数值预报AI气象大模型国际发展动态研究

数值预报是研究地球系统的重要工具,有助于加深科学家对大气、海洋、气候和环境等复杂系统之间相互作用和变化过程的理解,在防灾减灾、气候变化和环境治理等方面发挥着不可或缺的作用。随着模式复杂度和分辨率的提高,传统数值模式在气候变化研究和气候预测方面取得了迅速的进展,但也面临一些挑战,需要得到数据同化、集合耦合、高性能计算和不确定性分析等多方面的支持。而近年来,“AI+气象”的交叉研究在气象领域引起了广泛关注。基于多种深度学习架构的人工智能大模型,依托强大的计算资源和海量的数据进行训练,能够以新的科学范式进行高效数值预报。气象大模型不断涌现,一些科技公司如华为、英伟达、DeepMind、谷歌、微软等,以及国内外高校如清华大学、复旦大学、密歇根大学、莱斯大学等发布了多个涵盖临近预报、短时预报、中期预报和延伸期预报等不同领域的气象大模型。这标志着人工智能与气象领域的交叉融合已经达到新的高度。尽管气象大模型在现阶段取得了较大突破,但其发展仍然面临弱可解释性、泛化能力不足、极端事件预报强度偏低、智能预报结果过平滑、深度学习框架能力需要拓展等诸多挑战。

基于DEW模型的地球深部流体组成与水岩相互作用计算方法综述

水岩相互作用会导致流体中元素的价态、赋存形式等发生改变,进而对元素的富集成矿、循环通量等产生影响。由于地球深部样品与实验数据有限,建立和使用地球深部流体模型可以有效地增加人们对深部流体及水岩相互作用的认知。Deep Earth Water(DEW)模型是一种描述地球深部流体热力学性质的数据库,其可以与矿物热力学数据库联用,实现对地球深部水岩相互作用过程的模拟研究。本文阐释了使用DEW模型描述深部流体的必要性,叙述了应用DEW模型进行深部流体物种和水岩相互作用计算的基本原理,介绍了一种基于DEW模型计算流体物种的软件——FluidsLab,列举了地球深部流体以及水岩相互作用的应用案例与研究现状,最后对DEW模型后续的应用与发展方向进行展望。

东胜煤田地质封存三维深地建模

深部地质封存是目前最具前景的高盐水及二氧化碳地质封存方式。以钻孔数据库为基础,结合地形及地质数据资料,利用Surpac软件构建了鄂尔多斯盆地东北部东胜煤田地质封存潜力区的三维地质模型,模型共收集了研究区内8口深度超过2000 m的深井资料,构建了覆盖鄂尔多斯盆地东北部深地封存潜力区的三维地质模型,通过分析模型中地层展布几何学特征,结合示范工程岩心测试分析结果,总结研究区内深部地质封存潜在储层刘家沟组的赋存形式、封存有利特点及变化特征。研究结果表明:研究区范围内潜在封存储层刘家沟组整体地层厚度变化不大,但总体而言区域西南部刘家沟组比东北部深度更深、地层厚度更大,具有更大的潜在封存空间,可积极开展深部地质封存科学实践;刘家沟组长石砂岩为封存提供了微裂隙空间,是使该地层成为封存有利层位的重要特征,根据三维地质建模结果显示,研究区内刘家沟组总体厚度处于277~460 m之间,潜在封存空间可达2790000 km3;由于当前已有地质封存示范工程数量较少,因此该模型可为少量钻孔数据背景下的区内其他缺少钻孔数据的封存层位深度及厚度变化判断提供参考。

