降雨背景下量子定位系统中最优平均光子数自适应策略

量子定位系统（QPS）是一种高精度且安全的定位系统,光子数的变化会对定位误差和安全性造成很大影响。为了降低降雨天气下系统的定位误差并提高系统的安全性能,基于诱骗态量子密钥分配协议和最优平均光子数自适应（PNA）算法,提出了抵抗降雨干扰的QPS诱骗态自适应调整策略。建立了降雨强度、传输距离与最优平均光子数间的自适应关系,对自适应调整前后的定位误差和安全密钥生成率进行了对比。仿真结果表明,当降雨强度为10 mm/h,传输距离为10 km时,采用PNA算法后,系统定位误差由13.81 cm减小到1.13 cm;当降雨强度为1.47 mm/h,传输距离为25 km时,采用PNA算法后,系统的安全密钥生成率由5.5×10^-4提高到6.3×10^-4。由此可见,通过自适应调整系统每脉冲所含平均光子数,可以提高QPS在降雨天气下的可靠性。     

降雨融化层后向散射的蒙特卡罗仿真

云层上端冰雪粒子的融化形成了降雨融化层，随着粒子的下落融化过程开始，因此融化层的微观特性在垂直方向上是连续变化的.建立了降雨融化层的仿真模型，应用更为切合实际的三层球形粒子代替了融化层中的粒子.根据降雨过程中雨滴的尺寸分布推导了融化层中融化粒子的尺寸分布.根据Mie理论，计算了降雨率小于12.5 mm/h时，降雨融化层对5，10，35，94 GHz电磁波的雷达反射率和特征衰减因子的垂直廓线.计算结果表明，当电磁波频率高于20 GHz时，将无法观测到“雷达亮带”，这与实验结果相符.根据辐射传输理论，应用蒙特卡罗方法计算了垂直方向微观特性连续变化的降雨融化层对不同频率电磁波的反射率，比较了两种不同尺寸分布(Gamma分布和Marshall-Palmer分布)融化层反射率的差别，这为利用高频电磁波对降雨融化层进行遥感提供了理论和数值依据. 关键词： 降雨融化层 蒙特卡罗方法 后向散射 电磁波     

Predicting extreme rainfall over eastern Asia by using complex networks

A climate network of extreme rainfall over eastern Asia is constructed for the period of 1971-2000, employing the tools of complex networks and a measure of nonlinear correlation called event synchronization （ES）. Using this network, we predict the extreme rainfall for several cases without delay and with n-day delay （1 ≤ n ≤ 10）. The prediction accuracy can reach 58% without delay, 21% with 1-day delay, and 12% with n-day delay （2 ≤ n ≤ 10）. The results reveal that the prediction accuracy is low in years of a weak east Asia summer monsoon （EASM） or 1 year later and high in years of a strong EASM or 1 year later. Furthermore, the prediction accuracy is higher due to the many more links that represent correlations between different grid points and a higher extreme rainfall rate during strong EASM years.     

基于数值流形法的降雨入渗与坡面径流耦合算法研究

降雨时坡地的入渗-产流分析,是降雨型滑坡、泥石流等地质灾害机理研究中的重要课题之一.为实现边坡降雨-入渗-产流的全过程数值模拟,进一步提高计算效率,考虑将降雨入渗面视作坡面径流与坡体渗流的内部域,基于一维运动波方程和二维压力水头格式的Richards方程建立耦合模型,并推导出其总体控制方程,采用数值流形法(numerical manifold method, NMM)实现其数值求解,通过编制相应的计算程序分析了边坡降雨产流过程.数值分析结果表明：所建模型的计算结果与试验数据及前人模拟结果吻合良好,验证了该文模型及计算方法的有效性与可靠性;降雨强度越大,产流时间越早,坡面积水深度越大,对坡体内的水分分布影响范围越广.研究表明,所建模型能真实反映边坡降雨-入渗-产流全过程,可为降雨诱发的各类地质灾害分析提供计算依据.     

基于GDEM–GAVA的白羊城沟泥石流成灾风险数值分析

降雨型泥石流是一个降雨–洪水–泥沙输运–推移质运动的多过程耦合过程。本文借助颗粒碎屑流仿真系统（GDEM–GAVA）,对白羊城沟泥石流的成灾风险进行了分析。首先通过历史灾情数据反分析出了沟道物源的力学参数,而后基于该参数分析了不同降雨强度下该泥石流的成灾临界降雨时长。计算结果表明,白羊城沟泥石流物源的饱和黏聚力为0.5～1 kPa,饱和内摩擦角为5°～10°;降雨强度为65 mm/h时,沟道形成泥石流的时间为3.6 h;降雨强度为78 mm/h时,沟道形成泥石流的时间为2.8 h;降雨强度为88 mm/h时,沟道形成泥石流的时间为2.3 h。上述泥石流成灾风险的分析结果可为白羊城沟泥石流的科学预警提供必要的依据。

