基于Vine Copula函数的风浪要素联合概率分布模型

随着全球气候变暖的加剧,极端气候现象发生的频率和强度均可能加大,这对海岸和近海结构的安全不利。基于中国东海的连云港海洋观测站实测风浪数据和Vine Copula理论,建立风浪要素中风速、波高、波浪周期、风向和波向五维随机变量之间的联合概率分布模型。采用极大似然法确定各风浪要素边缘分布模型参数,通过AIC信息准则和均方根误差RMSE进行拟合优度评价,由此建立风浪要素的边缘分布。采用带有基于残差的高斯似然函数的贝叶斯框架估计二维Copula函数的参数,结合AIC信息准则进行拟合优度评价并确定最优Copula函数。绘制最优联合分布概率密度图,与二维频率直方图进行对比以评价模型效果。采用Vine Copula函数建立多维联合概率模型并结合AIC值评价其拟合优度。研究结果表明:建立的Vine Copula模型可以较好地刻画风速、波高、波浪周期、风向和波向五维随机变量之间的联合概率分布。

耿贝尔逻辑模型在极值风速和有效波高联合概率分布中的应用

首先介绍了耿贝尔逻辑模型,采用该模型对南海海域的涠州岛海洋站的风速和有效波高实测数据进行了分析,结果表明耿贝尔逻辑模型较好地描述了年极值风速和有效波高两随机变量的联合分布;采用得到的极值风浪联合概率分布推算了不同重现期的极值风速和波高,表明考虑风速和波高相关性对设计荷载的确定有显著影响。由于耿贝尔逻辑模型具有函数结构简单,参数估计方便,因此有望成为极值风速和波高联合分布的较理想概率模型。

基于风浪联合概率模型的海洋平台结构系统可靠度分析

基于多变量极值理论的联合概率模型,根据BZ28-1油田一年多的风浪同步观测资料统计得到风浪联合概率分布及其参数,讨论了海洋平台结构系统可靠度分析的等效荷载方法,在此基础上分析了JZ20-2MUQ平台结构的系统可靠度,并与不考虑风浪相关性影响的JZ20-2MUQ平台结构的系统可靠度比较,得到了风浪相关性对系统可靠度的影响情况。

基于Archimedean Copula模型的风浪联合分布第二重现期

为了较准确获得海洋结构在设计环境荷载重现期下承受的风浪荷载,简述了Archimedean Copula函数的定义及特征,定义了样本的重现期安全域概念;对常用的几种重现期和基于Archimedean Copula函数C-测度的第二重现期进行了对比分析;首次将第二重现期应用于风浪联合分布的重现期分析中,经实际数据验证,第二重现期定义严格,计算结果更接近荷载效应实际重现期.

琼州海峡跨海大桥桥址处风雨联合概率分布研究

选取琼州海峡跨海大桥桥址处观测的36组台风最大10 min平均风速和最大小时降雨量以及澄迈气象站30年来的年最大10 min平均风速和日最大降雨量为样本,确定了风速、雨量的极值Ⅰ型边缘概率分布。采用Copula函数建立了风速、雨量联合分布模型,通过拟合优度比较,得到了桥址处与气象站处的风雨联合分布模型的最优连接函数分别为Gumbel Copula函数和Clayton Copula函数。根据风雨联合分布模型,对琼州海峡大桥风雨极值重现期进行了分析。结果显示,观测塔处极值风速比澄迈气象站处大72%～95%,表明建立桥址观测系统是十分必要的;边缘分布重现期计算出的风速、雨量值小于联合分布重现期的计算值,随重现期的增大,二者差值有减小的趋势。

台风环境下海上结构的设计风浪联合概率模型

为了研究作用于海上结构的主要极端作用,以短期测波资料为基础,将对海浪形成发展有重要影响的风速与波高、周期有机结合起来,推导出给定风速条件下的波高、周期联合概率分布模型,对波高、风速相关系数进行参数分析。将给定风速条件下N年最大波高作为滤过复合Poisson过程考虑,推导了其超值累积分布,进而反推台风时相应重现期下的年最大波高众值及相应特征周期,得出了基于台风环境的设计波浪要素。结果表明:推导模型从概率学角度建立了风、浪设计因素的对应关系,简化了传统设计参数的计算。

