蒙特卡罗不确定性分析在O3模拟中的初步应用

利用蒙特卡罗不确定性分析方法,分析了嵌套网格空气质量模式系统(NAQPMS/IAP)中154个模式输入变量不确定性对臭氧模拟的影响,量化了模式在北京奥运会期间臭氧模拟的不确定性,并确定出了主要不确定性因子。结果表明:(1)在奥运会期间(2008年8月8日～2008年8月24日),北京城区臭氧模拟的平均不确定性为19ppb,不确定性存在明显的日变化特征,白天不确定性大,夜间不确定性小。(2)在白天,北京城区近地层臭氧模拟最重要的不确定性来源是局地前体物排放,其次是NO2光解系数、风向、北京周边前体物排放和垂直扩散系数。另外,地面约150m以上,对臭氧模拟影响最大的不确定性因子是风向和北京周边前体物排放;夜间,北京城区近地层臭氧模拟的最大不确定性来源是局地NOx排放和垂直扩散系数。     

路堤边坡稳定可靠度计算中的模型不确定性分析

基于均质路堤边坡Monte Carlo法的稳定可靠度计算,分析了临界滑面搜索策略和稳定分析方法两类模型不确定性对边坡可靠度的影响特性,讨论了边坡失效概率随土工参数变异性的变化规律。研究表明,选用不同的临界滑面搜索策略所得可靠度结果差异不大,参数滑面法（overall slope）的失效概率略大于均值滑面法（global minimum）,但差别对边坡稳定性分析没有实质性影响;土性参数变异水平是影响边坡可靠度的最重要因素,边坡在相同设计参数安全系数下的可靠度指标随参数变异性增大而急剧降低;不同稳定性分析方法对应的安全系数概率密度函数曲线形态基本一致,但失效概率差异明显,因此目标可靠度指标取值应与稳定性分析方法相适应。提出的考虑土工参数变异水平的安全系数取值修正原则,对改进确定性设计的边坡稳定分析技术有积极意义。     

裂隙岩体三维柔度张量的数值试验方法

在裂隙岩体二维柔度张量数值试验的基础上,建立了裂隙岩体三维柔度张量及其表征单元体积（REV）尺度研究的简化数值试验方法。首先根据岩体裂隙的统计参数及分布规律,运用蒙特卡罗方法在研究域内获得与实际岩体裂隙同分布的三维随机裂隙网络,提取位于不同方位的岩体试件,运用二维柔度张量的数值试验方法求出各个平面方向上的二维柔度张量,然后根据二维与三维柔度张量的拓扑关系,用数学方法求解裂隙岩体的三维柔度张量。对于含3组正交全贯通裂隙的岩体,通过数值试验获得的柔度张量与理论解相比,其主对角线上各参数的误差在5%以内,表明该数值试验方法较为可靠。最后将此方法运用到小湾水电站工程中,确定左岸坝区裂隙岩体的应力REV为11 m×11 m×11 m,并获得该区域裂隙岩体的三维柔度张量。     

Stochastic dynamic stiffness of a surface footing for offshore wind turbines: Implementing a subset simulation method to estimate rare events

The purpose of this study, which concerns the stochastic dynamic stiffness of foundations for large offshore wind turbines, is to quantify uncertainties related to the first natural frequency of a turbine supported by a surface footing and to estimate the low event probabilities. Herein, a simple model of a wind turbine structure with equivalent coupled springs at the base is calibrated with the mean soil property values. A semianalytical solution, based on the Green׳s function for a layered half-space is utilized for estimation of foundation responses. Soil elastic modulus and layer depth are considered as random variables with lognormal distributions. The uncertainties are quantified, and the estimation of rare events of the first natural frequency is discussed through an advanced reliability approach based on subset simulation. This analysis represents a first step in the estimation of the safety with respect to the failure of a turbine in the fatigue limit state.     

Sampling efficiency in Monte Carlo based uncertainty propagation strategies: Application in seawater intrusion simulations

The implementation of Monte Carlo simulations (MCSs) for the propagation of uncertainty in real-world seawater intrusion (SWI) numerical models often becomes computationally prohibitive due to the large number of deterministic solves needed to achieve an acceptable level of accuracy. Previous studies have mostly relied on parallelization and grid computing to decrease the computational time of MCSs. However, another approach which has received less attention in the literature is to decrease the number of deterministic simulations by using more efficient sampling strategies. Sampling efficiency is a measure of the optimality of a sampling strategy. A more efficient sampling strategy requires fewer simulations and less computational time to reach a certain level of accuracy. The efficiency of a sampling strategy is highly related to its space-filling characteristics.This paper illustrates that the use of optimized Latin hypercube sampling (OLHS) strategies instead of the widely employed simple random sampling (SRS) and Latin hypercube sampling (LHS) strategies, can significantly improve sampling efficiency and hence decrease the simulation time of MCSs. Nine OLHS strategies are evaluated including: improved Latin hypercube sampling (IHS); optimum Latin hypercube (OLH) sampling; genetic optimum Latin hypercube (GOLH) sampling; three sampling strategies based on the enhanced stochastic evolutionary (ESE) algorithm namely φ_p-ESE which employs the φ_p space-filling criterion, CLD-ESE which utilizes the centered L₂-discrepancy (CLD) space-filling criterion, and SLD-ESE which uses the star L₂-discrepancy (SLD) space-filling criterion; and three sampling strategies based on the simulated annealing (SA) algorithm namely φ_p-SA which employs the φ_p criterion, CLD-SA which uses the CLD criterion, and SLD-SA which utilizes the SLD criterion. The study applies SRS, LHS and the nine OLHS strategies to MCSs of two synthetic test cases of SWI. The two test cases are the Henry problem and a two-dimensional radial representation of SWI in a circular island. The comparison demonstrates that the CLD-ESE strategy is the most efficient among the evaluated strategies. This paper also demonstrates how the space-filling characteristics of different OLHS designs change with variations in the input arguments of their optimization algorithms.     

