基于Web服务的海量风暴潮灾害数据实时可视化研究

目前,风暴潮灾害的数值模拟给出的海量数据结果往往使得研究者难以理解,阻碍研究工作的深入进行,同时从应用角度也不能满足对灾害进行实时可视化的需求.因此,本文针对风暴潮灾害数值模拟的计算格式和结果数据特点,探讨了Web Service技术和可视化处理技术基础上为研究人员提供实时的风暴潮灾害数值模拟以及水位、流场的时空分布可...     

中国沿海地区风暴潮灾害损失监测预警研究进展

近年来,风暴潮灾害已成为制约我国沿海地区经济社会发展的重要因素。本文以风暴潮为研究对象,从风暴潮灾害数值模拟预报技术、风暴潮灾害致灾机理、风暴潮灾害损失评估、风暴潮灾害损失监测预警、风暴潮灾害损失应急管理等五个方面回顾分析国内外有关风暴潮灾害研究的进展情况,揭示目前国内风暴潮灾害研究存在的问题,展望风暴潮研究的发展趋势。     

基于多线程技术的中国海风暴潮数值预报可视化程序开发

首先简要介绍了中国海的风暴潮及灾害情况,对杭州湾一带的风暴潮进行了重点阐述。在风暴潮二维数值模型FBM的基础上开发了具有可视化界面的数值计算程序,能直观的显示风暴潮发展时历,包括风暴潮最大增水、台风风向和移速。采用了多线程技术,可节省时间,程序具有Windows风格的人机交互界面,操作方便。通过几个算例测试,本程序计算结果符合工程预报需要,可为同类研究做一些参考,具有推广意义。     

汕头沿海热带气旋特征分析

通过分析1950～2009年汕头沿岸的热带气旋和1953～2009年汕头风暴潮增水资料,确定汕头地区的增水影响区,并对进入影响区的热带气旋频度、源地、路径、登陆点等要素进行了统计分析,重点分析了影响汕头增水的热带气旋的空间、时间分布特征。结果表明防御风暴潮灾害重点在7～9月,尤其是7月;热带气旋进入影响区以后的路径和登陆地点的不同引发汕头风暴潮增水强度不同,东南-西北行的路径引发增水次数最多,强度最强,西登型和正面登陆型热带气旋较其他登陆类型容易引发较强增水等。所得出的结论,对风暴潮预报具有指导意义,利于开展海洋防灾减灾工作。     

基于时空同步监视的三维海洋灾害预警辅助分析系统

为了直观地展示海洋灾害致灾因子信息和辅助海洋灾害预警分析,应用SKYLINE三维地理信息技术构建界面布局和人机交互界面,基于时空同步监视的理念和数据综合管理的思维采用数据同步技术将台风信息与渔场、渔船、海浪、潮位、增水数据等在同一界面进行综合集成和实时叠加展示分析,建立了人机交互式三维海洋灾害预警辅助分析系统。系统具有信息查询、致灾因子同步监视分析、实时预报信息叠加分析、渔船安全管理辅助等功能,实现了对海洋海浪和风暴潮预警具有较好的辅助分析。实际应用表明,系统能够直观展示致灾要素,为防御海洋灾害提供了一个形象的会商协同平台,有助于提高海洋灾害预警分析能力。     

基于超效率DEA模型的风暴潮灾害脆弱性测度

借鉴灾害风险指标计划(Disaster Risk Index,DRI)和多发区指标计划(Hotspots)的灾害脆弱性测度思路,运用超效率DEA模型建立了基于历史灾情的风暴潮灾害脆弱性测度模型,并利用该模型测度了我国11个沿海省市2002~2011年内5个时段的风暴潮灾害脆弱性。测度结果显示,整体而言,我国南部沿海省市的风暴潮灾害脆弱性高于北部,海南、福建、广东、浙江在各个时段的脆弱性均相对较大,其他省份的灾害脆弱性相对较小或在个别时段相对较大。     