风浪联合作用下深水半潜式平台运动响应模型试验研究

以一座工作水深为1500 m的深海半潜式钻井平台为例,采用混合模型试验技术,对其在400 m等效截断水深锚泊系统系泊下进行模型试验研究,缩尺比取为1:100,分别进行了静水试验、规则波以及不规则波试验。对比数值计算结果与试验结果,对平台的运动响应进行研究分析。

二维复合极值模型在暴雨多变量联合分布中的应用

为了更好地描述暴雨多变量特征,构建以GPD为边缘分布的泊松-二维Copula复合极值模型,并将其应用于成都温江站暴雨雨量和暴雨雨峰的联合概率分布计算,研究表明该模型:理论联合频率与经验联合频率吻合较好,能用于暴雨联合分布的计算;考虑了暴雨过程出现的频次,增加了概率模型的物理内涵,选取独立的暴雨过程极大值作为样本,克服了GPD阈值选取的随意性;可以推广应用于连续分布为其他的Copula函数的情形,具有广泛的应用前景。

基于Copula函数的长江堤防岸线土体参数分布模型研究

针对二维独立分布不能考虑变量间相关性,导致堤防边坡稳定性的可靠度计算结果不够准确的问题,基于171组长江堤防岸线土体抗剪强度试验数据,采用Copula函数研究长江堤防岸线土体抗剪强度参数间相关性,利用AIC、BIC准则识别最优边缘分布与Copula函数,构建二维联合分布模型,并分析数据量对参数间相关结构识别的影响。结果表明,基于Copula函数的二维联合分布模型能够较准确地表征长江堤防岸线土体参数间的相关性;当数据量大于24组时,AIC、BIC准则可准确识别最优Copula函数,为堤防边坡可靠度计算和Copula函数模型的构建提供参考。

“多碰头”复合灾害遭遇组合概率及重现期计算方法研究

为揭示变化环境下“多碰头”复合水文地质灾害的风险规律,采用二维Copula联合概率函数,构建具有“藤状”结构的复合灾害遭遇组合概率分布模型,对模型进行精确拟合,选用log-lik、AIC、BIC三种拟合优度检验方法进行优选。针对不同灾害发生情景,计算复合灾害遭遇组合的联合累积概率及肯德尔联合重现期。以粤港澳大湾区佛山站(降雨-滑坡(泥石流)-山洪)以及灯笼山站(台风-风暴潮增水-洪水)复合灾害遭遇组合事件为例,构建三类灾害组合的概率分布模型。结果表明,随着单一灾害情景的极端性增加,复合灾害遭遇组合联合累积概率及重现期相应增大,从而揭示了复合灾害的风险模式。本研究可为预估“多碰头”复合灾害遭遇组合的风险提供理论支持,对于复合水文地质灾害风险预估有参考意义。

水利水电工程岩基抗剪强度参数二维分布模型构造的Copula方法

基于国内103个水利水电工程1 174组岩基抗剪强度试验数据,采用Copula函数研究岩基抗剪强度参数联合分布模型,探讨水利水电工程中岩基抗剪强度参数联合分布模型构建方法。利用最小二乘法求出岩基抗剪强度参数试验数据的相关统计参数,基于AIC准则识别出岩基抗剪强度参数边缘分布。选择4种Copula函数构造岩基抗剪强度参数二维分布模型,探讨了基于Copula函数的岩基抗剪强度参数二维分布模型的优越性。结果表明:水利水电工程岩基抗剪强度参数存在明显的统计负相关性。Copula方法能够构造具有任意边缘分布和任意相关结构的岩基抗剪强度参数联合分布模型,它为构造抗剪强度参数联合分布模型提供了一种简便的工具。已知岩基抗剪强度参数的边缘分布函数和相关系数不能唯一确定岩基抗剪强度参数的联合概率分布模型,在抗剪强度参数边缘分布函数和相关系数完全相同的前提下,不同Copula函数建立的抗剪强度参数联合概率分布模型差异显著。与常用的抗剪强度参数二维正态分布模型相比,基于Copula函数的抗剪强度参数二维分布模型具有较强的灵活性,它能更好地拟合原始观测数据。水利水电工程中惯用小值平均法确定标准值,当摩擦系数取较小值时,不同Copula函数构造的黏聚力的条件累积分布函数差异显著,这将对抗剪强度参数标准值的选取以及相应的设计方案具有明显的影响。

