改进MUSIC算法的超声波测风方法研究

针对传统超声波测风装置测风精度不高、抗噪声能力弱,提出了一种改进多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)算法的超声波测风方法。采用一种弧形6阵元超声波传感器阵列的测风结构,推导其阵列流型;在此基础上,添加小波阈值降噪算法提高信号信噪比,降低噪声信号协方差矩阵的秩;再使用PHAT加权广义互相关时延估计算法以提高时延估计的准确性,同时根据时延关系对传统MUSIC算法矢量矩阵进行改进;最后通过MUSIC算法实现对风速风向的测量。理论分析与仿真结果表明:改进后的MUSIC算法具有较好的抗噪性能和较高的风参数测量精度,测量风速绝对误差达到0.15 m/s,风向绝对误差达到2°,可以应用于对风参数要求较高的场景。

基于高频高光谱近感观测量化风对蓝藻水华的影响

全球气候变化显著影响湖泊理化环境和生态系统演化,对生态系统服务造成负面影响甚至引发生态系统灾变,其中风速下降可能促使富营养化湖泊蓝藻水华的暴发和水面漂浮集聚。以往由于较低的观测频次,往往很难精细量化风对蓝藻水华的影响。利用陆基高光谱近感观测技术,基于分钟小时尺度开展周年高频观测,通过对6—10月蓝藻生长期太湖表层水体叶绿素a浓度统计分析,量化蓝藻水华高频动态变化特征,确定蓝藻水华漂浮集聚的风速阈值。研究发现,随着风速的下降,水体表层叶绿素a浓度随之增加,蓝藻水华出现概率也随之增加。概率分析显示,当近地面风速小于2.5 m/s时,湖泊表层比较容易形成明显肉眼可见的蓝藻水华,藻华发生概率为55.1%。长时间持续的低风速容易诱发蓝藻水华形成和漂浮集聚,强风浪事件后低风速出现1~2天叶绿素a往往就能恢复以往较高水平,这为管理者有效防控蓝藻水华提供了新视角。长期气象观测显示,气候变化影响下太湖地区风速呈现显著下降趋势,增加了蓝藻竞争优势和发生概率,有助于其在表面漂浮集聚。在未来的气候变化情景下,如果风速继续呈现下降趋势,在营养盐条件不变情况下湖泊表层蓝藻水华发生概率可能还会上升,增加蓝藻水华防控难度,也对流域和湖体营养盐管控来缓解蓝藻水华提出更高要求。

青藏高原草地物候动态及其对驱动因子的响应

植被物候动态是多重因子影响的结果,尤其在对外界扰动响应敏感的青藏高原草地生态系统。本研究利用2000-2020年MODIS 16 d合成的归一化植被指数(normalization difference vegetation index, NDVI)数据,选用动态阈值法提取了青藏高原逐年的植被物候期,探究了青藏高原草地物候动态变化及其对驱动因子的响应。结果表明:1) 2000-2020年青藏高原草地生长季始期(start of the growing season, SOS)从西北向东南呈提前趋势,每年提前约0.19 d;草地生长季末期(end of the growing season, EOS)整体呈推迟趋势,每年推迟约0.19 d;草地生长季长度(length of the growing season, LOS)由西北向东南逐渐增长。2)风速和连续5 d最大降雨(yearly maximum five-day precipitation, RX5day)是影响草地LOS的主要因素,且因子间两两交互作用要强于单个因子对植被物候的影响,尤其表现在RX5day与温度和风速与温度之间的交互。3)草地LOS与风速和RX5day的回归系数有明显的空间异质性。藏北高原草地LOS随风速增大而变长,随RX5day增大而变短。青海高原和藏南谷地的草地LOS随风速增大而变短。川藏高山峡谷区草地LOS随RX5day增大而变长。综上,本研究可为研究区内生态系统保护和畜牧业的发展提供一定科学依据。