基于TSA-BP模型的温州站台风风暴潮增水预测

台风风暴潮灾害通常会对沿海地区造成巨大损失,因此,准确预测台风风暴潮增水对沿海地区的防灾、减灾工作具有现实意义。本文根据现有风暴潮增水预测研究的成果,建立了基于被囊群算法（tunicate swarm algorithm）优化的BP神经网络模型,将该模型应用于台风风暴潮增水预测研究中。本文选取影响温州验潮站的3个台风作为研究对象,收集并建立了3个台风影响验潮站过程的129个逐时数据样本。利用新模型对温州站进行风暴潮增水预测,结果表明,该模型与BP神经网络相比克服了陷入局部最优解的缺陷,与粒子群优化的BP神经网络模型相比,提升了模型收敛速度,具有更好的预测精度及稳定性。     

风暴潮灾害社会经济损失评估研究

在介绍风暴潮及其相关概念的基础上,基于风暴潮灾害损失的组成构建了风暴潮灾害社会经济损失的评估指标体系,综合运用层次分析法和熵值法确定指标权重,并建立了风暴潮社会经济损失的分类评价模型,同时通过2005～2009年广东省的七次典型风暴潮实例介绍了风暴潮灾害社会经济损失评估技术的具体应用,为今后开展更加精细的风暴潮灾害损失统计提供了重要参考。     

基于机载LIDAR技术的海岸带防风暴潮能力评估

机载LiDAR技术具备快速、精确获取地面高程信息的特点,在海岸带风暴潮灾害防御能力评估方面可以发挥重大作用。本文以惠东县盐洲岛为研究区,基于机载LiDAR点云数据和航空影像数据,提取研究区的路堤、海岛高程,土地开发利用等信息,利用DEM模拟风暴潮淹没范围,评估研究区路堤建设情况及其面临风暴潮灾害的防护能力。实验表明:盐洲岛12.54%的路堤缺乏防御风暴潮灾害能力;在水位达到3.5 m、4.4 m、4.6 m时,分别有71.38%、83.17%、84.18%的海岛范围面临遭受风暴潮灾害的风险。     

天津市风暴潮经济损失评估

分析了风暴潮对工业、农业等的危害,统计了天津市100多a来较大的风暴潮灾害.并利用"最小二乘法"的思想,根据历次风暴潮最高潮位、增水强度及经济损失等资料,建立了评估风暴潮直接经济损失的数学模型y=123.9-47.25x 4.78x2.依据此模型,估算得在不考虑物价因素的情况下,天津市风暴潮灾害造成的直接经济损失总计达14.34亿元.     

基于事件驱动的风暴潮灾害中辅助决策系统研究

针对当前较少涉及的风暴潮灾害中如何因地制宜地安全转移人员,如何科学合理地调度物资服务救灾,如何进行受灾地区的工情实时监测,以及缺乏与受灾具体地点相联系的小尺度风暴潮灾害中可视化预警问题,本文提出了一种基于事件驱动的风暴潮灾害中辅助决策的实现过程机制,在此基础上设计开发了基于事件驱动的风暴潮灾害中辅助决策系统,从而实现了风暴潮灾害地区工情情况实时监控、合理调度物资、就地安排抢险队伍、指导渔船回港避险等小尺度的处理决策,解决了与受灾具体地点相联系的小尺度防风救灾决策中面临的实际问题.通过海南省防风减灾应用结果表明,该决策系统可为政府职能部门防风救灾工作提供科学的、有效的、可视化的辅助决策支撑.     

珠三角空气质量数值预报系统的检验与订正研究

通过对珠三角空气质量预报模式的模拟结果进行检验,发现模式预报值整体偏小,特别是峰值,但变化趋势与实测一致,峰值都能较好模拟出.模式对PM10的预报准确率要高于PM2.5,从等级预报来看PM10和PM2.5的二级预报准确率要高于一级,利用MOS方法对模式预报结果进行订正,订正后颗粒物平均偏差都有一定程度的下降,颗粒物等级预报准确率PM10由64.7%提高到77.6%,PM2.5由59.9%提高至74.5%,准确率的提高明显.     