基于Copula函数的堆石料非线性强度参数相关性及分布模型研究

堆石料非线性强度参数的不确定性及相关性是影响土石坝坝坡稳定可靠度分析结果的关键因素,但传统的正态分布模型无法准确地表征非线性强度参数的相关非正态分布特征。汇总了国内外124座土石坝工程的1257组筑坝堆石料非线性强度参数,基于Copula函数提出了堆石料非线性强度参数联合分布模型的构建方法。分别采用最小二乘法和BIC准则确定堆石料非线性强度参数的相关系数、最优边缘分布函数与最优Copula函数。结果表明:非线性强度参数间存在显著的正相关性;堆石料非线性强度参数的边缘分布和相关系数相同时,不同的Copula函数构造的联合分布函数差异显著;对于条件累积分布函数,当非线性强度参数取值减小时,基于不同Copula函数构造的非线性强度参数的条件累积分布函数差异越显著;与二维正态分布模型相比,基于Copula函数建立的非线性强度参数非线性强度参数联合分布模型灵活性强、适用范围广,能更准确地表征原始数据的分布情况,可为土石坝坝坡静、动力稳定可靠度分析提供简单、有效的分布模型。

浮式风机在风浪联合作用下的动力响应分析

为了研究浮式风机以及系缆张力响应问题,本文基于三维线性频域势流理论和脉冲响应函数方法计算时域波浪力,利用准静定系泊模型来模拟系泊力,通过叶素动量理论来计算风力,采用计算流体力学方法得到粘性阻尼系数,建立了风机在风浪联合作用下的时域运动方程。结果表明:在规则波与不规则波单独作用下的纵荡、垂荡响应与试验值相吻合,系缆张力响应则偏小于试验值;在不规则波与风联合作用下,所得的纵荡、垂荡响应在波频范围内与不规则波单独作用下的结果相差不大,而系缆张力响应则同样偏小于试验值。

计及光照波动性及元件故障的光伏出力概率模型

光伏发电正向规模化、集成化方向发展,大规模接入将给电网安全、稳定运行带来极大的挑战,建立准确、可信的光伏出力模型显得尤为重要。而已有的光伏出力模型往往只考虑自然天气、地理位置等因素而忽略光伏元件故障对光伏出力的影响。鉴于此,本文建立了计及光照波动性及元件故障的光伏出力概率模型。首先,建立光照强度遵循Beta分布的光伏出力概率模型;其次,建立光伏元件故障功率水平;最后,运用联合概率分布建立考虑光照波动性及元件故障的光伏出力概率模型。然后,通过算例验证了所建模型的准确性。

基于混合Copula函数的风雨联合概率分布模型

特殊地区风雨联合作用下高速铁路桥梁和车辆的气动特性会发生改变,进而影响列车安全舒适运行。为了全面描述风雨联合分布规律和时空关联特征,基于兰新高铁自然灾害监测系统的长时气象监测数据,提出基于混合Copula函数的风雨联合概率分布模型。首先选取Gumbel、Clayton和Frank Copula函数建立混合Copula函数。然后采用非参数核密度估计方法估计出日极值风速和日极值雨强的边缘分布函数;根据贝叶斯模型加权平均方法以及离差平方和最小准则分别估算出混合Copula函数的权重参数和相依参数;利用K-S法以及最小距离法对混合Copula函数进行拟合优度检验。最后以兰新高铁沿线日极值风速和日极值雨强的监测数据为例,建立基于不同Copula函数的风雨联合概率分布模型,并比较不同模型的拟合优度。研究结果表明:基于混合Copula函数的风雨联合概率分布模型能够更加准确地描述日极值风速和日极值雨强之间的多种相关关系;基于Gumbel、Clayton和Frank三种混合Copula函数的风雨联合概率分布模型是描述日极值风速和日极值雨强联合分布规律的最优模型;兰新高铁沿线基站监测的日极值风速和日极值雨强之间存在下尾相关为主、上尾相关和对称相关为辅的相关关系。