盐池地区沙尘暴期间风沙运动若干特征研究

通过沙尘暴期间的实际观测资料,对宁夏盐池地区沙尘暴期间风蚀起沙的几个相关特性进行了研究。结果表明：当地10m高度的临界起沙速度为5.0m·s^-1,临界摩擦速度为0.32m·s^-1;采用凌裕泉提出的“最大可能输沙量”计算方法,得出盐池地区沙尘暴期间的输沙量为12.42kg·m^-1;当地沙尘气溶胶粒子传输距离为1.4×10^5～1.4×10^6km。

沙粒形状的不规则性及静电力对起动风速的影响

沙粒形状的不规则性使得沙粒的质心存在着偏心距,且沙粒所处位置的不同使其偏心角各异。笔者通过理论分析给出了起动风速与沙粒的粒径、偏心距、偏心角以及静电力之间的关系模型,并通过数值模拟研究了偏心距、偏心角以及静电力对起沙风速的影响。结果表明在风沙流形成的强电场中,沙粒偏心距为直径的0 05倍时与实验测量结果吻合得很好。

常规风与飓风的极值风速预测模型评述

结构在服役期内设计荷载的取值是否可靠,极大地影响着结构的安全性及经济效益。由于柔性大的结构如高耸、大跨结构和桥梁等对极值风速作用非常敏感,目前世界范围内因风灾造成的结构破坏和损失趋益严重,因此结构尤其是沿海地区结构的设计风荷载取值就非常重要。着重评述了近20年来欧美在常规风、飓风等极值风速统计预测模型方面的研究进展。

中国北方沙尘暴出现阈值风速的估计

提出了沙尘暴阈值风速的概念以及一个使用沙尘暴持续时间和平均风速计算沙尘暴阈值风速的方法,并利用中国北方283个气象台站1991—2000年的月平均风速资料和同期记录的所有沙尘暴持续时间资料,计算了中国北方各个季节沙尘暴阈值风速分布。计算结果有助于沙尘暴的预报工作。

基于野外试验对临界起沙风速的计算解析

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的野外观测试验数据,通过STOUT建立的高斯时间分数等值方程计算不同时间步长所对应的临界起沙风速,探讨时间步长对计算临界起沙风速的影响,结果表明:(1)利用不同时间步长获取的临界起沙风速具有一定的差异,随着时间步长的缩小,临界起沙风速的获取越来越细化:当时间步长取28 d时,临界起沙风速ut为定值4.85 m·s^(-1);当时间步长取1 d时,ut平均值为4.63 m·s^(-1);当时间步长取12 h时,00:00—11:00(北京时,下同),ut平均值为4.68 m·s^(-1),12:00—23:00,ut平均值为4.58 m·s^(-1);当时间步长取6 h时,计算得到00:00—05:00、06:00—11:00、12:00—17:00和18:00—23:00各时间段的临界起沙风速平均值分别为4.46、4.74、4.50和4.36 m·s^(-1)。(2)观测期间,总沙尘水平通量为732.9 kg·m^(-1),风沙活动持续7 663 min。(3)将不同时间步长获取的临界起沙风速所对应的总沙尘水平通量、沙尘持续时间与观测值进行对比,总沙尘水平通量的计算值均明显高于观测值,时间步长取28 d时,风沙活动持续时间与观测值最接近。

风雪流临界起动风速的研究

雪粒的起动以及临界起动风速是研究风雪流的形成过程中需要关注的首要问题．通过对雪粒的受力机制及其起动条件进行分析,建立了雪粒在平稳风场下的起动模型;研究了雪粒的临界起动风速以及临界起动风速与雪粒粒径、积雪时间和雪表温度的关系．结果表明,临界起动摩阻风速随着雪粒粒径的增大而增大;对于稳定的雪表温度,雪粒的起动摩阻风速在1000 s内是随时间而增加的,最终达到一个稳定值．起动摩阻风速随雪表温度的增大而增大,当雪表温度大于263 K时,其对临界起动摩阻风速影响很大;当雪表温度小于263 K时,其对临界起动摩阻风速影响相对较小．

