WavewatchⅢ模拟和统计方法在最大波高预报方面的评测分析

为了研究WavewatchⅢ(WWⅢ)海浪模型对最大波高的模拟能力及其与传统统计关系方法的差异,通过对两次台风浪过程的后报模拟和半年的业务化预报,分析了WWⅢ数值模拟的准确度及其与统计关系方法的精度差异。研究结果表明:WWⅢ数值模拟的最大波高(Hmax)的精度略低于有效波高(Hs),但也达到了24 h预报相对误差(H_(max)≥1 m)低于18%、相关系数高于0.94的水平,模拟精度可靠,可以用于业务化预报;与两种统计关系方法(H_(max)和H_(s)分别为1.42和1.52)计算的最大波高相比,数值模拟的精度总体与其相当,但在H_(max)和H_(s)比值大于1.65这种易出现危险的海况下,数值模拟具有更高的准确性,更适合应用于海浪预警报服务。

基于LASSO-Logistic回归构建Siewert Ⅱ/Ⅲ型食管胃结合部腺癌术后早期复发预测模型

目的 探讨SiewertⅡ/Ⅲ型食管胃结合部腺癌(adenocarcinoma of esophagogastric junction, AEG)根治术后早期复发的危险因素,构建可视化预测模型。方法 回顾性分析2016年1月至2021年3月兰州大学第二医院诊断为SiewertⅡ/Ⅲ型AEG且接受根治性切除术患者的临床病理资料,将样本以7∶3的比例随机分为建模组与验证组。采用LASSO-Logistic回归分析法筛选出预测SiewertⅡ/Ⅲ型AEG早期复发的变量,并构建早期复发预测模型。基于Bootstrap法进行1000次重复抽样验证模型。绘制受试者工作特征(receiver operating characteristic, ROC)曲线,计算曲线下面积(area under curve, AUC),绘制校准曲线和决策曲线(decision curve analysis, DCA)对模型的稳定性进行评估。结果根据纳入与排除标准,共320例SiewertⅡ/Ⅲ型AEG患者最终纳入分析,其中2年内复发者122例;LASSO-Logistic回归分析显示,AJCC分期、分化程度、糖类抗原199、癌胚抗原、中性粒细胞与淋巴细胞比值及肿瘤长径是SiewertⅡ/Ⅲ型AEG早期复发的独立预测因素,依此构建预测模型并绘制列线图。绘制ROC曲线得到建模组AUC为0.836(95%CI:0.785~0.887),灵敏度为81.4%,特异度为85.6%;验证组AUC为0.812(95%CI:0.711~0.912),灵敏度为80.6%,特异度为87.7%。建模组与验证组的校准曲线显示拟合曲线与参考曲线接近,表明模型具有较高稳定性。DCA曲线显示阈值概率在0.05~0.75时模型具有良好的净收益。结论 基于LASSO-Logistic回归分析法构建的预测SiewertⅡ/Ⅲ型AEG早期复发的多因素模型,有助于判断患者临床预后,为术后病情监测与管理提供参考依据。

耦合NSGA-Ⅲ和FLUS模型的生态脆弱农区土地利用多目标协同优化配置

依托数学模型和情景模拟,形成弹性的土地利用优化配置方案,对促进生态脆弱农区生态、农业和经济用地协调发展具有重要意义。以河套灌区乌兰布和灌域为例,采用MSPA(morphological spatial pattern analysis)和斑块重要性指数识别和提取生态源地,耦合NSGA-Ⅲ(non-dominated sorting genetic algorithmⅢ)和FLUS(future land use simulation)模型,基于4种情景模拟形成具有弹性的生态脆弱农区土地利用优化配置方案。结果表明:基于NSGA-Ⅲ可以快速形成研究区多目标下的Pareto解集,且解集内的各目标效益均优于2020年土地利用效益值。生态安全优先发展、粮食生产优先发展和经济优先发展情景存在其他两项目标效益提升不明显的情况。相对来说,最小土地利用变化条件下的均衡效益发展情景可在土地利用变化幅度最小的情况下,达到更高、更均衡的综合效益。制订土地利用优化配置方案时,在参考各情景土地利用优化配置布局的基础上识别土地利用协调冲突区,有助于形成弹性的土地利用优化配置方案,以适应区域可能发生的内外部经济政策环境变化。

