安全科學(xué)技術(shù)

分離趨勢產(chǎn)量和氣候產(chǎn)量的方法探討

房世波

摘要：目的：在氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量影響方面，極端天氣或氣候事件導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害成為左右農(nóng)作物年際間波動的最主要因素。在長時間序列的多年作物產(chǎn)量與氣候因子關(guān)系的統(tǒng)計研究中，一般通過某一模型或數(shù)學(xué)方法分離趨勢產(chǎn)量和氣候波動產(chǎn)量，然后分析氣候波動產(chǎn)量與氣候因子的關(guān)系。然而不同趨勢產(chǎn)量模擬方法分離得到的氣候產(chǎn)量的結(jié)果可能不同，甚至截然相反，所以如何選擇合適的分離趨勢產(chǎn)量求算方法得到準確的氣候產(chǎn)量就顯得尤其重要。本文試圖以氣候變化對棉花產(chǎn)量影響為例，試圖說明如何選擇合適的趨勢產(chǎn)量求算方法，進而分離得到正確的氣候產(chǎn)量。方法：本文首先提出了趨勢產(chǎn)量模擬方法選擇的3個理論條件：（1）趨勢產(chǎn)量模擬曲線應(yīng)該符合社會技術(shù)各發(fā)展階段的實際，即全國或同一研究區(qū)的趨勢產(chǎn)量變化特征因子應(yīng)該基本一致（即社會和技術(shù)水平發(fā)展過程差異不大）；（2）氣候條件相似區(qū)域其氣候產(chǎn)量應(yīng)該具有很強的相關(guān)性；（3）分析得到的影響作物生長的關(guān)鍵氣候因子或者農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害因子，應(yīng)該符合作物的生育特性及其對氣候因子或農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害因子的響應(yīng)規(guī)律?；谝陨侠碚?，利用中國幾個產(chǎn)棉大省新疆、河南、河北、山東和湖南等1978—2008年的棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)和日觀測數(shù)據(jù)，分析3a滑動平均、5a滑動平均、二次曲線3種方法得到的各省棉花氣候產(chǎn)量的合理性。結(jié)果：（1）從方法選擇第一條看，3點滑動平均得到的曲線波動性較大，不符合中國1978—2008年社會技術(shù)快速持續(xù)發(fā)展趨勢；（2）利用5點滑動平均（moving average of five-point，MAF）和二次曲線（quadratic curve fitting，QCF）分離得到的棉花的氣候產(chǎn)量差異很大，進一步分析二種方法得到的各個省氣候產(chǎn)量的相關(guān)性，根據(jù)同一氣候區(qū)或鄰近區(qū)域的氣候特征相似原理初步認為5點滑動平均得到的氣候產(chǎn)量更能反映實際氣候?qū)Ξa(chǎn)量的影響；（3）通過分析兩種方法得到的氣候產(chǎn)量與各個氣象因子的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)二次曲線分離得到的氣候產(chǎn)量更能反映氣候因子和農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對產(chǎn)量的真實影響，所以二次曲線模型更適合此次研究趨勢產(chǎn)量的分離。結(jié)論：在長時間序列的作物產(chǎn)量與氣候因子關(guān)系的觀測統(tǒng)計研究中，分離趨勢產(chǎn)量而得到準確的氣候產(chǎn)量最為重要，因為不同趨勢產(chǎn)量模擬方法分離的氣候產(chǎn)量的結(jié)果可能不同，甚至截然相反。本文就如何選擇合適的趨勢產(chǎn)量求算方法做了理論和實踐。提出了方法選擇的3個依據(jù)條件。研究中需要對各種方法進行比較，以期得到最合適的模擬趨勢產(chǎn)量的算法，這樣才可能得到更為準確的分析結(jié)果。

