耦合集合卡尔曼滤波的非线性参数估计

准确的参数对于非线性模型或者函数有极为重要的意义。但是在实际应用中,输入的参数常常带有一定的偏差,因此在预测中非线性模型(函数)往往得不到满意的结果。把集合卡尔曼滤波方法引入到非线性模型(函数)的参数估计中,并采用基于联合状态向量的方法在同化时刻同时更新模型(函数)的状态和参数,该方法可以通过同化观测数据,动态地调整参数和结果,使得参数能够自适应地变化,同时也能较好地释放积累的模型误差。将该方法应用于随时间变化的二维非线性模型(函数)中,实验表明,该方法能够准确地估计出模型参数值,同时也表现出很好的鲁棒性和自适应性。     

集合卡尔曼滤波方法在非线性油藏问题中的应用

改进标准集合卡尔曼滤波方法,对非线性油藏的历史拟合及反演问题进行研究.油藏生产历史数据历史拟合过程中只对油藏模型参数进行更新,然后利用更新的模型参数从初始状态重新运行油藏数值模拟软件进行下一拟合时刻的生产预测,从而解决由于非线性引起的更新模型与更新动态场间的不一致性.利用改进方法对一个假定油藏的初始油水界面位置、渗透率场以及孔隙度场等参数进行估计,并与标准集合卡尔曼滤波方法的结果进行比较.结果表明,改进的集合卡尔曼滤波方法能得到很好的估计和预测结果.     

基于EnKF法的径流数据同化对SWAT模型参数优化效果评估

基于集合卡尔曼滤波(EnKF)法,在合理量化模型模拟和径流观测误差、有效处理模型参数演变及过拟合问题的基础上,以淮河上游淮滨水文站以上流域为研究区,构建了基于径流数据同化的SWAT分布式水文模型参数优化方案,就站点实测径流数据同化对模型参数的优化效果进行了评估.结果显示,数据同化过程中,被更新的模型参数集合逐渐收敛并趋...     

多孔介质双分子反应溶质运移实验与模拟研究

多孔介质中化学作用对溶质运移具有重要影响.为了揭示反应性溶质运移机理,保持多孔介质不变,以胺和1,2-萘醌-4-磺酸钠双分子化学反应为例,分别开展了非反应及反应条件下不同流速溶质运移实验和数值模拟研究.主要结论如下:①改进的反应性对流弥散模型能模拟双分子反应中溶质运移行为;模型可行,具有较高的精度;0.4mL/s和0.8mL/s流速下生成物峰值浓度相对误差分别为1.2%及0.8%.②利用对流弥散模型可以评估非反应物运移弥散系数,可为反应性溶质运移弥散系数识别提供技术参考.③随流量增大,模型参数m减小,而β0则增大;此外,同一物质在保持相同流量下,作为反应物出现时,其弥散系数略高于非反应物质的弥散系数,其作用机理有待进一步研究.     

太原盆地地下水污染数值模拟

提出了一个越流含水层系统地下水污染的数学模型，模型应用 于描要这太原盆地地下水污染，ＣＩ浓度和水位计算结果与野外观测结果拟合良好。文中还 探讨了现行溶质运移模型求解中井点附近容易出现不合理结果的原因，并从理论上给出正确的表达式。     

基于观测误差调整的集合预报同化方法?

集合卡尔曼滤波对预报方差阵的估计不准,导致了滤波发散.为解决此问题,我们从状态与观测的关系出发,提出一种判断预报误差方差阵估计是否准确的准则.在此基础上,我们构建了基于观测误差控制的一种膨胀集合预报同化方法.数据模拟结果表明,与其他膨胀EnKF相比,这种方法能很好地克服滤波发散现象,其均方根误差更小,其长时间估计结果更为稳定,且构造更为简单,计算效率更高,是克服EnKF滤波发散现象的理想途径.     

含透镜体多孔介质中溶质二维运移实验与模拟研究

为了研究透镜体对污染物运移的影响,文章设计了二维承压含水层物理模型,以惰性溶质亮蓝为例,开展了不同流速下多孔介质溶质运移实验和模拟研究。研究结果表明:透镜体加入模型后,污染物会优先从透镜体周围流过,出现绕流现象,透镜体对溶质运移具有明显的阻碍作用;采用解析解模型和IGW(Interactive Groundwater)模型对溶质运移穿透曲线进行拟合,都出现早到和拖尾等非费克现象,IGW模型拟合精度明显好于解析解模型,能较好地拟合溶质运移中的非费克现象;透镜体的存在相当于增加了介质的非均质性,因此含有透镜体时弥散系数D增大;当仅考虑流速变化时,D随着流速的增加而变大。     

集合平方根滤波同化AMSU-A辐射率的观测系统模拟试验

借助观测系统模拟试验,针对晴天和有降水两种天气状况,探究用集合平方根滤波同化卫星辐射率资料来改进中尺度天气预报模式初始场的可行性.试验结果表明:在晴天条件下,同化后的分析场较同化前背景场更加接近于真实场,尤其是对所选AMSU-A第5通道辐射率观测值贡献较大的那些层,如500,700,800 hPa3层位温的分析场相对背景场均方根误差分别减小了26%,15%和42%,同化效果显著.在有降水天气状况下,试验结果在特定的高度层上也表现出一定的正贡献,但总体而言对各气象要素场的改善均不及晴天时明显,说明该种天气类型下的卫星资料同化还有待进一步的研究.     