一类带有Holling-Ⅲ功能反应函数的Leslie-Gower捕食-食饵模型平衡态正解分析

目的研究一类带有HollingⅢ功能反应函数的Leslie-Gower捕食-食饵模型平衡态正解的存在性与稳定性,并通过数值模拟验证已得到的理论结果。方法利用反应扩散方程理论对平衡态正解进行定性分析,使用数值模拟技术进行定量分析。结果建立了平衡态正解存在以及稳定的条件,给出了物种生长率对平衡态正解的影响。结论适当大的生长率可以使捕食者和食饵共存。同时数值模拟表明,食饵生长率较高时,捕食者数量关于其生长率不是严格递增的。

WaveWatch Ⅲ和SWAN模型嵌套技术在业务化海浪预报系统中的应用及检验

根据钓鱼岛海域海监巡航执法保障预报、重点海洋安全保障目标精细化预报等海浪业务化预报工作的新需求,基于WRF海面风场预报模型,利用结构网格海浪模型Wave WatchⅢ和非结构网格海浪模型SWAN(Simulating Waves Nearshore)的嵌套计算,建立一套适用于东海区和上海近海的海浪数值预报系统。通过不同数值实验,证明此系统的稳定性和时效性。利用观测数据对连续2个月的有效波高值的预报结果进行检验,结果表明:24小时预报平均绝对误差在0.3 m以下;48小时预报平均绝对误差在0.5 m以下;72小时预报平均绝对误差在0.7 m以下,且误差极值主要是由台风过程引起,但预报趋势仍值得参考。对2次台风过程采用不同风场源数据进行对比试验,结果显示采用实况路径的后报风场,海浪预报精度明显改善。对于近岸区域采用嵌套计算的SWAN模型预报结果比Wave Watch III模型预报结果精度显著提高,证明建立的海浪数值预报系统在满足"稳定性"和"时效性"的基础上,各尺度和分辨率的预报产品"准确性"也能得到保证。

高速铁路大跨度斜拉桥主梁CPⅢ点实时高程预测模型算法研究--以昌赣高铁赣江特大桥为例

大跨度斜拉桥梁体受到多种环境因素的影响会发生变形,进而导致桥面CPⅢ控制点的成果具有多值性,昌赣高铁赣江特大桥主跨长300 m,采用常规的技术方法在如此大跨度斜拉桥上铺设无砟轨道难度较大。通过实测桥面CPⅢ点位高程、大气温度、梁体温度和桥塔位移变形,建立以上几种参数之间的关系模型,通过模型计算各个CPⅢ点在不同温度条件和桥塔偏移量下的变化量,并验证模型计算结果和实测结果较差小于规范要求的3 mm限差,进而采用模型计算的高程数据进行自由设站,设站精度均不大于规范要求的0.7 mm限差,说明本研究模型计算的CPⅢ点高程能够在实际工程应用中使用并满足规范的精度要求。

模型试验验证WAVEWATCH-Ⅲ波浪演化

选取第三代海浪模型中经典的WAVEWATCH-Ⅲ(Tolman 1999)模型,对无风场干扰下的近岸波浪演化展开模拟。采用江苏科技大学所做的模型试验的地形与工况,与模型试验得出的数据对比分析,验证了计算方法的可行性,为应用此模式进行更深一步的波浪数值模拟提供了参考依据。