來源出版物：自然災(zāi)害學(xué)報, 2011, 20(6): 13-18

入選年份：2016

北京地區(qū)波速測試誤差分布特征及其對PGA影響評價

陳卓識，袁曉銘，李曉飛

摘要：目的：北京地區(qū)有多條地震斷裂帶穿過，是個地震多發(fā)、重點設(shè)防城市，抗震設(shè)計尤為重要。在建筑抗震設(shè)計中，土體地震反應(yīng)分析為上部結(jié)構(gòu)的輸入提供了設(shè)計反應(yīng)譜的特征參數(shù)。剪切波速是其中的必備的計算參數(shù)，直接影響了計算結(jié)果。由于北京地區(qū)實測的剪切波速測試誤差未知，導(dǎo)致重要抗震設(shè)計特征參數(shù)PGA的改變程度無法依據(jù)實際結(jié)果給出。本研究開展了北京地區(qū)剪切波速測試誤差專項實驗，并研究了不同程度誤差對PGA的影響，為抗震設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。方法：在北京地區(qū)選取了II類、III類場地共4個，邀請當?shù)囟嗉覝y試單位對每個場地進行了30次剪切波速測試。匯總統(tǒng)計了測試結(jié)果，建立了北京地區(qū)的誤差分布模型，并用P-P圖進行標準正態(tài)分布檢驗。利用實測結(jié)果，用SHAKE2000程序，輸入了高頻為主、低頻為主、混合頻率的4個不同頻率特性的地震波，計算并統(tǒng)計了200多種工況下0.5倍、1倍、2倍標準差測試誤差引起PGA變化的規(guī)律。結(jié)果：依據(jù)現(xiàn)場測試成果，進行了計算和統(tǒng)計，得到了如下成果：（1）雖然波速沿深度增加，但相對均值的測試誤差基本保持在同一水平，某些深度的誤差略大于平均誤差，但4個場地整體的波速測試誤差在一個較小范圍內(nèi)波動，北京地區(qū)波速測試誤差標準差在9%～17%內(nèi)波動，平均值為12%，各個深度的測試誤差基本符合標準正態(tài)分布。（2）4個場地位于不同地點，有不同的覆蓋層條件，但測試誤差分布基本相同，這說明場地類別、土層狀態(tài)和地下水深度等因素對誤差沒有明顯的影響，測試中發(fā)現(xiàn)場地噪音對測試時初至剪切波信號的影響明顯，直接導(dǎo)致了波速測試誤差。（3）全國范圍內(nèi)II類場地誤差標準差范圍約為10%～17%，約67%的波速測試誤差在一倍標準差內(nèi)，III類場地誤差標準差的分布范圍約為10%～18%，約69%的波速測試誤差在一倍標準差范圍內(nèi)。北京地區(qū)的波速測試結(jié)果與之對比，II類場地的測試誤差略小，III類場地測試誤差與全國范圍的平均誤差基本一致。（4）用實測結(jié)果研究了其對PGA的影響，波速的測試誤差越大，PGA的變化越明顯。輸入地震動的頻率成分與場地固有頻率接近時，共振現(xiàn)象造成剪切波速測試誤差的影響更明顯。結(jié)論：北京地區(qū)波速測試誤差符合標準正態(tài)分布，場地整體的測試誤差保持在同一水平，不同深度誤差標準差的平均值為12%；北京地區(qū)波速測試誤差略小于全國的平均水平，其中II類場地的測試精度較高，誤差較小，III類場地的測試誤差基本持平；誤差越大對PGA影響越明顯，定性計算工況中，0.5倍標準差的測試誤差引起的PGA變化均 小于20%。某些工況下，1倍標準差的測試誤差可能引起PGA變化超過50%，2倍標準差的測試誤差可能引起PGA變化率超過70%；輸入波的頻率成分與場地固有頻率相近時，PGA所受影響更加明顯。

