基于CCI资料与EnKF方法的单点土壤湿度同化

土壤湿度作为天气、农林业、水循环研究中重要的地球物理参数,对气候变化有重要影响。陆面数据同化发展较晚,研究集中在同化土壤/积雪的常规观测与遥感观测来提高土壤湿度廓线/雪水当量的估计精度。卫星遥感资料的同化是一个研究热点,同化遥感数据对提高土壤湿度估计精度有积极的作用。基于CLM4.0(Common Land Model 4.0)陆面过程模式,采用集合卡尔曼滤波(EnKF)同化方法,在美国内布拉斯加州地区的Clay Center、Red Cloud及Grand Island观测站点进行了3个单点同化实验,同化的观测数据是由CDF(Cumulative Distribution Function)技术匹配调整后的卫星遥感资料——CCI(Climate Change Initiative)数据,同化分析实验时间为2008年5月1日至2008年10月31日,利用站点实测数据对0~2cm土壤湿度的同化结果与间接受其同化影响10cm处的土壤湿度估计值进行了验证。结果表明:通过单点同化卫星遥感资料的方法可以提高表层土壤湿度的估计精度,并且受其同化影响,靠近同化层的土壤,其土壤湿度的估计精度也得到提高。     

无资料地区区间入库洪水分析

在无资料地区采用常规的方法推算区间入库洪水,特别是区间面积权重较大的区间入库洪水计算,由于存在方法使用上的条件限制,因而无法进行检验,应用了多维线性计算（长办汇流曲线）的基本原理,提出坡面和河道使用不同的汇充参数计算方法,利用一般地区常规具备的雨量及地形资料,并用实测资料检验分析率定计算参数,通过典型实例分析计算,为无资料地区计算区间入库洪水,解决了受条件限制的困难。     

基于多源数据同化融合的尼洋河降水时空分布特征

地理位置处在我国高寒山区的尼洋河流域地面气象观测站点极少,是典型的缺资料地区,卫星降水数据产品是降水数据的重要补充。由于卫星降水数据在获取上的间接性及本身的不确定性,数据精度问题一直是阻碍其有效应用的主要因素。基于集合卡尔曼滤波(EnKF)同化算法,选取TRMM、CHIRPS、Cmorph_V1.0、PERSIANNCDR及Gldas_Noah 5种卫星降水产品,在对其与林芝站网格区域实测降水进行精度分析的基础上,进一步进行多源降水数据同化与融合。结果表明:同化后5种卫星降水产品与实测降水量的相关系数CC均在0.98以上,BIAS均在10%以下,ME在同化后均小于0.2mm/d,RMSE均小于0.6mm/d,EnKF的同化效果显著。将同化后的5种降水与原卫星降水之间的误差序列推广至全流域,从而获得全流域的5种同化降水用于融合,融合后的降水数据综合了5种降水数据产品在精度指标的各自优势,其精度和可靠性更高。利用克里金插值法对融合后的降水进行尼洋河降水时空分布特征分析,结果显示年降水量空间上由中部向四周逐渐递减,时间上呈现逐年增加的趋势。通过对卫星降水数据进行同化及融合,在提升降水数据产品精度的同时提供了满足水文模拟及水资源管理需求的时间序列数据,具有重要的应用价值。     

基于有限元的反拱底板结构应力分析

在实际运用过程中,反拱底板往往会出现裂缝,造成底板出现裂缝的原因主要是在设计中对结构内力的计算与实际不符,所以有必要采用有限元方法对反拱底板进行分析。本文针对梁寨节制闸的工程实例,采用三维有限元分析软件MSC.MARC求解反拱底板在节制闸各荷载作用下所受的应力,判断其整体强度和稳定性,并对其工作性态进行分析。实例分析表...     

基于实测资料的碾压混凝土拱坝温度应力反演反馈分析

在拱坝的温度应力仿真计算中,混凝土材料特性参数直接关系到数值计算结果的准确性.为了提升仿真计算的真实性,需对混凝土热力学参数进行反演分析.依托某碾压混凝土拱坝,借助三维有限元程序,基于工程现场监测资料,采用回归分析的最小二乘法对混凝土的热学参数进行反演分析.结果表明,反演得到的热学参数能较好地反映工程现场实际.在此基础上,对碾压混凝土拱坝全坝全过程施工期温度和应力进行仿真分析,跟踪反馈拱坝真实温度分布和受力特性.该研究成果可以指导工程现场施工,并对类似工程具有一定参考价值.     