基于P-Ⅲ模型的密云水库汛期降水量频率分析

密云水库进入高水位运行阶段以来,流域降水量水文特征参数计算成为重要的工作,频率曲线的计算适配是关键性的工作之一,普通的水文频率曲线计算是利用监测站收集的长序列数据,如全年降水量历史资料,通过建立经验公式法、降雨量模数法和模比系数法等数学公式,得到工作所需的频率计算。在所有的计算中,目前比较成熟的模型是皮尔逊Ⅲ型频率曲线。文章利用该模型,对密云水库汛期降水量进行建模,对密云水库流域的汛期6月、7月、8月和9月的降水量进行分析计算,利用P-Ⅲ模型进行建模,得到全汛期及汛期逐月的P-Ⅲ频率曲线,期望能够更加精准高效的进行暴雨预测,指导水库防汛管理等工作。

地铁扣件Ⅲ型弹条的静力学模型与参数优化分析

地铁钢轨通过弹性扣件固定在道床的轨枕上,弹条是弹性扣件的关键部件,通过弹条的弯曲和扭曲变形产生扣压力,保证钢轨之间轨距正常和可靠连接,同时吸收车辆行驶产生的冲击能量,达到减振的作用。为了研究地铁扣件Ⅲ型弹条自身相关参数对其力学性能的影响并进行参数优化,通过金属材料拉伸试验测得了Ⅲ型弹条的基本力学参数,开展扣压力试验得到了弹条扣压力与弹程的关系。建立了弹条的静力学理论模型,并使用单位力法推导了线弹性变形假设下弹条扣压力与弹程的关系,与试验所得数据吻合良好,验证了模型的可行性。根据理论模型推导了弹条不同截面的内力表达式,并以第四强度理论计算了弹条的应力危险点,结果表明,危险点发生在小圆弧靠近跟端θ=61°附近的截面。研究了材料参数和几何参数对弹条应力状态以及扣压力-弹程曲线的影响,提出了弹条基于材料参数和几何参数的优化方案:在规范规定的扣压力范围内,弹条横截面直径应不小于20 mm,弹条的小圆弧半径r应不大于20 mm。

小尺寸CT试样断裂行为的GTN细观损伤模型研究

基于国产A508-Ⅲ钢的单轴拉伸测试,构建了Ramberg-Osgood力学本构模型和GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)细观损伤模型,并对模型参数进行了标定,开展了不同温度下小尺寸CT(1/6CT)试样的断裂韧性测试,采用规则化方法计算得到裂纹扩展阻力曲线(J-R曲线),分析了测试温度对材料断裂性能的影响。结果表明,随着温度从-100℃度降低至-130℃,断口韧窝区的宽度由43μm缩减至10μm,平均韧窝尺寸从0.3μm缩小至0.05μm,材料的塑性变形能力随着温度的降低而脆化。基于构建的力学本构模型和GTN细观损伤模型,采用有限元法分析了1/6CT试样从裂纹萌生、扩展至失效断裂的过程。结果表明,J-R曲线随着温度的下降而降低,断裂韧性(J_(IC)值)和裂纹扩展量(Δa)的降幅分别为43%和3%,相对误差不超过5%。这表明,基于GTN细观损伤模型的数值方法是研究小尺寸CT试样断裂行为的一种简便、有效的方法。

渤海WAVEWATCH Ⅲ■不同海冰模型的模拟结果比较

渤海是中国主要的海冰存在区域,同时渤海地区也是我国的经济重心,海上交通发达,经济活动频繁。海冰的存在对于海上波浪情况会产生重要的影响。随着渤海海冰范围的缩减,包括航运和海上建设在内的经济发展也在持续增加,这需要可靠的波浪和海冰预测来应对这种不断变化的环境,同时对经济活动影响最重大的海冰边缘区的波浪模拟变得越来越重要。本文使用WAVEWATCH Ⅲ■不同海冰模型对渤海的海浪进行了模拟,并研究比较了不同海冰模型的差异。研究发现,在海冰模型中,其IC0和IC1均不是真实的理论模型,它们不具备模拟海冰覆盖海域下海浪的能力。IC2和IC3为理论模型,其衰减率随着频率变化,并且可以对高频部分进行有效的衰减,同时在低频区域的衰减率也处于合理的范围,而IC0与IC1则无法做到。针对海冰覆盖海域的海浪模拟,应首选IC2或IC3,同时根据实地海冰的情况来确定参数。