來源出版物：自然災(zāi)害學(xué)報, 2016, 25(5): 121-132

入選年份：2016

不同關(guān)鍵問題組合方式的反應(yīng)位移法對比分析

崔杰，曾凡凱

摘要：目的：鑒于反應(yīng)位移法中地基彈簧系數(shù)、土層相對位移、結(jié)構(gòu)周圍剪力這幾個關(guān)鍵問題有不同求解方法，且這幾種方法得到的有關(guān)數(shù)據(jù)差異會直接影響計算結(jié)果精度，本文簡要介紹反應(yīng)位移法及其幾個關(guān)鍵問題的不同求解方法，并基于本文算例對結(jié)果進行了對比分析，提出了8種不同關(guān)鍵問題組合方式的反應(yīng)位移法，分析典型矩形橫截面隧道在基巖垂直入射剪切地震波作用下的內(nèi)力，計算結(jié)果與動力有限元法對比。方法：地基彈簧系數(shù)可用公式法計算，公式中基床系數(shù)K由于影響因素很多，因此很難精確求解，可用靜力有限元法得到基床系數(shù)，另外，地基彈簧系數(shù)和基床系數(shù)也可由日本設(shè)計規(guī)范公式直接計算得到。土層相對位移和結(jié)構(gòu)周圍剪力可用自由土層地震反應(yīng)分析法獲得，也可直接用公式法計算得到。結(jié)果：由日本公式計算的彈簧系數(shù)遠大于靜力有限元法，前者大多達到后者的2至4倍，其中頂部法向彈簧剛度相差高達10.6倍。Kobe波作用時，用自由土層地震反應(yīng)分析法得到的深度30 m以內(nèi)的土層真實位移比余弦模式計算的位移大，深度大于30 m的土層真實位移比余弦模式計算的位移略??；用自由土層地震反應(yīng)分析法得到的土體相對位移大于余弦模式計算 的相對位移，前者平均是后者的1.59倍。對于結(jié)構(gòu)周圍剪力，規(guī)范公式法計算結(jié)果大于自由土層地震反應(yīng)分析法，前者平均是后者的1.75倍。按照關(guān)鍵問題的不同求解方法，可以任意組合形成反應(yīng)位移法的8種不同求解方式，得到結(jié)果為：不同組合計算方式得到的內(nèi)力F/D值（反應(yīng)位移法結(jié)果比動力有限元法結(jié)果）分布在1左右，誤差在5%至48%之間，除個別結(jié)果誤差稍大以外，大多數(shù)結(jié)果誤差在可接受范圍內(nèi)，奇數(shù)組合方式的內(nèi)力F/D值都大于1，而偶數(shù)組合方式小于1；利用離差和平均離差的定義可知，組合方式5的平均離差最小，只有0.134，偏離精確值最小，且內(nèi)力的離差都大于0，偏于安全，組合方式4計算的平均離差也較小，但內(nèi)力的離差都小于0，偏于不安全，組合方式8的內(nèi)力計算結(jié)果應(yīng)該最接近動力有限元結(jié)果，但本算例計算得到內(nèi)力離差都小于0，偏于不安全，平均離差并非最小。結(jié)論：不同方法確定的土體彈簧系數(shù)、相對位移、結(jié)構(gòu)周圍剪力都具有很大差異，而這些關(guān)鍵問題是影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重要因素，所以選取其求解方法時要謹慎。首先推薦使用組合方式5計算反應(yīng)位移法，即用靜力有限元法計算彈簧系數(shù)，用公式法計算相對位移和結(jié)構(gòu)周圍剪力。用靜力有限元法計算彈簧系數(shù)、自由土層地震反應(yīng)分析法計算相對位移和結(jié)構(gòu)周圍剪力（組合方式8），得到的法向和切向基床系數(shù)定值不能反映真實的土體基床系數(shù)，另外，反應(yīng)位移法在結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置的法向和切向彈簧無法反映其相互影響，導(dǎo)致土層對結(jié)構(gòu)的約束減小，低估了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，所以不首先推薦組合方式8的反應(yīng)位移法。

來源出版物：自然災(zāi)害學(xué)報, 2016, 25(4): 124-130

入選年份：2016