运动轨迹问题。相对于其他线性插值及二次插值的插值信道估计方法,该方法具有计算复杂度低,算法简单,可以实时计算等特点。通过仿真表明,在低车速时,该算法的误比特率性与线性插值方法基本相同;而在中高车速时,该算法的误比特率性能要明显优于线性插值信道估计方法,与二次插值信道估计方法的性能基本相同。     

采用全阶状态观测器的IGBT模块结温预测

为解决控制器功率器件过温失效问题,需要对IGBT的PN结温度进行实时精确估计。设计全阶状态观测器对IGBT的结温进行实时估计,并综合考虑电、热参数的相互影响,采用闭环控制实现结温的估计修正;根据双脉冲测试原理搭建IGBT动态特性离线测试平台,研究导通电流、母线电压、结温对IGBT损耗的影响,采用线性插值法推导IGBT损耗的数学模型;根据热-电比拟理论建立热网络模型,搭建热阻测试平台获得温度与瞬态热阻变化曲线;基于IGBT热网络模型推导各温度节点的状态方程,针对开环估计方法估计精度差的问题,设计全阶状态观测器,利用观测器输出壳温和实测的壳温之间的误差对结温估计值进行实时修正。搭建基于Matlab\\Simulink的仿真平台,验证了IGBT结温估计的有效性和准确性;搭建结温预测实验平台,采用热敏参数法对结温状态观测器进行验证。仿真和实验结果表明,估计的结温能够很好地跟踪实际值,验证了提出方法的准确性。     

水箱模型在小流域水文水质模拟中的应用研究

水箱模型也称Tank模型,是应用较为广泛的流域水文模型.模型将复杂的降水径流过程简单概化为流域的蓄水与出流关系进行模拟.针对皂河小流域的降水、径流和水循环等水文特性,建立了4层串联水箱模型,模拟流域的降水径流过程,计算流域径流量,并结合河流水质模型,综合模拟河流流量及主要水质指标变化.结果表明:各项指标的模拟值与实测值吻合较好,说明水箱模型用于小流域的径流模拟较为准确,可与水质模型耦合使用,综合模拟小流域的水文水质变化.     

建筑能耗计算的海洋气象参数逐时化方法

为获取适用于海洋性气候条件下关键节能气象参数的逐时化方法,针对温度、露点温度、相对湿度、风速、大气压5种节能计算气象参数,通过对比内陆代表城市和沿海代表城市,分析了线性插值、三次样条插值、分段三次Hermite插值、Akima插值和径向基插值法在海洋性气候条件下的适用性及特点。研究表明：海洋性气候条件下,冬季温度最佳插值法为三次样条插值,湿度为Akima插值,夏季温度和湿度的最佳插值法同为分段三次Hermite插值;露点温度的最佳插值法在冬、夏两季同为线性插值法、风速和大气压的最佳插值法在冬、夏两季同为Akima插值法;不同气象参数的插值准确性在相同的季节整体变化趋势相同,夏季插值精度由小到大为风速、露点温度、湿度、温度、大气压,冬季为露点温度、风速、湿度、温度、大气压。露点温度、湿度和风速插值精度受地域影响程度较大,三者受地域影响由小到大依次为湿度、露点温度和风速。温度、大气压数据插值精度受地域影响小。     

广东省雨日与降水量的气候变化研究

选取广东省1960～2005年16个测站逐日降水资料,运用趋势系数、累计距平等方法结合地理信息系统软件分析了46a来广东省年、季、月雨日的时空特征和降水量的趋势变化。结果表明：年均雨日减少2．1d／10a,降水量却明显增加．降水量与雨日的长期变化趋势并不一致,具有区域性和季节性．春季粤东北地区气候向相对干旱的趋势发展,而冬季整个区域降水强度有增大的趋势．另外,雨日减少突变发生在1984年左右．     

采用Sobol方法的暴雨径流管理模型参数灵敏度分析

为了定量探究典型城市暴雨径流管理模型（SWMM）中水文水力参数的全局灵敏度,利用基于方差分解的Sobol方法,计算不同雨强下SWMM中各参数对径流量、峰值流量以及峰现时间的灵敏度,简要分析结果的收敛性. 研究结果表明,在不同雨强下,SWMM中水文水力模块的灵敏参数及相关排序有所差异. 在大雨强条件下,不渗透地区表面的曼宁糙率对3类输出变量都是最灵敏参数,总阶灵敏度均大于0.6;混凝土管段的曼宁糙率系数对峰现时间的灵敏度远大于对其他2类输出变量的灵敏度. 在小雨强条件下,无洼地蓄水不渗透性百分比为灵敏参数,不渗透性地面洼地储蓄为最灵敏参数,第1阶灵敏度指数为0.396. 在模型前63 000次运行中,计算得到的Sobol指数上下波动,在运行84 000次之后,Sobol指数逐渐趋于收敛.     

济南短历时暴雨强度公式研究

文章基于暴雨强度公式在城市雨水利用与防洪排涝中的重要地位,选择可代表济南市区降雨特点的黄台桥站的降雨资料,采用年最大值法进行数据选样,利用耿贝尔曲线进行频率调整,采用计算机辅助的图解法与线性最小二乘法相结合的综合方法,推求雨强公式中各待定参数值,并进行精度分析.结果显示：（1）重现期10年以下的均方差符合标准要求;（2）重现期大于10年可与2004年版公式联合求解,取二者中较大值作为城市雨水利用工程的设计依据.