综合古地理重建的数字智能化趋势与方法进展

古地理重建是研究地质历史时期地表构造过程、海陆格局和地貌环境特征的一项综合研究,并通过绘制表达海洋和大陆的古代轮廓以及重要的地形和地表环境的地图来呈现,是还原地球演化历史、预测能源矿产分布、认识生命和气候演变的基础性工作。随着大数据时代的到来,数字化方法的应用为古地理图快速更新和友好呈现提供了方便。目前,全球有多个团队发布了数字化的全球古地理重建模型以及相关的数据和方法,如EarthByte、PaleoMap、UNIL、Deep Time Maps等团队。笔者研究团队基于“深时数字地球(Deep-time Digital Earth,DDE)”国际大科学计划提出的数据-知识-模型驱动的古地理重建思想,提出基于数字化方法驱动的升级更新全球古地理图的新流程,并通过不断尝试地球科学与信息科学的交叉融合,从知识图谱、大数据分析和机器学习技术等方面开发了多项古地理重建应用技术。以东特提斯域中二叠世—中三叠世的古地理重建为例,首先在GPlates软件平台上重建了板块构造框架,再利用岩相古地理图自动生成地形地貌图并结合人工校正,最后在GPlates软件通过图层叠加实现了中二叠世—中三叠世东特提斯域的动态数字综合古地理重建。本用例与广泛使用的Scotese(2021)的古地理图对比,在成图效率、数据丰富性和可追溯性、模型准确性等方面都有明显提升,并为该时期板块运动、冰期消亡、大洋缺氧和生物灭绝等重大地质事件的研究提供新的约束和启示。

水声射线传播的黎曼几何建模·应用——深海远程声传播会聚区黎曼几何模型

会聚区是深海水声传播重要的物理现象,对其准确建模和计算是深海远程水声探测与通信的基础.但深海会聚区缺乏明确的数学描述,特别是对于地球曲率所导致的系统误差,目前主要采用近似计算与曲率修正相结合的方法,尚无精确会聚区数学模型.本文基于水声射线黎曼几何建模基础理论研究,在弯曲球体流形上开展深海会聚区建模,在分析总结会聚区物理特征的基础上,给出深海会聚区黎曼几何描述,得到深海会聚区位置、距离的分析形式和基于黎曼几何概念的计算方法,为深海会聚区——这一重要的深海声学现象探索赋予黎曼几何学意义.以Munk声速剖面为例,对比分析深海会聚区在曲率修正和采用黎曼几何方法在球体流形上建模两种情形的时空分布,验证了本文提出的深海会聚区黎曼几何模型的有效性,结果显示近海面处的会聚区宽度随声传播呈现先变大后变小的规律,最大约20 km,最小约4 km.

数据驱动与理论驱动双向耦合的智能化地球系统模式探索

分析总结了人工智能方法在地球系统模式中的应用,提出了人工智能数据驱动与物理模型理论驱动相融合的智能化地球系统模式研究框架,并对该框架的研究思路和关键技术进行了分析。该框架将地球系统模式自下而上的数据驱动模型与自上而下的物理模型耦合,通过双向驱动共同实现地球系统数学物理方程的有效求解,从而构建智能化的地球系统模式。进一步研究需要基于该理论框架提出具体可行的算法,从而促进智能化地球系统模式研究的发展。

探讨地球物理方法在金属矿深部找矿中的应用

在当前,我国市场化经济不断发展。对于各种能源、矿产的消耗量以及消耗速度也在逐渐增加。这使得能源、矿产需求量也随之水涨船高。为了满足国家社会经济发展基本要求,还需要深入研究探讨深部金属矿产资源的勘查以及找矿工作内容。本文所要讨论的是地球物理方法。该方法在近年来的金属矿深部找矿工作中发挥了重要的应用价值。它切实提升了深部找矿、资源勘查工作的整体效果与效率,非常值得推崇应用。文中将就其方法理论内容展开讨论,并进一步加以验证。

考虑位移非线性影响的深基坑土压力计算模型研究

现行深基坑支护设计弹性地基梁法对墙后土压力未考虑支护结构位移的影响,对墙前开挖面以下也仅考虑位移的线性影响。这与实际情况不符,且开挖面以下的计算参数m不易准确确定。根据横向受荷桩的P-y曲线方程,建立了考虑支护结构位移非线性影响的土压力计算模型,对计算参数的影响因素及其确定进行了深入研究。试验验证表明,该模型能较好地反映实际情况,且计算参数的确定也相对容易和准确。