400 km/h高速铁路32 m简支梁桥上安全行车横向风速阈值分析

基于风-列车-轨道-桥梁耦合振动模型,分析了7.5~30.0 m/s横向风作用下CRH380列车以350~480 km/h通过32 m标准预应力混凝土简支梁桥时桥梁和车辆的动力响应,并给出高速列车以400 km/h过桥时风速阈值。结果表明:主梁的横向位移和横向加速度均受风速影响较大,受车速影响较小;主梁的竖向位移和竖向加速度主要受车速的影响;车体横向加速度主要受风速影响,脱轨系数及车体竖向加速度受车速影响更显著;列车以400 km/h过桥时风速阈值为12.5 m/s,若超出该阈值须采取降低列车运行速度、设置风屏障等措施。

内蒙古科尔沁沙地临界起沙阈值的范围确定

临界起沙阈值可表征地表土壤的可蚀性,是风蚀起沙研究中非常重要的物理量之一。基于微气象学方法,将沙尘浓度和垂直沙尘通量均开始增加且至少持续0.5 h所对应的摩擦速度(或风速)确定为临界起沙摩擦速度u_(*t)(或临界起沙风速U_t)。利用内蒙古科尔沁沙地地区2010—2013年春季大气环境综合观测资料,分析了不同沙尘天气过程(扬沙、沙尘暴和强沙尘暴)起沙阶段沙尘浓度和垂直沙尘通量随摩擦速度的演变特征,精细确定了该地区临界起沙摩擦速度(u_(*t))和临界起沙风速(U_t)的范围分别为0.45±0.20和6.5±3.0m/s,同时讨论了不同起沙判据对确定临界起沙阈值产生的影响。相比而言,采用的起沙判据尽可能地排除了沙尘输送和沉降过程的影响,适用于不同的沙尘天气类型,使沙尘粒子进入大气的起沙结果更趋于合理,其结果可为建立统一、合理的起沙判据提供参考。

沙尘暴次数和持续时间呈指数关系N=A·10^(-bt)

通过分析中国国家气象局整理的中国沙尘暴资料,发现持续时间大于t的沙尘暴次数N满足:N=A·10-bt,其中A、b是正的常数。这个规律具有普适性。另外,还发现b值与沙尘暴阈值风速有关,沙尘暴阈值风速较小的地区,如沙漠、沙地以及干旱的黄土高原,b值较小;沙尘暴阈值风速较大的地区,如戈壁、高山等,则b的值较大。

常泰长江大桥主桥风-车-线-桥耦合分析

常泰长江大桥为主跨1176 m的双塔双索面公铁两用双层斜拉桥。为研究侧风作用下该桥的动力响应以及桥上高速列车的行车安全性,采用WTTBDAS V2.0软件建立风-车-线-桥耦合分析模型,分析不同风速及车速下单、双线CRH2列车通过桥梁时车辆和桥梁的动力响应。结果表明:桥梁主跨跨中横向位移和横、竖向加速度随风速增大而增大,竖向位移受风速影响较小,车辆响应随风速增大而增大;桥梁主跨跨中横向位移和加速度响应在风速小于20 m/s时受车速影响不大,竖向位移和加速度随车速增大而增大;车辆的响应随车速的增大而增大,当风速达20 m/s后,车辆的动力性能主要由风速控制;单、双线行车时,桥梁的竖向动力响应差异较大,车辆的动力响应差异较小。根据风-车-线-桥耦合分析结果,结合现有的安全性和舒适性评价指标,提出大风天气下桥上行车的风速-车速阈值,当横向平均风速>30 m/s时,应封闭线路。

基于离群点检测和PSO-BP的超短期风速预测

为降低风电场的运营成本和提高设备维护效率,提出了基于离群点检测和PSO-BP的风速预测模型。将基于距离和统计学的离群点检测方法结合,并通过分组剔除风速数据中的异常值;然后利用小波阈值去噪算法对风速数据进行去噪;最后使用粒子群算法优化后的BP神经网络进行预测。仿真结果证明,改进的离群点检测方法和小波阈值去噪降低了风速数据的波动性和随机性;对于3组不同风速数据,基于离群点检测和PSO-BP预测模型的预测精度均高于其他对比模型。

