西安致灾短时暴雨中尺度与动力指数特征

基于同化多普勒雷达资料的WRF模式、地面加密观测、卫星云图和NCEP再分析资料等,分析总结2015年8月3日、2016年7月24日西安两次致灾短时暴雨过程环境条件、中尺度系统及动力因子指数特征。结果表明:关中处于稳定少动的西太平洋副热带高压西北边缘,上干下湿、午后低层大气超绝热状态,为短时暴雨提供了热力条件。西风槽与近地层切变线是暴雨直接影响系统。伴随冷锋过境,午后西北方向咸阳、铜川一带地面偏北风跃增是短时暴雨有利触发因子,强降水位于地面3 h正变压中心至东侧大梯度区附近。短时暴雨对流云团距离北部高空急流相对较远,无斜压叶状云系特征,降水对上升气流拖曳作用明显,云团TBB中心降至-65℃以下后,周边出现最大雨强。暴雨云团内部,霰粒子含量最大,冰粒子比其他粒子偏少一个量级以上,最强上升运动在霰粒子中心上方-30℃层附近、接近雪粒子中心;伴随整层雨水、霰和雪粒子含量5倍以上突增出现短时暴雨,雪粒子比雨水、霰粒子开始增多时段偏晚约1 h,其含量峰值与最大雨强同步。两次短时暴雨环境条件和中尺度特征差异明显。“0803”过程为切变线冷区暴雨,高空西风急流范围大、位置偏南,西太平洋副热带高压较弱,西风槽后偏北冷空气活跃,偏南水汽输送弱,关中地区中下层存在明显能量锋区和对称不稳定;云团内部冰相粒子明显偏多,雪粒子相对霰粒子占比偏高,冷空气入侵有利于冰相粒子快速生长;暴雨位于能量锋区和对流云团边缘、TBB最大梯度区附近。“0724”过程为切变线暖区暴雨,高空急流范围小、位置偏北,西太平洋副热带高压强盛,偏北冷空气弱,偏南水汽输送明显,关中地区中下层为位势不稳定;云团内部冰粒子偏少,雪粒子相对霰粒子占比低;暴雨位于对流云团内部、TBB中心附近。定义的垂直螺旋度指数VHI和散度垂直通量指数DVFI对暴雨落区预报具有较好的参考价值:大暴雨位于动力指数异常大值中心趋于集中且稳定少动的区域附近,动力指数小于200、中心分散且大值持续时间短的区域,降水不明显。

基于动力学突变辨识的高边坡位移监控模型

针对位移突变对高边坡位移监控模型拟合和预测精度的影响,在对高边坡位移与影响因素相关分析的基础上,基于高边坡系统演化过程中的非线性动力学特性,采用相空间重构、云模型等数值分析手段,研究了高边坡位移突变辨识的实现方法,从而依据最近一次位移突变后的监测资料,建立了考虑动力学结构突变影响的位移监控模型。实例应用结果表明,该模型拟合和预测精度均较高。

基于混沌理论和突变诊断的高边坡变形预测模型

高边坡系统的演化过程表现出复杂的非线性动力学特性,由于边坡经常受到外界因素的扰动,而使整个监测资料时间序列具有以突变点为分界的跳跃性,因此,有效辨识测值突变位置,是提高高边坡位移监控模型拟合和预测精度的关键问题。组合应用相空间重构、云模型和最大Lyapunov指数等数值分析手段,研究了高边坡位移突变辨识的实现方法,探讨了考虑动力学结构突变影响的位移预测模型构建原理与算法。由于该模型依据最近一次位移突变后的监测资料,着重考虑突变后相对稳定的高边坡动力系统特性,因而可以有效提高监控模型的拟合和预测精度。以某水电工程为例,论证了利用该方法进行高边坡监测的有效性与准确性。

