基于机器学习的Angström-Prescott公式系数的估算

地表太阳辐射(R_(s))数据在水文、农业和生态等领域具有重要的应用价值。由于目前仅有少数国家气象站点具备直接观测条件,因此Angström-Prescott(A-P)公式被广泛应用于逐日R_(s)的估算。尽管使用A-P公式需提供的两个经验系数a和b已经有FAO(Food and Agriculture Organization)推荐值(a=0.25;b=0.5),但是越来越多的研究指出这两个参数的本地化有助于提高R_(s)的估算精度。利用1967-2017年全国80个具有太阳辐射观测数据气象站的逐日地表太阳辐射(R_(s))及其他常规气象数据,来获取中国内地地区A-P公式的a、b系数。首先,整个中国内地地区被划分为高原山地气候区(Mountain Plateau Zone,MPZ)、亚热带季风气候区(Subtropical Monsoon Zone,SMZ)、温带季风气候区(Temperate Monsoon Zone,TMZ)、温带大陆性气候区(Temperate Continental Zone,TCZ)等4个不同气候区。其次,基于最小二乘法回归得到各气候区不同站点A-P公式系数值,可视为A-P公式系数的观测值。然后,利用4种机器学习算法分别估算全国80个具有太阳辐射观测数据气象站的A-P公式系数,各算法分别结合不同输入因子组合构建不同的A-P公式系数估算模型。最后,评估机器学习算法估算得到的A-P公式系数自身的精度,及其在R_(s)估算中的精度。研究发现在估算系数a时,机器学习模型中基于五因子输入组合的SVM模型的估算精度最高(R^(2)=0.661,RMSE=0.022,nRMSE=0.120)。在估算系数b时,机器学习模型中基于四因子输入组合的ELM模型的估算精度最高(R^(2)=0.550,RMSE=0.031,nRMSE=0.055)。基于所选最优机器学习模型各自估算的a和b系数值来驱动A-P公式进一步估算R_(s),结果表明机器学习模型在MPZ、SMZ、TMZ、TCZ气候区R_(s)估算中的nRMSE分别为0.168、0.225、0.138、0.180。因此,推荐使用五因子输入组合的SVM模型来估算系数a,使用四因子输入组合的ELM模型来估算系数b,可以得到更为准确的中国内地地区A-P公式系数,从而提高使用A-P公式估算R_(s)的精度。研究结果可为实现A-P公式系数在中国内地地区的本地化和提高R_(s)估算精度提供一定的理论依据和技术途径。

基于机器学习算法和能量闭合理论的高标准稻田蒸散估算

为选出模拟长江中下游高标准稻田各生育期实际蒸散(ETa)的最优机器学习模型,并探究能量闭合对机器学习模型模拟ETa的影响,基于南通市2020年高标准水稻田小气候、土壤和通量观测数据,分析各生育期稻田ETa及相关因子的时间变化特征,利用BP神经网络和随机森林两种算法估算各生育期ETa,评估基于波文比的强迫能量闭合对机器学习模型模拟ETa精度的影响。结果表明:(1)在不同生育期,气象和土壤因子对稻田ETa的重要性不同,入射短波辐射(K↓)始终是稻田ETa的主控因子。(2)加入K↓可显著提高机器学习模型对ETa的模拟精度,相关系数提高了14.9%,RMSE降低51.1%。5种变量组合中,包含饱和水汽压差(VPD)、风速(U)、气温(Ta)、相对湿度(RH)和入射短波辐射(K↓)的BP1模型是模拟分蘖期前稻田ETa的最佳模型,包含Ta、RH和K↓的BP3模型更适于模拟分蘖期后的稻田ETa。(3)强迫能量闭合能改善BP神经网络模型对ETa的模拟效果,在分蘖期前更为明显,5种变量组合中,BP2模型(U、Ta、RH和K↓)在能量闭合后的模拟效果提升最明显,相关系数提高了3.5%,RMSE降低25.7%。

