安全科學技術

分離趨勢產量和氣候產量的方法探討

房世波

摘要：目的：在氣候變化對農作物產量影響方面，極端天氣或氣候事件導致的農業氣象災害成為左右農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量與氣候因子關系的統計研究中，一般通過某一模型或數學方法分離趨勢產量和氣候波動產量，然后分析氣候波動產量與氣候因子的關系。然而不同趨勢產量模擬方法分離得到的氣候產量的結果可能不同，甚至截然相反，所以如何選擇合適的分離趨勢產量求算方法得到準確的氣候產量就顯得尤其重要。本文試圖以氣候變化對棉花產量影響為例，試圖說明如何選擇合適的趨勢產量求算方法，進而分離得到正確的氣候產量。方法：本文首先提出了趨勢產量模擬方法選擇的3個理論條件：（1）趨勢產量模擬曲線應該符合社會技術各發展階段的實際，即全國或同一研究區的趨勢產量變化特征因子應該基本一致（即社會和技術水平發展過程差異不大）；（2）氣候條件相似區域其氣候產量應該具有很強的相關性；（3）分析得到的影響作物生長的關鍵氣候因子或者農業氣象災害因子，應該符合作物的生育特性及其對氣候因子或農業氣象災害因子的響應規律。基于以上理論，利用中國幾個產棉大省新疆、河南、河北、山東和湖南等1978—2008年的棉花產量數據和日觀測數據，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量的合理性。結果：（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年社會技術快速持續發展趨勢；（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量差異很大，進一步分析二種方法得到的各個省氣候產量的相關性，根據同一氣候區或鄰近區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量更能反映實際氣候對產量的影響；（3）通過分析兩種方法得到的氣候產量與各個氣象因子的相關性，發現二次曲線分離得到的氣候產量更能反映氣候因子和農業氣象災害對產量的真實影響，所以二次曲線模型更適合此次研究趨勢產量的分離。結論：在長時間序列的作物產量與氣候因子關系的觀測統計研究中，分離趨勢產量而得到準確的氣候產量最為重要，因為不同趨勢產量模擬方法分離的氣候產量的結果可能不同，甚至截然相反。本文就如何選擇合適的趨勢產量求算方法做了理論和實踐。提出了方法選擇的3個依據條件。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量的算法，這樣才可能得到更為準確的分析結果。

來源出版物：自然災害學報, 2011, 20(6): 13-18

入選年份：2016

北京地區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：北京地區有多條地震斷裂帶穿過，是個地震多發、重點設防城市，抗震設計尤為重要。在建筑抗震設計中，土體地震反應分析為上部結構的輸入提供了設計反應譜的特征參數。剪切波速是其中的必備的計算參數，直接影響了計算結果。由于北京地區實測的剪切波速測試誤差未知，導致重要抗震設計特征參數PGA的改變程度無法依據實際結果給出。本研究開展了北京地區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，為抗震設計提供數據參考。方法：在北京地區選取了II類、III類場地共4個，邀請當地多家測試單位對每個場地進行了30次剪切波速測試。匯總統計了測試結果，建立了北京地區的誤差分布模型，并用P-P圖進行標準正態分布檢驗。利用實測結果，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變化的規律。結果：依據現場測試成果，進行了計算和統計，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波動，北京地區波速測試誤差標準差在9%～17%內波動，平均值為12%，各個深度的測試誤差基本符合標準正態分布。（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、土層狀態和地下水深度等因素對誤差沒有明顯的影響，測試中發現場地噪音對測試時初至剪切波信號的影響明顯，直接導致了波速測試誤差。（3）全國范圍內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，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。北京地區的波速測試結果與之對比，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，共振現象造成剪切波速測試誤差的影響更明顯。結論：北京地區波速測試誤差符合標準正態分布，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：自然災害學報, 2016, 25(5): 121-132

入選年份：2016

不同關鍵問題組合方式的反應位移法對比分析

崔杰，曾凡凱

摘要：目的：鑒于反應位移法中地基彈簧系數、土層相對位移、結構周圍剪力這幾個關鍵問題有不同求解方法，且這幾種方法得到的有關數據差異會直接影響計算結果精度，本文簡要介紹反應位移法及其幾個關鍵問題的不同求解方法，并基于本文算例對結果進行了對比分析，提出了8種不同關鍵問題組合方式的反應位移法，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力，計算結果與動力有限元法對比。方法：地基彈簧系數可用公式法計算，公式中基床系數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，另外，地基彈簧系數和基床系數也可由日本設計規范公式直接計算得到。土層相對位移和結構周圍剪力可用自由土層地震反應分析法獲得，也可直接用公式法計算得到。結果：由日本公式計算的彈簧系數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分析法得到的深度30 m以內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小；用自由土層地震反應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。對于結構周圍剪力，規范公式法計算結果大于自由土層地震反應分析法，前者平均是后者的1.75倍。按照關鍵問題的不同求解方法，可以任意組合形成反應位移法的8種不同求解方式，得到結果為：不同組合計算方式得到的內力F/D值（反應位移法結果比動力有限元法結果）分布在1左右，誤差在5%至48%之間，除個別結果誤差稍大以外，大多數結果誤差在可接受范圍內，奇數組合方式的內力F/D值都大于1，而偶數組合方式小于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，但內力的離差都小于0，偏于不安全，組合方式8的內力計算結果應該最接近動力有限元結果，但本算例計算得到內力離差都小于0，偏于不安全，平均離差并非最小。結論：不同方法確定的土體彈簧系數、相對位移、結構周圍剪力都具有很大差異，而這些關鍵問題是影響結構內力的重要因素，所以選取其求解方法時要謹慎。首先推薦使用組合方式5計算反應位移法，即用靜力有限元法計算彈簧系數，用公式法計算相對位移和結構周圍剪力。用靜力有限元法計算彈簧系數、自由土層地震反應分析法計算相對位移和結構周圍剪力（組合方式8），得到的法向和切向基床系數定值不能反映真實的土體基床系數，另外，反應位移法在結構周圍設置的法向和切向彈簧無法反映其相互影響，導致土層對結構的約束減小，低估了結構地震反應，所以不首先推薦組合方式8的反應位移法。

來源出版物：自然災害學報, 2016, 25(4): 124-130

入選年份：2016