代理模型参数率定方法在TOPKAPI模型中的应用

为提高复杂水文模型参数优化效率,通过Morris参数敏感性分析确定敏感参数,随后将多目标自适应代理模型优化(MO-ASMO)算法应用在TOPKAPI模型的参数率定中,通过最小欧几里得距离筛选Pareto解集中的相对最优解,从解集分布和每场洪水模拟效果两个维度与传统多目标优化方法NSGA-Ⅱ、NSGA-Ⅲ进行比较。结果表明:在相同模型运行次数下,MO-ASMO相较于NSGA-Ⅱ和NSGA-Ⅲ具有更优的Pareto前沿;无论是率定期还是验证期,MO-ASMO算法的评价指标均表现较好,综合表现优于NSGA-Ⅱ、NSGA-Ⅲ算法,MO-ASMO算法有效提升了模型参数优化效率。

基于NSGA-Ⅲ的机器人气囊抛光工具结构动力学多目标优化

为了提高机器人的加工质量,针对末端执行装置动刚度不足的问题,课题组开展了机器人气囊抛光工具结构动力学优化研究。分别进行了有限元模态分析和实验模态分析,对比验证仿真结果的准确性,找出抛光工具易发生振动的薄弱结构;基于模态分析对薄弱结构进行谐波激励得到工况下的振动响应加速度;建立动力学近似模型,以提高基频、降低质量及加速度响应为目标,分别采用非支配排序遗传算法NSGA-Ⅲ(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅲ)和多目标粒子群算法(multi-objective particle swarm optimization, MOPSO)对薄弱结构进行多目标优化,获得最优动力响应的参数组合。结果表明:NSGA-Ⅲ具有更好的优化效果,基频提高了21.62%;4个薄弱部位的最大加速度响应分别下降了73.78%,69.06%,56.15%和28.28%;质量减少了3.32%。该方法有效提高了抛光工具的动态特性。

一类具有恐惧效应的时滞广义HollingⅢ型捕食者-食饵模型的动力学分析

研究了一类具有恐惧效应的时滞广义HollingⅢ型捕食者食饵模型的动力学行为.首先,通过计算模型平衡点的Jacobian矩阵研究了平衡点的稳定性,并分析了时滞对正平衡点的稳定性影响;其次,在确定性模型中通过引入白噪声将系统转变为随机模型,并通过构造Lyapunov函数研究了随机模型正解的性质;再次,在一些假设条件下,利用伊藤公式建立了模型在平均意义下的持续生存和灭绝的充分性条件;最后,通过数值模拟验证了恐惧效应、时滞和随机因素对捕食者和食饵种群密度的影响.

胶接结构Ⅲ型断裂性能研究

设计了能够真实反映Ⅲ型断裂的边缘环裂纹转转试验,讨论了胶黏剂种类和厚度对胶接结构失效模式的影响。结合峰值转矩和应变能释放率进一步揭示胶接结构的断裂特性。通过试验与仿真对比,推导出考虑厚度效应的内聚力模型参数表达式。研究表明,Araldite 2015胶的峰值转矩和应变能释放率随着胶黏剂厚度增加而增加,E⁃120HP胶和WD3705胶的峰值转矩和应变能释放率随着胶厚的增加呈现先增大后减小的规律。为合理评估胶黏剂种类和厚度对Ⅲ型断裂下胶接结构的失效机制的影响提供依据。