普通油茶良种资源表型性状多样性分析与综合评价

普通油茶(Camellia oleifera)是我国总产油量最高、栽培面积最广的木本油料作物。为促进我国普通油茶良种资源的挖掘与利用,本研究使用主成分分析、相关性分析、聚类分析、巢式方差分析、多元回归分析等方法以及变异系数、表型分化系数、香农-维纳多样性指数,探究560份普通油茶良种资源的表型性状多样性及其与环境因子的相关性,并使用熵权TOPSIS法对560份普通油茶良种资源进行综合评价和排序。结果表明,560份普通油茶良种资源存在丰富的遗传多样性,34个表型性状的香农-维纳多样性指数为0.05~2.35,均值为1.06,数量性状的变异系数为3.02%~53.33%,均值为23.25%。普通油茶良种资源34个表型性状种源间和种源内的方差分量均值分别为53.591%和32.382%,说明普通油茶良种资源表型性状种源内相似性较高,其分化主要来自种源间。随着纬度的升高和年平均温度的降低,普通油茶良种资源平均单果质量、种仁含油率及饱和脂肪酸含量呈现下降趋势,而不饱和脂肪酸含量呈现上升趋势,表明纬度和年平均温度是限制普通油茶生长的主要因子。熵权TOPSIS法综合评价和排序结果显示,长林4号综合得分指数最高,浙江、云南、安徽、湖南等地区均有多个选育的良种综合排名在前30以内。本研究结果为普通油茶育种及良种推广提供了数据支撑。

黄淮海平原植被日光诱导叶绿素荧光对骤旱的响应

为探明黄淮海平原骤旱的时空分布及其对植被光合作用的影响,基于ERA5气候再分析资料和SMCI1.0土壤湿度数据集,分析了黄淮海地区2001—2020年气候要素时空变化特征,识别了骤旱事件并研究其演变规律和主要气象影响因子,对比星载日光诱导叶绿素荧光(Solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)、标准化差异植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)以及增强植被指数(Enhanced vegetation index,EVI)对骤旱的响应,探究了不同类型植被光合作用对骤旱的敏感性。结果表明:黄淮海地区2001—2020年整体呈暖湿化趋势,北部地区增温明显。黄淮海北部和东南部地区骤旱频发,大部分地区发生超过20次骤旱,累计受旱时长超过90候,且骤旱多发生于秋季。黄淮海地区年骤旱次数和累计骤旱时长整体呈上升趋势,增加速率分别为0.6次/(10a)和2.2候/(10a),且呈上升趋势的格点主要位于骤旱频发区。研究区骤旱次数与气温(显著正相关)、风速(负相关)以及降水量(负相关)的相关性较高。相较于NDVI和EVI,SIF随土壤水分的变化更加同步,适用于骤旱监测。黄淮海地区灌木植被SIF对骤旱最敏感,但存在较大的不确定性,农田、森林和草地等植被类型光合作用对骤旱的响应逐渐降低,但不同植被SIF与骤旱次数的最大相关系数均较为接近。

孤网模式下水轮机调速系统广义预测控制应用方法

针对孤网模式下水电机组PID控制策略鲁棒性差的缺点,提出基于双模型、实时反馈线性化、非线性特性补偿器和广义预测控制器的自适应广义预测控制策略(Adaptive Generalized Predictive Control,AGPC),以实现对水电站全工况实时最优控制。首先基于BP神经网络和改进樽海鞘算法构建高精度非线性水轮机模型,并结合PID控制器、引水系统、随动系统、发电机等模块搭建非线性水轮机调节系统仿真平台,然后通过定量计算揭示广义预测控制器直接应用于非线性水轮机调节系统的不合理性。进一步,结合实时反馈线性化和基于预估控制信号设计的水轮机非线性特性补偿器,提出孤网模式下广义预测控制器在水电站应用策略。最后,搭建了基于AGPC的非线性水轮机调节系统仿真平台,并以某电站真实数据验证了所提控制策略适用性、可靠性以及优良的鲁棒性。