基于高边坡位移突变的安全监控模型

高边坡受爆破、地震等强外界作用时,位移监测值会出现明显跳跃。有效辨识测值突变位置,消除或削弱位移突变对测值序列整体数值特征的影响,是提高高边坡位移监控模型拟合和预测精度的关键问题之一。基于高边坡系统演化过程中的非线性动力学特性,应用相空间重构、云模型等数值分析手段,研究了高边坡位移突变辨识等的实现方法;在对高边坡位移与影响因素相关分析的基础上,探讨了考虑动力学结构突变影响的位移预测模型构建原理与算法。该模型重点依据最近一次位移突变后的监测资料,考虑了突变后形成的相对稳定的高边坡动力系统特性,因而可以有效提高监控模型的拟合和预测精度。

非线性时间序列的动力结构突变检测的研究

基于非线性时间序列分析方法———动力学相关因子指数,提出一种新的动力结构突变的检测方法———动力学指数分割算法.通过理想时间序列试验,验证了该方法检测动力结构突变的有效性,同时发现相对少量的尖峰噪声对该方法的影响较小,但连续分布的随机白噪声对其具有一定的影响,并与传统的滑动T检验法和Yamamoto法进行比较,进而讨论它们各自的优缺点.

一种识别混沌时间序列动力学异同性的方法

定义了两个新的统计量 ,分别记为Q和R ,Q称为动力学自相关因子指数 ,R称为动力学互相关因子指数 .用Q和R对不同时间序列的动力学“距离”或同一时间序列中不同区段 (窗口 )的动力学“距离”进行估算 ,可以鉴别这些时间序列的动力学属性或它们内在的动力学结构层次以及复杂性 .一些典型实例检验表明 。

气候代用资料动力学结构的区域与全球特征

介绍一种非线性时间序列分析方法——动力学相关因子指数Q(简称Q指数),是基于相空间重构技术的动力学指标,它能有效识别时间序列之间动力结构的异同性.利用该方法分析了几种典型代用资料的动力学结构,发现它们的演变特征基本相似,区域和全球范围的气候同步变化,区域气候受到全球气候系统制约.近2000年来的区域到全球气候系统有两个明显动力结构突变期:700—900a和1300—1700a,它们所对应的环境变化可能是中世纪暖期和现代小冰期事件.

基于动力学结构突变的混凝土坝裂缝转异诊断方法研究

提出了混凝土坝裂缝转异诊断的动力学模糊互相关因子指数法,并利用该方法检验了Logistic时间序列由倍周期分枝走向混沌的结构突变过程,表明该方法具有鉴别时间序列内在动力学层次和检测其突变特性的功能.考虑到混凝土坝裂缝系统是一个开放的、耗散的以及复杂的非线性动力系统的特点,引用上述提出的分析方法对某混凝土重力拱坝下游面裂缝进行动力结构突变分析,发现了该坝裂缝存在两个明显的动力结构突变点,由此实现了混凝土坝裂缝的动态转异诊断;由于动力学模糊互相关因子指数法可以直接依据实测的裂缝开合度序列对大坝裂缝进行转异诊断,因此该方法具有较好的实际应用前景.

基于非线性分析方法的多种代用资料的相似性研究

代用资料的重建与分析是古气候研究领域的一个重要课题,应用小波变换和功率谱研究了都兰树轮等8种温度代用资料的主要周期,并以此为基础进行滤波,结合动力学相关因子指数和相关系数从代用资料的动力学结构特征和外部特征两个角度研究其在不同尺度上的相似性.研究结果表明,准100a尺度是这些代用资料的共同周期,并且8种温度代用资料的动力学结构特征和外部特征在准100a及以上的尺度层次上是相似的,即外部特征和动力学结构特征两个方面均符合可比性条件.同时,随着尺度的降低,动力学结构特征和外部特征的可比性均降低.60—70a尺度及其以下的尺度,各分量之间的动力学结构特征失去了可比性;在小于30a的尺度上,它们的外部特征也不再具有可比性.