积雪深度与伴随风速比的联合概率分布

大跨度空间结构为雪荷载敏感结构,在对其进行积雪分布的试验或模拟时,面临采用何种积雪深度和风速作为输入条件的问题。对某站点逐日的降雪和风速历史数据进行分析,得到了该站点年最大积雪深度和当日伴随风速比(最大积雪日伴随风速与年最大风速的比值)两参数的边缘分布模型和联合概率分布模型,研究了其联合重现期和同现重现期。结果表明:该站点积雪深度和伴随风速比均符合Weibull分布;求取联合分布函数时可采用Gumbel-Copula函数作为最优连接函数;基于该联合分布函数计算得到积雪深度和伴随风速比的联合重现期与同现重现期曲线,从而获取连续的两参数的取值组合。将积雪深度与伴随风速比等概率条件下同现重现期为50 a时的计算值作为输入参考值,计算得到的单参数重现期均为8.1 a,在此取值条件下,积雪深度较50 a重现期的值要小,伴随风速比较直接采用重现期风速值的小,较采用风速期望值的大。

30万吨级油船空载系泊系缆力模型试验研究

针对大型油船在现有码头停靠、改造时的空载系泊情况,采用物理模型试验方法,分析了处于改造作业过程中吃水较小、受风面积较大的30万t级油船的缆绳受力情况,研究了吹开风作用下以及风浪联合作用下波浪与风速对缆绳受力的影响,得出了原系泊方案最不利缆绳位置。针对风暴情况下船舶系缆布置方式存在的问题,提出了相应的优化方案,并开展相关试验研究。研究结果表明:优化方案可使各个缆绳受力更加均匀,避免某根缆绳受力较大的情况,试验结果可为相关设计提供一定的依据。

基于大气动力模型的多风电场出力场景生成方法

具有时空相关性的多风电场未来出力的场景,在大规模风电接入下的日前、日内滚动经济调度问题中有着重要的应用。文章基于物理机理的解析模型提出一种生成多风电场未来时段出力场景的方法。该方法以大气运动方程和风速降尺度方程为基础,建立了描述风电场群高空大气与地表风运动关系的随机动态系统。结合地面实时量测风速信息,采用扩展卡尔曼滤波算法对系统状态进行估计,并对各风电场未来风速的联合概率分布进行预测。再利用蒙特卡洛仿真、风电功率曲线和场景约简技术生成具有时空相关性的各风电场未来时段的出力场景。算例中以美国密苏里州四个风电场为例进行仿真测试,并将该方法与高斯连接函数法进行对比和评价,验证了所提方法的有效性。

北京山区暴雨泥石流预警模型研究

北京山区泥石流多以暴雨类沟道侵蚀型泥石流为主,具有暴发频率低、间歇周期长、群发性显著等特点,在无丰富泥石流事件支持的情况下,泥石流预警一直是个难题。在北京地区已有泥石流预警模型校验的基础上,以泥石流流域降雨精细监测为基础,将场次累计降雨量(R)和最大小时雨强(I)视为反映暴雨泥石流雨场特征的二维离散随机变量,分析了不同雨场累计降雨量(R)和最大小时雨强(I)的联合概率分布特征,绘制了降雨安全等概率线;在此基础上,以近年来少数泥石流样本为基础,以降雨安全概率4%曲线作为北京地区泥石流预警线。研究结果表明:当雨强大于60 mm/h,过程雨量达到220 mm时,泥石流发生的可能性极大,可满足现有地质环境背景下暴雨泥石流预警需求,并可为无丰富泥石流灾害样本地区的泥石流预警提供技术参考。

漂浮式风-浪能混合利用系统运动模型数值分析

风浪能混合发电技术具备可提高平台利用效率、增加并稳定发电量和减小发电成本的特点。本文以STC型漂浮式风浪能混合利用系统为例,建立并求解风浪能混合利用系统的非线性联合运动方程组,分析风浪能混合利用系统的波浪载荷、风载荷。计算风浪能混合利用系统的运动响应,并将数值计算的结果与已有的试验数据进行比较,验证了风浪能混合利用系统数学运动模型的准确性和适用性。应用该数学运动模型分析PTO(power takeoff)参数BPTO对波能装置发电性能的影响。在一定范围内,增加BPTO使俘获宽度比曲线带宽变小,且俘获宽度峰值对应入射波频率向低频区转移。