宽幅双边钢箱钢-混组合梁构造优化

为研究双边钢箱钢-混组合梁的优化设计,以某双塔双索面自锚式悬索桥的宽幅双边钢箱钢-混组合梁为研究对象,建立实体模型及杆系模型,分析横梁及次纵梁构造参数的改变对组合梁受力性能的影响,提出各构件合理优化方案。研究结果表明:增大次纵梁间距,对结构影响较小,可优化组合梁结构;减小横梁上翼缘板厚度有助于改善横梁下翼缘板及腹板受力,达到组合梁优化目的;上翼缘板板厚从25 mm减小至20 mm,同时下翼缘板板厚从20 mm增加至25 mm,横梁下翼缘板应力得到明显改善,即横梁下翼缘板板厚大于横梁上翼缘板板厚对组合梁结构更有利。

潮湿固化纳硅涂料在鲁班水库主坝廊道中的应用研究

水库廊道常年处于渗水、潮湿状态,会导致混凝土大量钙质、镁质析出物流失,廊道内壁的涂装体系常发生分解、粉化、剥落,严重影响了廊道的运营安全及整体形象。采用基于溶胶凝胶技术的纳硅材料对其进行改性,研究了潮湿环境的固化机理,测试漆膜各项物理、力学、化学性能指标,并在鲁班水库潮湿廊道进行了现场涂装试验,形成了科学、可行的施工工艺。结果表明:潮湿固化纳硅涂料在该类环境中能有效固化,漆膜具有优异的各项性能指标,施工工艺简洁可行。研究成果可有效减少混凝土钙质、镁质析出物流失,有效保障了混凝土结构的安全运营与整体形象,可广泛应用于水库廊道、水电站地下厂房等地下潮湿环境的混凝土结构。

不同种源野生油茶果实表型性状多样性分析

本研究旨在探明不同种源野生油茶(Camellia oleifera)果实表型性状的遗传多样性,为油茶良种选育和遗传种质资源改良提供理论依据。以广东、广西、江西、安徽、四川、湖北、湖南、陕西和贵州9个省(自治区)16个种源地的218株生长良好的野生油茶为研究对象,采用多重比较、变异分析、巢式方差分析、相关性分析、主成分分析和聚类分析方法,对不同种源的8个果实表型性状进行统计和分析。结果表明,16个种源的8个果实表型性状变异系数均值范围为12.03%~35.08%,种源间变异系数均值(42.83%)大于种源内变异系数均值(23.99%),表型分化系数均值为88.63%,说明不同种源野生油茶果实表型性状变异丰富。相关性分析结果表明,鲜果重、果高、果径、果皮厚度、鲜籽重和每果籽数间互相呈极显著正相关,果皮厚度和鲜出籽率呈极显著负相关。主成分分析结果显示,前3个主成分的累计贡献率为90.773%,表明野生油茶果实表型性状的大部分信息基本可以用前3个主成分来反映,其中,第1主成分主要反映果实大小特征,第2主成分主要反映果实出籽率特征,第3主成分主要反映果实形状特征。聚类分析表明,16个种源在欧式距离10处被分为Ⅰ和Ⅱ类,同时进一步在欧氏距离5处分成不同的亚类,第Ⅰ类在生产加工中比较方便,第Ⅱ类在产量和收益上更具优势。本研究野生油茶果实表型性状变异丰富,可根据育种目标选择不同类群种源作为育种材料。

聚丙烯/氧化锆复合材料的制备及介电性能研究

通过乳液包覆法对氧化锆(ZrO_(2))粉末进行表面改性,以提高其在聚丙烯(PP)基体中的分散性,继而探究改性聚丙烯/氧化锆复合材料(PP/g-ZrO_(2))的介电性能、热学性能和力学性能。结果表明,1 kHz测试频率下时,当g-ZrO_(2)添加含量为50%时,PP/g-ZrO_(2)的介电常数提高至4.28,介电损耗缓慢提升;此外,改性后复合材料在400℃时的热稳定性明显提高,当g-ZrO_(2)添加量为20%时,复合材料拉伸强度可达38.33 MPa,结合改性前后ZrO_(2)在PP基体中的团聚状态分析,当ZrO_(2)填料添加量为30%时,复合材料的综合性能最优。