基于雨洪法无实测资料山区流域设计洪水分析

设计洪水成果的推求关系到流域水资源开发利用规划和工程设计的经济性和适用性。为掌握无实测资料山区雨源型河流的水文特性,结合抱都水库坝址以上流域特征,以威宁气象站连续降雨序列数据为依据,采用雨洪法对坝址处的设计洪水和施工分期洪水进行详细论证分析。结果表明：雨洪法推求的设计洪水成果符合山区中小型流域洪水特性,且与历史洪水调查结果一致,成果合理可信,可为工程规划设计提供详实水文数据。     

基于单位线法无实测资料山区流域洪水特性分析

无实测水文资料山区流域设计洪水成果的推求关系到流域水资源开发利用规划和工程设计的经济性和适用性。以文明水库为例,结合水库坝址以上流域特征,以距离较近的丽江气象站和木家桥水文站作为参证站,采用单位线法和推理公式法对流域洪水特性进行设计推求,并与周边水库设计洪水成果进行对比论证。研究成果表明：单位线法推求的设计洪水成果与山区雨源性河流的分布规律基本一致,成果合理可行且安全性高。     

基于数据同化参数反演的华光潭拱坝结构分析

针对华光潭拱坝整体结构状态难以进行准确安全评估的问题,建立拱坝有限元模型,基于拱坝混凝土与基岩材料力学参数敏感性分析结果,采用数据同化算法进行材料参数反演,最后使用参数反演结果校准有限元计算的材料参数。结果表明:有限元位移仿真结果与监测数据的残差符合正态分布,经过数据同化参数反演后的残差标准差减小了81.2%,提高了有限元计算的准确性。该方法可实现自动化运行并为拱坝结构安全评估提供一条合理且可靠的新思路。     

基于区间无流量资料河流的山洪预报方法

应用单位线的卷积方程和水量平衡原理,推导出区间各子流域河流出口最大洪峰流量与已知的区间出口最大洪峰流量的关系式,从而解决了区间内无流量资料河流出口的最大洪峰流量预报问题。也为把口站划分洪峰组成提供了理论依据。     

基于上海延安高架录像资料的交通流实测研究

据上海延安高架路段的交通流录像资料提取的28000余组实测数据,作出流量-密度图,发现在整体低密度时段,流量-密度图可以用Kerner指出的自由流阶段的曲线表示;随着路段整体平均密度的递增,自由流特性越来越不明显。在整体平均密度较低的情况下,存在一定数量的高速度高密度数据。利用观测得到的大量数据,在按密度划分的不同区间内对已有的多个速密关系函数进行最优筛选,得到一种新的分段平衡函数的表达式。最后提出了基于实测数据计算MCLWR模型中各层次车辆所占比例和速度系数的方法。     

非饱和土壤水的集合卡尔曼滤波Ⅰ:状态向量与非饱和流算法的选择

土壤水运动是水分循环中的基本过程,但土壤水预测面临着参数获取难、预测精度差等挑战。数据同化技术为土壤水参数估计和精确预报提供了一种新的方法。本文建立了基于3种不同非饱和水流求解方法的集合卡尔曼滤波(En KF)算法,针对状态向量的选择和正演模型的选择两个问题,研究了非饱和土壤水En KF的计算性能。研究结果表明:对于非线性非饱和水流问题,同时更新水头和参数比仅仅更新水头能够取得更好的预测效果,特别是当多参数未知时;En KF本质上是Monte Carlo方法,极端样本容易导致Picard-h和Picard-mix算法的崩溃,因此传统的HYDRUS程序与复杂非饱和土壤水的数据同化兼容性不佳;当同时同化水头和参数时,如果极端的样本值能够快速得以更新,Picard-h和Picard-mix算法在数据同化模拟中的适用性能得以提升;但由于观测信息对参数的校正能力取决于特定的问题和条件,Ross算法是执行非饱和土壤水数据同化模拟的更好选择。     

观测数据时空密度对集合卡尔曼滤波计算精度的影响

集合卡尔曼滤波（EnKF）算法在地下水数据同化领域中的应用受到了越来越广泛的关注。作为同化系统的重要组成部分,观测数据的空间/时间密度的配置直接影响滤波运算结果。本文构造了一个理想二维地下水流算例考察空间/时间密度对传统EnKF和局域化EnKF的影响。研究结果表明：随着空间密度的增大, 局域化EnKF运算精度增高,而传统EnKF运算精度无此改进倾向。总体趋势上时间密度增大使EnKF运算精度增高,但对不同数目的观测井方案,这种精度增高的幅度有所变化,观测井越多,增高越不明显。由此得出结论：局域化改进EnKF能够有效同化更多的观测井数据,给出更精确的结果;模拟初期水头变化波动较大,观测数据价值较高;在一定时间密度配置下,低空间密度局域化EnKF运算精度可以接近甚至超过高空间密度配置。     