中国及邻近陆域海域地球内部三维结构及动力学研究

根据国内外最新地球物理和其它地学资料,采用多学科多手段进行综合反演,建立中国及邻区高分辨率地球三维结构模型,为地学各领域提供高精度多参数地球三维模型数据库。对中国及邻近陆域海域岩石圈软流圈结构,过渡带以下直至核幔边界的地幔速度三维分布进行研究。探讨东亚及西太平洋边缘海板块运动、地幔对流、圈层耦合及物质运移等深部动力学问题。对中国大陆及边缘海各地块的结构及相互作用,特别是有关中国东部及边缘海岩石圈拉张减薄、西部岩石圈汇聚增厚的深部动力学过程作了探讨。

地球深部科学研究的新进展--记2007年美国地球物理联合会(AGU)

主要根据2007年美国地球物理联合会(AGU)秋季会议的资料,简述了地球深部科学研究最近几年来的新进展。主要涉及以下几方面领域:复杂的地球动力学模拟到状态方程理论和实验研究;地幔相变和地震的不连续性到深源地震机制;地核的结构和动力学到地球内部的挥发性物质和熔体等地球深部科学研究。从会议的内容看出有三个亮点是值得我们注意的:(1)学科间的融合是地球深部科学研究的主流方向;(2)国际间的合作是当前地球深部科学研究的一大亮点;(3)高精度的技术(超级计算机(supercomputers)和集群(clusters)纵观计算机)是地球深部科学研究的新手段。中国科学家应该关注固体地球科学中这个前缘研究同时共享世界先进科学研究的新成果。

深基坑坑壁土压力模式与支护结构安全分析

润扬长江公路大桥北锚碇深基坑工程采用地下连续墙作为围护结构。施工过程土压力沿坑深变化有直线递增、波状递增、附加荷载作用等分布模式。对不同土压力分布模式下支护结构内力进行分析得出:直线递增(三角形)荷载作用下,整个墙身上部弯矩较小,下部则较大;波状递增土压力形式作用下,整个墙体挠曲多变,并且在中上部就有较突出的弯矩作用;附加荷载土压力模式作用下,墙身上部弯矩异常突出。该分析结果对支护结构的可靠性设计具有重要意义。

华北地区大地水准面起伏及其构造意义

利用ＧＰＳ水准对几个重力场模型计算的大地水准面进行了检验。利用ＷＤＭ９４模型编制了华北地区不同阶次的大地水准面起伏图，讨论了大地水准面起伏和该地区构造横向不均匀性的关系。结果显示：华北地区大地水准面由东向西逐渐降低，总体形态和本区地壳厚度呈镜像关系，且具有明显的分区特征；大地水准面的梯度带和本区３种不同地形的分界带（华北平原，太行山区，鄂尔多斯块体）一致，其中１１５°（Ｅ）分界带和我国东部的主要地壳厚度梯度带一致；大地水准面零等值线的两侧是地震比较集中的地带。

砂卵石地层圆形深基坑支护结构土压力

在以砂卵石地层为主的成都平原地区,近年来圆形深基坑工程逐渐出现,但一直无适宜的支护结构土压力的确定方法,对土压力分布特征尚不清楚。运用弹塑性数值模拟方法,充分考虑桩土变形协调关系,确定了成都地区砂卵石地层的圆形深基坑支护结构上土压力的分布规律,呈现出在围护桩中下部偏大的近似三角形分布模式,平均值小于Rankine主动土压力。开展了模型试验研究,针对试验模型,数值计算值与试验值分布规律整体上具有相似性,二者较为接近,说明了数值计算结果具有一定的合理性。

基于尖点突变模型的地铁深基坑土压力预警阈值研究

为提高地铁施工灾害预警的准确性和可靠性,将尖点突变模型引入地铁施工灾害预警阈值的研究中,建立基于时效影响因子的地铁深基坑土压力尖点突变模型。该模型利用突变流形分析系统的平衡和临界状态,通过势函数突变点临界值确定预警阈值的大小,为地铁施工灾害预警工作提供科学依据。通过实例分析,计算出考虑时间效应的土压力预警阈值。结果表明,地铁深基坑土压力尖点突变模型消除了计算过程中的人为因素影响,并能反映基坑土压力突变的特点。当然,在实际工程施工中,需要对预警阈值进行及时的重新修正,以适应外界环境和技术的不断更新变化。