基于元模型和自适应算法的卷状货物运输托盘多目标优化

铁路卷状货物运输托盘设计、改进等工作往往依靠工程经验,通过仿真分析、实物检测的组合方式。然而,这种设计方法过于依赖个人经验,设计效率低,试验资源浪费严重,难以达到预期效果。为将传统设计思路转化为数学优化问题,引入元模型和自适应多目标优化算法对运输托盘进行设计、改进。建立托盘三维模型,制定装载加固方案,进行静载、冲撞工况仿真分析;对托盘进行强度试验(静载、冲击试验),检验仿真分析可靠性;采用SolidWorks和Ansys协同仿真技术,搭建参数驱动化CAE仿真环境;提出基于最大最小距离准则和ESP诱导协同优化的最优拉丁超立方取样方法,创建高维参数空间矩阵;以各工况许用应力、变形阈值为约束,建立多目标优化数学模型;比较不同元模型精度,选择GWO-BP神经网络,搭载自适应第三代非支配排序遗传算法(A-NSGA-Ⅲ)获得最佳参数组合,实现托盘轻量化、不同工况应力最小化。研究结果表明:以铁路RTKD款卷状货物运输托盘为例,进行多目标优化设计,发现托盘仿真分析与实际试验值误差均少于11%,仿真应力分布趋势与实测基本吻合;优化后,托盘质量减少27.97 kg,2种工况最大应力分别减少23.01 MPa和37.21 MPa,符合铁路货物安全运输需求。研究结果为同类型运输托盘的设计、改进提供了工程参考,对铁路卷状货物运输发展有重要促进作用。

应用WAVEWATCH-Ⅲ模式对南海的波浪场进行数值计算、统计分析和研究

以30a再分析风场数据为输入,采用WAVEWATCH-Ⅲ波浪模式,对南海海域1976—2005年的波浪场进行了数值计算。与大量的T/P高度计波浪资料和部分台风资料进行对比验证后发现,波浪计算结果较好。将计算结果进行统计和推算,得出南海海域波浪如下的主要特征:1)南海海域的常浪向基本为NE,出现频率占各向总数的40%;北部海域的强浪向主要为E,中部和南部海域的强浪向主要为NE;2)夏季的波高为全年最小,冬季受东北季风的影响,波高达到全年最大;3)100a一遇极值波高分布:海南岛东南附近海域最大,有效波高最大超过18m,中部海域的有效波高平均为14m左右,南部海域的有效波高平均约为9m。

WAVEWATCH Ⅲ和SWAN模式在南海北部海域海浪模拟结果的对比分析

基于1987年9月到1988年8月期间南海北部的一个浮标资料,首先分析了美国环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)联合推出的再分析风场在南海北部海域的适用性,结果表明NCEP/NCAR再分析风场在一定程度上与浮标观测结果相一致。然后利用NCEP/NCAR再分析风场作为海浪模式输入场,评估了WAVEWATCHⅢ(WW3)和Simulating Waves Nearshore(SWAN)这2个海浪模式在南海北部海域模拟海浪的能力,结果表明在季风和季风转换期间,WW3模式和SWAN模式对有效波高的模拟能力几乎一致。在季风期间,WW3模式对平均波周期的模拟能力优于SWAN模式;而在季风转换时期,SWAN模式模拟平均波周期的能力较好。此外,还利用WW3模拟结果分析了南海北部海域海浪的空间分布特征,分析结果表明有效波高受季风影响呈显著的季节变化,平均波周期呈现相对显著的半年变化。

基于WAVEWATCH-Ⅲ模式的近22年中国海波浪能资源评估

以CCMP风场驱动第三代海浪数值模式WAVEWATCH-Ⅲ,得到中国海1988年1月～2009年12月较高分辨率的海浪场,计算了中国海的波浪能流密度,综合考虑能流密度的大小、能级频率、能流密度的稳定性等各方面对波浪能资源进行研究,寻找波浪能资源的相对优势区域,为波浪能资源的开发与利用(如海浪发电的选址)提供科学依据。

WAVEWATCH Ⅲ模式在全球海域的数值模拟试验及结果分析

基于第三代海浪数值预报模式WAVEWATCH III(v3.14),构建了全球区域海浪数值预报系统,采用1999年9月—2009年7月的Quik SCAT/NCEP混合风场作为驱动场,对模式进行了10a的积分。利用NDBC浮标数据及Jason-1卫星高度计资料对模式模拟结果进行了检验,结果表明:模式对全球海浪模拟效果较好。通过对模式误差的分析,为后续开展全球海浪同化工作中背景误差协方差矩阵的构建及集合样本的选取提供了依据。