多层结构三元复合聚丙烯薄膜储能密度提升

将马来酸酐接枝聚丙烯与纳米ZrO_(2)粒子共同构筑的三元复合聚丙烯薄膜作为外层,纯聚丙烯薄膜作为中间层,制备了不同纳米ZrO_(2)含量的多层结构三元复合聚丙烯薄膜,并对复合薄膜的理化性能和电气性能进行了测试分析。结果表明:纳米ZrO_(2)粒子在三元复合聚丙烯体系内具有良好的分散性,并且三元复合聚丙烯薄膜与纯聚丙烯薄膜之间的层间界面清晰。多层三元复合聚丙烯薄膜的结晶度相比单层纯聚丙烯薄膜显著提升。随着纳米ZrO_(2)含量的增加,多层三元复合聚丙烯薄膜的介电常数提高,而直流电气强度则先上升后下降,在纳米ZrO_(2)质量分数为1.0%时达到最大值(424.3 kV/mm),相应的储能密度也达到最大值(2.14 J/cm^(3)),相比于纯聚丙烯薄膜分别提高了10.6%和31.3%,并且介质损耗因数保持在与纯聚丙烯薄膜相同的10-3水平。三元复合聚丙烯和层间界面能够共同抑制异极性空间电荷的迁移,进而有助于改善介质内部电场分布,提高电气强度,同时降低由于电子迁移产生的介质损耗。

重复使用航天器发展趋势及若干思考

重复使用航天器具有快速、低成本的特性,是自由进出空间的重要技术途径之一。自从20世纪50年代重复使用航天器的概念被提出以来,历经70多年,重复使用航天器的研制取得了很大的进步,积累了丰富的经验和教训。基于国内外发展情况,梳理了重复使用航天器的技术路线,深入分析了其发展趋势,从设计、制造、试验、运行维护4个方面探讨了重复使用航天器的特点和难点,并提出了未来重复使用航天器发展的若干思考与建议。

黄河流域生态产品价值实现机制典型试点解析

生态产品指生态系统提供人类社会和经济系统的最终产品和服务。森林、草地、湿地、冰川、沙漠、海洋、农田以及城市绿地等八类重要生态系统为人类提供物质、调节和文化三类生态产品。物质生态产品包括农产品、林产品、牧产品、水产品、生物能源、生物质原材料、氧气产品等。调节生态产品包括固碳、气候调节、空气净化、污水处理、水源涵养、洪水调蓄和海岸防护等。文化生态产品包括休闲娱乐、景观增值、康养、科学技术等知识产品,音乐、舞蹈、绘画、雕刻等艺术作品以及影视诗词等文学作品。

弧形双箭头蜂窝面内压缩性能试验与仿真

蜂窝结构作为一种仿生材料,在抗冲击吸能、轻量化等多个领域优势显著,得到了广泛研究。其中,双箭头蜂窝(Double-Arrow Honeycomb,DAH)在压缩载荷下较六边形蜂窝的平台应力更高,吸能性更好。为了进一步提升DAH的比吸能(Specific Energy Absorption,SEA),文中通过引入双弧形边代替DAH原有直边,提出一种弧形双箭头蜂窝(Circular Double-Arrow Honeycomb,CDAH),采用3D打印制备了CDAH样件并进行了准静态压缩试验;同时,基于有限元软件建立了CDAH的数值仿真模型,通过与试验结果的对比验证了模型的准确性;利用冲击波理论推导了CDAH的临界冲击速度,并结合验证后的数值模型研究了面内不同冲击速度下CDAH的动态响应。试验和仿真结果均表明:与DAH相比,CDAH的平台应力更高,比吸能也更大。其中,当应变达到0.6时,CDAH的SEA相较于DAH提升了71%,并且在中高速冲击下呈现明显的倒“V”和倒“U”形变形带,显示出良好的负泊松比特性;随着冲击速度提高,CDAH的平台应力与比吸能均显著提升,100 m/s下的平台应力是5 m/s下的3倍,这有助于CDAH在高速抗冲击防护中应用。