降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的边坡可靠度分析

土体饱和渗透系数表现为天然的变异性,为此基于Green-Ampt模型建立了考虑饱和渗透系数变异性的降雨入渗物理模型,并藉此模型确定了坡体湿润锋深度和含水率分布。然后结合无限长非饱和土边坡稳定模型得到解析形式的反映边坡稳定性的极限状态函数。采用Monte Carlo法对饱和渗透系数进行随机抽样并最终建立降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的边坡概率分析框架。针对一假想边坡,探讨了饱和渗透系数的变异系数、降雨持时和降雨强度对边坡破坏概率以及破坏发生时间概率分布的影响,结果表明：在降雨初期,边坡的破坏概率随饱和渗透系数变异性的增强而逐渐增加,但随着降雨的持续,破坏概率开始随变异性的增强而显著降低;滑坡最可能发生时间的大小并不受饱和渗透系数变异性的影响,而是直接取决于降雨强度;滑坡最可能发生时间所对应的概率却随变异性的增强而逐渐减小。     

基于蒙特卡罗法的三源锥束CT散射分析

在医用X-CT中,散射现象对重建图像的质量有重要的影响。多源锥束CT是医用CT的一种发展趋势,可成倍提高时间分辨率。但与单源CT相比,多源CT额外的光源会导致散射现象的加重,因此在实际应用中需要着重考虑这一问题。本文在开源工具EGSnrc的基础上,开发了一套基于蒙特卡罗法的CT仿真软件SimProj,用该软件获得了贴近...     

分层水体对表层辐照度比影响的蒙特卡罗分析

众多海洋观测数据表明,在真光层深度范围内,海水固有光学特性和光学有效组分的剖面分层分布是广泛存在的,而很多遥感反演模型的建立基于均一分布假设,尤其是在经验模型的建立中,往往只利用某一深度或各深度平均的光学有效组分浓度与水体光谱的统计关系。文章通过模拟平静水面水下光的辐射传输,分别研究了叶绿素、无机悬浮物浓度垂直分布结构对水下辐照度比的影响,并对比了两类分层水体权重函数等效浓度计算式及相应水下辐照度比,结果表明,对于分层水体,透射深度和层化强度是影响等效浓度值计算误差的主要因素,透射越深,表层层化越强,水体层化对水下辐照度比的影响就越大,但其计算误差也越大。Gondon等效浓度计算结果比较接近实际值,而Zaneveld计算式则高估了分层水体的等效浓度值。     

防波堤的人工神经网络Monte Carlo法可靠性分析

防波堤建设费用巨大,且一旦遭到破坏,后果甚为严重,因此,如何准确地计算防波堤的可靠性意义重大.随着人工神经网络理论的快速发展,人工神经网络方法在结构可靠性分析中的应用逐渐得到重视.基于神经网络的Monte Carlo法计算直立式防波堤的可靠性,概率意义明确.以秦皇岛典型直立堤为算例,采用基于神经网络的Monte Carlo法对直立式防波堤进行可靠性分析时,将直立堤滑动破坏和倾覆破坏的极限状态方程中的所有参数均作为变量处理,并将计算结果与Monte Carlo模拟的直接抽样法、重要抽样法以及独立变量JC法的计算结果进行对比.结果表明:基于神经网络的Monte Carlo法和Monte Carlo模拟的直接抽样法、重要抽样法计算结果相近,而比独立变量JC法的计算结果略低.     

塔克拉玛干沙漠周边地区极端弱降水的时空变化特征

选用塔克拉玛干沙漠周边40个气象站1961-2009年日降水资料和4个极端弱降水指标,分析该地区极端弱降水的时空变化特征。采用M-K法和F检验对各站点降水指标的变化趋势及变化率进行检验和计算,并利用Monte Carlo模拟进行区域显著性检验。由 Copula函数得到两降水指标的联合分布,计算两降水指标的联合重现期。结果表明：（1）年最长连续无降水日数（CDD）多为80～100 d,呈显著减少趋势;出现频率最高的每年日降水量小于降水日序列25%分位数的日数（D₂₅）为0～10 d,呈显著增加趋势;每年日降水量小于降水日序列25%分位数的总降水量（P₂₅）的值集中在0～1.5 mm,2～3 mm的 P₂₅从2000年才开始出现;出现频率最高的每年日降水量小于降水日序列25%分位数的日平均降水量（I₂₅）为0.1～0.3 mm,I₂₅超过0.4 mm的情况极少出现。（2）CDD与D₂₅和P₂₅各自五年一遇值的空间分布相反。除CDD和D₂₅均大于各自五年一遇值的联合重现期较长外,其余各类型联合重现期较短。沙漠周边地区发生不同类型极端弱降水事件的概率不同。