观测数据时空密度对集合卡尔曼滤波计算精度的影响

集合卡尔曼滤波（EnKF）算法在地下水数据同化领域中的应用受到了越来越广泛的关注。作为同化系统的重要组成部分,观测数据的空间/时间密度的配置直接影响滤波运算结果。本文构造了一个理想二维地下水流算例考察空间/时间密度对传统EnKF和局域化EnKF的影响。研究结果表明：随着空间密度的增大,局域化EnKF运算精度增高,而传统EnKF运算精度无此改进倾向。总体趋势上时间密度增大使EnKF运算精度增高,但对不同数目的观测井方案,这种精度增高的幅度有所变化,观测井越多,增高越不明显。由此得出结论：局域化改进EnKF能够有效同化更多的观测井数据,给出更精确的结果;模拟初期水头变化波动较大,观测数据价值较高;在一定时间密度配置下,低空间密度局域化EnKF运算精度可以接近甚至超过高空间密度配置。     

河道洪水反向演算问题的研究

河道洪水反向演算在河库联合调度中具有重要意义。为此,利用运动波方程的差分解证明了马斯京根法在求解河道洪水反向演算中的不稳定性;基于河道汇流单位线原理,提出了解决河道洪水反向演算的断面流量相关法。实例研究中采用多场洪水联立求解率定参数,利用镜像影射法求解矛盾方程组,取得了满意的模拟和验证计算成果;在此基础上,提出了基于断面流量相关法的进一步研究课题。     

基于多源数据融合的土体空间参数不确定性缩减

土体参数存在空间变异性,导致结构响应具有不确定性。忽视这种不确定性或采用偏差参数可能导致工程安全问题,甚至引发工程灾害。现场测量数据可用于改进对基坑开挖等岩土工程中结构响应的估计,通过SPT等直接测量方法得到的勘察数据与土体刚度参数直接相关,在这些数据的基础上,基于Kriging法约束随机场的条件模拟可用于改进对参数空间分布的估计。此外,当监测数据与位移等土体结构性能或响应相关时,利用集合卡尔曼滤波器（EnKF）反分析也可降低土体参数的不确定性。本文采用多源数据融合的形式将直接和间接两种方法结合在一起进行土体开挖分析,结果表明：两种方法结合使用可以显著降低土体参数的不确定性,从而降低结构响应中的不确定性。     

脑循环动力学模型的参数识别

本文根据已建立的脑Willis环参数模型,进一步简化并进行模型参数方程的反问题求解,通过计算结果与实际结论对比,发现理论计算值可以反映一些病例的临床诊断结果。     

基于有限体积法的伴随数值模型研究

传统上认为伴随数值模型的构造应先设计正向方程的数值格式,然后由数值格式推导伴随数值格式建立伴随模型,但利用该方法过程繁杂繁琐,且从正数值模型直接得到伴随模型,制约了对伴随模型数值格式的具体设计,如利用该方法就无法构造有限体积法的伴随数值模型.为发挥有限体积法在数值格式和边界拟合方面的优势,和检验对伴随方程进行数值格式选取和设计的可行性,本文直接从深度平均的非线性守恒型浅水方程出发,先利用Lagrange法推导得到其伴随方程,然后再对浅水方程和伴随方程的数值通量分别采用二阶精度的Roe格式和一阶精度的Lax-Friedrichs流函数格式,建立正模型和伴随模型采用不同数值格式的无结构三角网格有限体积法的伴随模型.进行的一系列数值实验,正确反演出了顺直河道和概化河口的开边界,结果表明该方法构造伴随模型是可行的,为伴随模型的构造方法开辟了一条新的途径.     

轴流式水轮机转轮的准三维有族流动设计

本文提出了一种基于Ｓ１流面的轴流式水轮机转轮准三维有旋流动设计方法．通过联合迭代求解转轮区和导叶区平均Ｓ２ｍ流面流动以及转轮前后无叶片区螺旋流动，有效地考虑了转轮相关部件间流动的相互影响，克服了设计中给定转轮进、出口流动条件的困难．本文基于Ｓ１流面的给定Ｖθｒ分布的正、反问题迭代叶型设计方法，考虑了转轮内流动的周向不均匀性，保证了转轮的出力．通过Ｓ２ｍ流面计算给定初始叶形的Ｓ１回转流面反问题与平均Ｓ２ｍ流面正问题迭代，使得设计计算更为简便合理．