中国国家公园空间布局研究

国家公园是我国自然保护地最重要的类型之一,也是自然保护地体系的主体。国家公园的空间布局是自然保护地体系规划的关键。提出国家公园布局原则、依据和目标,确定由评估区经备选区至候选区的遴选方法,基于39个自然生态地理区,遴选出46个陆域、3个陆海统筹和3个海域共52个国家公园候选区。分析评估国家公园候选区的空间分布情况,东部湿润半湿润生态大区19个,西部干旱半干旱生态大区8个,青藏高原高寒生态大区9个,海域生态地理区3个,契合国家生态安全战略格局和“三区四带”生态保护修复布局。在正式设立5个国家公园的基础上,提出国家公园设立条件。从空间布局角度规划我国国家公园体系,以期为构建全世界最大的国家公园体系奠定基础,推进中国特色自然保护地体系健康发展。

基于GSA-GPC水电机组预测控制

随着风、光等可再生能源大量馈入,电网结构日趋复杂。在此背景下,水电机组将根据需要经常处于变工况运行,运行环境变得恶劣,其传统的PID控制策略显然难以实现各种复杂工况下的最优控制。为此,将广义预测控制(GPC)应用于水电机组,并基于引力搜索算法(GSA)对其参数进行优化,实现了水电机组基于GSA-GPC的自适应预测控制。仿真结果表明,相比传统的PID控制器,设计的基于GSA-GPC的自适应预测控制器在不同工况下均有优异的调节性能,实现了水电机组多工况下最优控制。

鳞片状Zn-Al基合金粉制备及其耐蚀性

以球形Zn-Al-Mg-Ce四元合金粉为原料,采用湿法球磨制备鳞片状Zn-Al-Mg-Ce合金,研究了三乙醇胺为助磨剂下球磨级配,球磨时间,球磨转速对片状粉体微观形貌的影响以及不同助磨剂对产品比表面积,粒径分布,水面遮盖率的影响。在最佳球磨条件下制备了鳞片状的Zn-Al,Zn-Al-Mg合金粉,测定了三种片状合金粉用于达克罗涂层的耐腐蚀性能。结果表明:磨球级配为C组,500 r/min下球磨9 h时粉体片状化程度较好。不同助磨剂所得产品的参数表明使用三乙醇胺和聚乙二醇为助磨剂,均能获得片状化程度好,粒径适当,且光亮度高的鳞片状合金粉。中性盐雾试验表明含Zn-Al-Mg-Ce片状合金粉涂层耐腐蚀性明显表现出高于其他两种,由Tafel曲线计算的腐蚀电流小于其他两者,证实了以其为涂层基体具有较优的耐腐蚀能力。

基于学科交叉融合的复合型创新人才协同培养模式探索

针对我国锰锌钒产业人才存在创新能力低下等严峻问题,探索学科交叉融合的复合型创新人才协同培养模式是研究和改革所要解决的核心问题。通过组建协同创新中心及教改实验班,采用新的教学组织形式,共享科研和实践教学平台,丰富理论和实验教学内容,完善实验教学开放制度,理顺协同培养机制,最终提升了学生专业技能,增强了学生创新创业能力。复合型创新人才协同培养模式理论与实践成效显著、特色鲜明、创新突出、社会反响强烈。