基于MOS的杭州秋冬季空气污染预报和霾诊断

利用由数值预报模式WRF和辨识理论实时迭代统计方法RTIM组成的MOS方法对杭州市2013年2~3月和11~12月期间的空气污染物日平均浓度做预报,预报值与实测值之间相关系数都超过0.75 ,PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 24h平均浓度和O3 8h平均浓度分类预报临界成功指数(CSI)分别为89%、87%、100%、93%、100%和100%,命中率(POD)分别为93%、95%、100%、100%、100%和100%.分析表明,研究期间杭州地区气溶胶以细颗粒为主.根据PM2.5浓度、相对湿度及能见度预报值做霾日分类预报,临界成功指数为89%,命中率为93%.说明该MOS系统对污染物浓度及霾天气预报性能良好,可以为业务化预报提供参考.     

山东省海洋灾害观测预警系统

山东省所辖海域海洋灾害种类繁多、发生频率高,给山东省的社会经济发展及人民群众生命财产安全带来巨大压力。介绍了国家海洋局北海预报中心(山东省海洋预报台)基于山东省立体海洋观测网、海洋精细化预报系统和防灾减灾综合信息平台构建的山东省海洋灾害观测预警系统。该系统在海洋防灾减灾工作中得到广泛应用,并取得了明显的社会、经济、生态效益,为山东省港口安全生产、渔船海上作业、石油开发及应急指挥决策、风暴潮灾害辅助决策、沉船及落水人员搜救等提供了有力的支持。     

基于小波神经网络的地下水流数值模拟模型的替代模型研究

以吉林西部为研究区,建立地下水流数值模拟模型,分别应用蒙特卡罗方法和拉丁超立方方法在研究区10个县(市)开采量的可行范围内进行采样,经对比选择拉丁超立方抽样结果得到输入(开采量)—输出(水位降深)数据集,建立小波神经网络模型作为地下水流数值模拟模型的替代模型,而后对替代模型有效性作误差分析,并与多元非线性回归替代模型进行对比.结果显示,2种替代模型在功能上都能逼近地下水流数值模拟模型,但小波神经网络模型得到的水位降深均值和水位降深剩余标准差与模拟模型计算结果的相对误差分别低于多元非线性回归模型76%和45%,说明小波神经网络模型更适合作为地下水流数值模拟模型的替代模型,这为减少优化模型求解过程中直接调用模拟模型所造成的计算负荷提供了一种有效的替代方法.     

WRF模式对渤海和黄海海面风预报误差分析

基于WRF模式的2019年24h、48h和72h预报结果,选取渤海、黄海8个浮标站位观测的海面10m风速和风向进行直接对比检验和误差统计分析。结果表明：(1)模式24h预报结果最优,随着预报时效的增长,预报值与实测值相关性下降,预报值离散度增大;(2)当实测风力在45级时,预报风速与实测风速平均偏差最小,两者在数值大小上吻合最好,随着风力增大(或减小),平均偏差和均方根误差增大;(3)不同风向条件下的风向平均绝对误差均在0°～30°,其中N向风时,风向平均绝对误差最小,其次为S和SW向,当实测风向为东向风时,WRF预报的风向误差最大;(4)不同海域而言,WRF对黄海海域风速风向的预报能力明显优于渤海海域,这主要是由于渤海海域的特殊地理位置导致,WRF模式对冷空气导致的大风过程的预报效果优于对台风导致的大风过程的预报。     