中国及相邻区域岩石圈结构及动力学意义

中国大陆及邻近陆域海域是晚古生代以来由多个较小的板块或地块汇聚形成的。中生代亚洲东部岩石圈拉张解体和减薄。古新世印度与欧亚大陆碰撞引起地壳缩短隆升,形成青藏高原和喜马拉雅造山带。根据中国大陆及相邻区域天然地震、人工地震及其他地学资料,采用多学科多手段进行反演。对沉积层、地壳、岩石圈特性及厚度变化进行研究,探讨中国大陆及相邻陆域海域岩石圈结构特征及深部动力学问题。

GM(1,1)模型在地表沉降预测中的应用

在城建中基坑开挖所带来的基坑周边地表沉降预测缺乏成熟的计算理论。结合南京某地铁车站基坑开挖工程,通过灰色理论中的GM(1,1)模型对基坑开挖所引起的周边地表沉降进行预测,并与实测值进行对比,结果表明,运用GM(1,1)模型,尤其是改进的GM(1,1)模型,利用初期沉降实测值来预测未来一定时间内的沉降量能够获得比较精确的预测结果。

深部岩石统计损伤本构模型研究

为建立能够反映深部岩石变形全过程模拟方法,首先,针对强度准则的适用性条件建立了深部岩石强度准则,并在此基础上提出了深部岩石微元强度度量方式,同时,引入统计损伤理论,考虑损伤阀值对岩石损伤度量的影响,从而建立了统计损伤本构模型;其次,根据岩石三轴试验曲线特征给出了模型参数的确定方法,并在峰值应力和峰值应变分别与围压之间的关系基础上,建立了能够反映不同围压下岩石变形的统计损伤本构模型;最后,将试验曲线与本文模型的预测结果进行比较分析。研究结果表明:本文模型不仅能够反映深部岩石的变形过程,还能较好地反映岩石强度随围压变化的特性,表明了本文模型与方法具有一定的合理性和可行性。

基于FLAC^(3D)的基坑开挖方案优选

运用FLAC3D软件对深基坑工程的开挖方案进行数值模拟。不同的基坑开挖方案进行数值模拟,分析其对基坑变形的影响。重点研究同一基坑的不同开挖方法对基坑侧壁、支护桩、坑底隆起等变形量的影响规律。结合施工经验和数值分析,对基坑开挖方案进行设计,择优确定开挖方案,合理控制基坑变形,从而达到减小对周围环境的影响,降低工程造价和确保施工安全的目的。

方竖井基坑平动模式挡墙的主动土压力

为了探究方形竖井基坑挡墙后空间主动土压力分布规律,建立了正交挡墙三维有限元分析模型,研究了不同长高比挡墙平动时墙后主动土压力分布及空间滑裂体形状变化规律,并提出考虑挡墙长高比影响的方形基坑空间主动土压力理论计算模型,给出了深筒形基坑的定义和主动土压力合力及其作用点、挡墙中部截面土压力分布的理论公式.通过理论与数值的对比,发现两者吻合较好.研究表明:当挡墙长高比大于临界长高比时,空间滑裂体由中部的库伦主动土楔和角部的曲面体组成;当挡墙长高比小于临界长高比时,滑裂体无平直段,可定义为深筒形基坑,此时随挡墙长高比减小,主动土压力系数由库伦主动土压力系数逐渐减小,滑裂体倾角逐渐增大.

特深圆形竖井土压力分布模式及影响因素研究

以上海深层隧道调蓄系统中的特深圆形竖井工程为背景,通过土工试验获得深层土的力学参数,然后利用数值模拟获得其土压力分布模式。在此基础上,分析了插入比、挡土墙刚度、竖井直径以及挡土墙厚度对土压力及侧向位移的影响。结果表明:当插入比大于0.18时,增加插入比对圆形竖井的侧移和土压力的影响不显著;弹性模量的降低量小于50%时,圆形竖井侧移略微增大,对开挖面以上的土压力有明显影响;开挖面以下约20 m,土压力值与竖井直径呈非线性负相关,且竖井直径的影响随深度增加而减弱;竖井侧移随着墙厚的增大而减小,但由于边际效应的存在,过度增大厚度对于减少竖井侧移的效果并不显著。