风速数据奇异点辨识研究

保证风速数据的真实性与可靠性,可以有效地提高风电功率预测精度。针对风速信号中包含奇异点,采用基于小波模极大值的方法进行辨识。该方法将阈值判定与李氏指数相结合,首先,求出小波分解后细节系数的局部极值点,由于奇异点的高频分量很大,因此利用阈值对奇异点的位置进行初步判定;然后,寻找各尺度局部极值点的传播点并绘制模极大值线,从而求得李氏指数α,当李氏指数α<1时,判定该点为奇异点;最后利用自回归滑动平均法ARMA(p,q)对奇异点进行修正。研究实例表明,所采用的基于小波模极大值的奇异点辨识方法,能够准确的判断出信号的奇异性以及发生的时刻,并且能够有效地修正奇异点的值,从而保证风速数据的可靠性,具有一定的实际应用价值。

侧风作用下五峰山长江大桥列车行车安全控制

研究目的:随着我国高速铁路事业的快速发展,大跨度悬索桥越来越多地在铁路线路中被采用。为研究侧风作用下铁路悬索桥的行车安全,本文以五峰山长江大桥为工程实例,建立对应的桥梁有限元模型,利用风-车-桥耦合振动理论,通过仿真计算给出五峰山长江大桥在各风速下保证行车安全的车速阈值。研究结论:(1)在侧风作用下,单双线CRH2、CRH3以设计速度通过五峰山长江大桥,桥梁的横、竖向位移响应以及加速度响应均能满足要求,桥梁结构能够保证安全;(2)通过分析车辆响应结果,结合现有的安全性与舒适性评价指标,给出了各平均风速横风作用下车辆安全通过桥梁的车速阈值;(3)本研究成果可为同类型桥梁的设计以及行车安全控制提供参考。

风速统计特性研究探讨

结合上海地区两个气象站的实测数据，在对上海地区的风特性进行分析研究的基础上，提出了风速统计特性研究的一种改进方法。

沙尘暴发生次数和持续时间的统计关系

通过分析中国国家气象局1961-2000年间355个站点的沙尘暴资料，发现沙尘暴发生的次数与持续时间呈正态分布关系（IgN=a-bt）计算不同站的b值，还发现b值较小的站主要出现在沙漠、沙地或其附近利用实测风洞风速信号用数值实验的方法证实沙尘暴阈值风速的存在是造成该现象的原因，并提出可以利用其中的b值来计算沙尘暴的阈值风速。

基于TDC-GP22的超声波测风仪设计

为了解决现有超声波测风仪测量精度小、电路设计复杂、霜雪等恶劣天气测量误差大等问题,设计一款基于TDC-GP22的高精度超声波风速风向测量仪,时间测量精度可以达到22 ps,采用小波阈值降噪法处理测量数据有效地剔除电磁干扰、空气中固体颗粒对信号的反射等测量误差。给出以STM32F407和TDC-GP22为核心控制芯片的系统总体框架设计,详细论述超声波驱动发射、高精度时间差测量、信号调理、探头自动加热、数据去噪的具体实现过程。测试结果表明,该系统的测量精度和可靠性满足要求。

基于卫星微波散射计风场的台风中心定位方法比较研究

基于HY-2A/B、Metop-A卫星微波散射计风场产品,开展了两种定位台风中心方法的比较研究。以2019年台风"娜基莉"为例,分析了在台风形成期与成熟期不同发展阶段的定位结果。结合台风风场涡旋特性与风速特征,考虑相对垂直涡度和水平散度两个影响因子,探究了高风速阈值涡度场定位法和高风速阈值复合场定位法的定位效果,并与中国气象局热带气旋资料中心的最佳路径数据集比较。结果表明:台风成熟期定位精度较形成期更优,高风速阈值复合场定位法精度更佳,平均偏差为0.1°~0.2°,均方根误差小于0.25°。