基于条件价值法评估三亚海域生态系统多样性及物种多样性的维持服务价值

基于条件价值法(CVM)开展了三亚海域海洋保护区生态系统多样性和重要海洋物种多样性的维持服务价值评估。于2014年12月通过面对面调研的形式对三亚当地城镇居民进行问卷调查,建立了支付意愿(WTP)多元线性回归方程,再将此回归模型推广到海南全省城镇居民,从而评估了三亚海域海洋保护区生态系统多样性和重要海洋物种多样性的维持服务价值;同时也对CVM研究中的相关问题如问卷设计、偏差分析和CVM的可靠性与有效性等进行了验证和探讨。研究结果表明:(1)2014年三亚海域海洋保护区生态系统多样性及重要海洋物种多样性的维持服务总价值分别为3.734亿元和4.442亿元。(2)受教育程度和家庭人均年收入等社会经济信息变量对支付意愿具有显著的影响水平,符合经济学理论。(3) CVM作为陈述偏好性价值评估方法,评估结果受偏差的影响较大。为了尽可能减小偏差,需要从问卷的设计、调查员筛选培训、调查方式和被调查者等诸多方面严格把关。(4) CVM问卷支付数额的设计较好地界定了支付意愿的范围和分布形态,支付意愿具有较高的统计效率,CVM的可靠性得到较好的验证,显示了CVM评估法在估算生态系统服务非使用价值的有效性。鉴于居民的学历和收入在短时间内很难得到提升,建议相关海洋管理部门加强对三亚海域海洋保护区和海洋生物多样性的宣传教育,增强居民对三亚海洋保护区和海洋珍稀濒危生物的认知及保护意识。

特征线法及其变体在水轮机及引水系统非线性建模中的对比研究

建立引水系统的水力变化模型是水电机组非线性建模和仿真中的重要内容,同时水力因素对水轮机调节系统过渡过程的影响也是研究机组和电网稳定性时需要系统性考虑的主要问题。本文提出了一种改进的特征线法,针对水轮机及引水系统建立了包含基本特征线法的联合非线性模型,以及包含可选水击模型的模块化非线性模型,以开展特征线法及其变体的对比研究,为今后水轮机调节系统的大小波动仿真提供一定的理论指导。在此基础上,以国内某大型水电站机组孤网运行模式为例,在频率和负载的大、小扰动作用下,研究了刚性和弹性水击、特征线法及其变体模型的仿真结果,分析了各模型计算的瞬时水头的差别,得出了不同模型参数的调节规律和影响效果。结果表明,在大小波动条件下不同引水系统模型对于机组水头变化趋势的描述基本一致,仅在局部极值附近的计算结果有所差别,且在大波动条件下较为明显,但可通过调整具体的模型参数减小这种差别。

不同浓度脱落酸对雷公藤悬浮细胞萜类次生代谢产物累积的影响

目的:研究不同浓度脱落酸(Abscisic acid,ABA)对雷公藤悬浮细胞中萜类次生代谢产物的诱导效应,探讨脱落酸的毒物效应(Hormesis)。方法:雷公藤悬浮细胞继代培养10 d后,分别加入不同浓度(10μM,20μM,50μM,100μM,150μM,200μM,500μM)的ABA诱导,并设置空白对照组,每组生物学重复4次。分别采用HPLC和UPLC检测诱导后0 h和240 h的样品,测定悬浮细胞中雷公藤甲素、雷酚内酯、雷公藤红素和雷公藤内酯甲4种萜类成分的含量。结果:当ABA浓度为10μM和20μM时,诱导组与对照组无差异;50μM时,与对照组比较,雷酚内酯含量明显升高,雷公藤红素含量升高至2.4倍,雷公藤内酯甲含量升高至4.7倍;当诱导浓度超过100μM时,与对照组比较,除雷公藤内酯甲外,雷公藤甲素、雷酚内酯、雷公藤红素含量均显著降低。结论:ABA在10~500μM范围内对不同的雷公藤萜类成分影响作用不同,从整体趋势看,呈现为β曲线,符合Hormesis效应特点;50μM时ABA对雷公藤红素含量的积累有显著促进作用,为后期研究ABA影响雷公藤红素合成机制奠定基础。