基于多通道长短期记忆网络的PM2.5小时浓度预报

PM_2.5作为主要的大气污染物之一,严重影响空气质量和人体健康. 基于深度学习的PM_2.5小时预报研究中,不同输入要素的历史时间序列对PM_2.5预报结果的响应情况存在差异. 因此,基于太原市2019—2020年空气质量监测站、气象观测站的数据,提出一种多通道长短期记忆网络(Multi-Channels Long Short Term Memory,MULTI-LSTM)模型对PM_2.5浓度进行预报. 首先使用独立的长短期记忆网络(LSTM)学习每个输入要素,然后将每个模型的学习结果进行融合,最终获得未来多小时的PM_2.5浓度预报结果. 将单通道LSTM模型(BASE-LSTM)和LSTM扩展模型(LSTME)作为对照模型,与MULTI-LSTM模型的预报精度进行对比. 结果表明:不同观测窗与预报时效下,MULTI-LSTM模型在测试集上的预报精度明显高于其他2个对照模型. 其中,MULTI-LSTM模型在8 h观测窗和6 h预报时效组合下,均方根误差(RMSE)、平均绝对百分误差(MAPE)以及拟合指数(IA)分别为20.26 μg/m3、51%、0.91. 对未来逐6 h的预报中,观测窗宽度从8 h增至32 h,MULTI-LSTM模型的预报精度无明显变化,观测窗宽度为40和48 h时,RMSE比8 h观测窗下分别下降了2%和3%. 此外,增加LSTM层深度不会提升模型的预报精度. 研究显示,利用MULTI-LSTM模型作为PM_2.5浓度小时预报模型,通过选取合适的观测窗宽度与气象要素,可获得精度较高的预报结果.      

基于气溶胶三维变分同化天津PM2.5数值预报研究

基于气溶胶三维变分同化技术,建立天津空气质量数值模式气溶胶同化模块,通过天津地区两次重污染过程同化模拟敏感性试验,分析了观测资料范围对同化结果的影响,并结合一个月的滚动预报试验,分析了气溶胶同化对天津地区PM_2.5数值预报效果的影响,以期为提升天津空气质量预报能力提供支撑.结果表明：气溶胶同化各控制变量背景误差水平相关系数的衰减尺度约50km,垂直方向上400m高度与模式底层的相关系数衰减至0.6左右;观测资料范围对同化结果影响显著,仅采用天津地区观测数据进行同化,对重污染过程期间天津地区PM_2.5浓度模拟的影响时效约12h,采用模拟区域内所有观测数据进行同化影响时效可持续24h以上,且模拟效果更优;采用三维变分同化技术,实现地面PM_2.5观测资料同化,天津地区PM_2.5数值预报效果显著提升,预报值和实况值之间的相关系数由0.74增加到0.87,均方根误差由32.3μg/m³减小为22.4μg/m³,平均相对误差由39.9%减小为27.1%;同化对模式初始时刻的改进效果最明显,随时间同化效果衰减,14h内改进效果最佳,对24h PM_2.5浓度预报也有明显改进.     

考虑边界条件不确定性的地下水污染风险分析

为分析边界条件不确定性对地下水污染质运移数值模拟模型输出结果的影响,运用Monte Carlo方法对一算例进行阐明,并从污染风险预报方面对模拟结果进行分析.为减少重复调用模拟模型产生的大量计算负荷,将边界条件（第一类边界条件-水头值）作为随机变量,建立地下水污染质运移数值模拟模型的Kriging替代模型,在保证较高精度的同时,实现了Monte Carlo模拟.结果表明：边界条件的不确定性,对地下水污染质运移数值模拟模型预报的结果有很大影响,考虑与未考虑边界条件不确定性得到的研究区污染羽分布差别较大.对地下水污染质运移数值模拟模型的Monte Carlo模拟结果进行统计与分析,可以评估研究区观测井1,2,3污染物浓度预报结果的可靠程度,并且可以预报出研究区观测井1,2,3遭受不同程度污染的风险.     

台兰河流域地下水系统数值模拟

地下水数值模拟是地下水在多孔介质中分布过程机理的模拟,以流域水量均衡为基础,应用ArcView GIS与FEFLOW专业地下水模拟软件,根据研究区水文地质勘探资料、抽水试验及地下水水位长期观测资料,建立了内陆河流域二维地下水运动模拟模型。采用Kringing、Aki-ma插值方法和Galerkin有限元三角形网格剖分技术,求解模型,模拟了台兰河流域地下水运动特征。从模拟结果可以看出,所建立的水文地质概念模型和数学模型是正确的,选取的水文地质参数和计算的源汇项基本合理,模拟结果与实测数值比较吻合,符合台兰河流域地下水的实际情况,能够进行该区域地下水的动态预报,可为研究区水资源的合理开发提供科学依据和技术指导。