     

Box-Cox正态分布及其在降雨极值分析中的应用

Box-Cox变换和正态分布有机结合构建新的Box-Cox正态分布,可以用来研究降水极值分布拟合问题,采用极大似然估计方法估计Box-CoX正态分布的参数,并基于1951-2010年河北省21个气象站逐日降水观测资料,拟合逐年日最大降水量序列,借助K-S与A-D方法进行拟合优度的比较,结果表明BoX-Cox正态分布能适应不同站点的降雨极值分布的拟合,且大部分优于降雨极值分布拟合中常用的广义极值(GEV)分布、Weibull分布、Gamma分布,因而对掌握降雨极值分布规律,分析降水极值重现期、时空特征和变化趋势具有重要意义。     

河北平原地裂缝产生的微观机理研究

分析了降雨和微结构失稳诱发的河北平原地裂缝机制。根据研究发现:(1) 根据近40a来华北平原的降雨量曲线图与地裂缝发生的时间图对比发现地裂缝多干旱年份的6-8月,地裂缝与农业灌溉用水密切相关。 (2)通过微结构突变失稳理论发现当应力状态满足孔隙微结构失稳判别式时,微结构元的变形状态将产生一个"跳跃",即会诱发微结构失稳崩塌。(3)地下水的抽取造成原饱和带土体颗粒之间有效接触力的增加,同时造成地下隐裂隙和空洞的形成。同时灌溉入渗引起的非饱和带土体含水量增加,不仅改变了颗粒的受力情况,更重要的是导致了颗粒间连接刚度的降低,导致微结构的失稳。     

非饱和膨胀土的结构损伤模型及其在土坡多场耦合分析中的应用

针对原状膨胀土对气候变化反映敏感的特点和其具有胀缩性、裂隙性、超固结性等力学特性,以非饱和土力学和损伤力学为基础,建立了一个非饱和膨胀土的弹塑性损伤本构模型及相应的固结模型．把原状膨胀土看成是由未损部分和损伤部分的复合体,未损部分用非饱和土的非线性本构关系描述,损伤部分用损伤演化方程和两个屈服面（即,加载屈服面和剪切屈服面）描述．其中的损伤演化方程包括加载引起的损伤和干湿循环引起的损伤两个方面,用作者研制的CT-三轴试验确定．设计了相应的有限元程序UESEPDC;对非饱和膨胀土边坡进行了三相多场耦合问题的数值分析．分析分为4个阶段,得到了边坡在每一分析阶段的应力场、位移场、孔隙水压力场、孔隙气压力场、含水量场、基质吸力场、结构损伤演化场和塑性区扩展的动态图,较好地揭示了膨胀土边坡在开挖和气候变化条件下逐渐发生失稳滑动的现象及其机理．     

甬江流域台汛期降雨时空演变分析

为识别甬江流域台汛期降雨量变化规律, 指导流域防洪治涝, 以流域内及其周边47个国家雨量站逐日降雨资料为基础, 采用Mann-Kendall法、Pettitt法和Morlet小波分析法, 分析了甬江流域台汛期降雨量的趋势、突变和周期. 结果表明: 台汛期降雨量呈不明显增加趋势; 在1980年发生突变但未通过显著性检验; 降雨量变化存在22a主周期, 未来甬江流域台汛期降雨可能处于偏丰期.     

1960―2017年秦岭南北地区降雨侵蚀力的时空变化特征研究

基于秦岭南北地区1960―2017年47个气象站点逐日降雨资料,根据章文波提出的日降雨侵蚀力模型估算降雨侵蚀力,并采用气候倾向率、反距离权重插值及Mann-Mendal突变检验等方法分析秦岭南北地区近58 a年均降雨侵蚀力与不同量级降雨侵蚀力的时空变化特征。 结果表明：（1） 1960―2017年秦岭南北地区年均降雨侵蚀力与不同雨量产生的降雨侵蚀力均呈由南向北递减的特征。（2）近58 a,秦岭南北地区年均降雨侵蚀力、大雨与暴雨侵蚀力年际变化呈增长趋势,未通过突变检测;中雨侵蚀力呈减弱趋势,在1972年发生突变且在2007年后达到显著;其中秦岭以北年均降雨侵蚀力、中雨侵蚀力、暴雨侵蚀力均呈下降趋势,且年际波动程度较大,秦岭以南年均降雨侵蚀力及大雨、暴雨侵蚀力均呈上升趋势。（3）秦岭南北地区年均降雨侵蚀力变化趋势空间差异显著,明显增长区集中于汉中盆地与巴巫谷地,减少区集中于西部嘉陵江、秦岭以北汾河入黄河交界、汉水流域两湖平原;且不同量级侵蚀力呈增长趋势的面积大小依次为大雨侵蚀力>暴雨侵蚀力>中雨侵蚀力。