利用单站电离层测高仪与GPS数据的同化反演试验

利用测高仪和GPS观测数据进行了单站电离层电子密度廓线的同化反演实验,实验中设计了一套基于Kalman滤波的电离层数据同化系统,采用了水平和垂直方向可分离的高斯型误差协方差矩阵,利用IRI2000模式作为同化反演的背景场,分别使用了测高仪数据和GPS数据进行了单独同化反演和联合同化反演实验,结果显示：在各类同化参数不改变的情况下,单独利用GPS数据反演结果较好,不仅可以得到较为准确的TEC,电子密度廓线结果也有较好的提升;单独使用测高仪反演的结果较差,在峰高以下电子密度廓线和观测较一致,但峰高以上电子密度廓线和观测比较的结果较差,并且TEC结果和观测也有一定误差;而利用GPS和测高仪数据联合反演的结果最好,无论是反演的电子密度廓线还是TEC值都和观测最为接近.     

利用单站电离层测高仪与GPS数据的同化反演试验

利用测高仪和GPS观测数据进行了单站电离层电子密度廓线的同化反演实验,实验中设计了一套基于Kalman滤波的电离层数据同化系统,采用了水平和垂直方向可分离的高斯型误差协方差矩阵,利用IRI2000模式作为同化反演的背景场,分别使用了测高仪数据和GPS数据进行了单独同化反演和联合同化反演实验,结果显示:在各类同化参数不改变的情况下,单独利用GPS数据反演结果较好,不仅可以得到较为准确的TEC,电子密度廓线结果也有较好的提升;单独使用测高仪反演的结果较差,在峰高以下电子密度廓线和观测较一致,但峰高以上电子密度廓线和观测比较的结果较差,并且TEC结果和观测也有一定误差;而利用GPS和测高仪数据联合反演的结果最好,无论是反演的电子密度廓线还是TEC值都和观测最为接近.     

基于Noah LSM的河套灌区土壤含水量同化研究

土壤含水量是灌区水资源管理研究中的关键参量,获得时空连续的可靠土壤含水量对灌区水资源管理意义重大。河套灌区是全国三大灌区之一,目前在该区域还没有开展时空连续土壤含水量的同化实验。本文利用地面实测单点土壤含水量数据和遥感反演区域土壤含水量数据,基于Noah LSM模型和集合卡尔曼滤波(En KF)算法的同化方案实现了河套灌区时空连续土壤含水量的单点和区域模拟,并对比分析了同化结果和模型模拟结果。单点同化实验显示,同化结果和模型模拟结果均能反馈出强降雨中的土壤含水量变化,且模型模拟也能较好反应实测值变化,但同化结果比起模型结果更另接近实测值。区域同化实验表明,模型模拟土壤含水量的空间变异性时效果较差,同化结果能明显改善这个问题,整体模拟结果更接近于遥感反演的土壤含水量值。     

基于EnKF的油藏自动历史拟合方法对三相相对渗透率的反演

为解决标准集合Kalman滤波在非线性油藏反演中更新模型与更新动态场的统计不一致性问题,提出了一种改进的集合Kalman滤波方法,历史拟合过程中只对模型参数进行更新,然后利用更新的模型参数从初始状态重新运行油藏数值模拟软件进行下一拟合时刻的生产预测,协方差矩阵由从时间零运行油藏数值模拟软件得到的预测数据进行计算.理论证明了该方法与集合随机最大似然法的一致性.对某油藏的相对渗透率曲线进行了估计,比较了标准集合Kalman滤波方法与改进方法的参数估计及生产预测结果.由于保证了更新模型与更新动态场的一致性,改进的集合Kalman滤波方法得到了更好的参数估计和生产预测结果.     

带随机参数线性系统参数和状态估计的两阶段卡尔曼滤波算法

本文提出了一种带随机参数线性系统参数和状态估计的两阶段卡尔曼滤波算法.先利用卡尔曼滤波器和参数的观测信息作出参数的估计;然后把参数估计值代入状态方程得到原状态方程的近似,再次利用卡尔曼滤波器和观测信息作出状态的估计.优点是节省计算量,同时,估计的精度也有所提高.     

地下河不同流量状态下溶质运移的参数及模拟

在官村地下河流域一段长为750m的管道进行了十一次弥散试验,以考察岩溶管道流的溶质运移行为.采用NaCl作为示踪剂,利用电导仪记录浓度的变化和流速仪测量管道流的流量.试验表明溶质的平均运移速度为1.3~5.8cm·s-1,通过弥散试验求的管道平均截面面积在不同流量时差别不大,表明岩溶管道处于有压管流状态,并且雷诺数大于20000,据此判断管道流为紊流.弥散系数与溶质平均运移速度之间为近似线性关系.利用经典对流弥散方程以及由试验结果取得的参数模拟溶质的穿透曲线,发现模拟结果的溶质运移总比实际滞后,这种现象与模拟时管道形状的平均化处理无关,是用管道截面平均流速代替管道截面实际流速产生的.改用代表暂存区机理的溶质运移模型模拟试验结果,将管道水流截面分为主流区和不流动区,模拟结果与实际吻合,这解释了溶质平均运移时间提前和穿透曲线出现拖尾的原因.     

多孔介质中溶质non-Fickian运移模型与实验研究

为了量化多孔介质中的非费克(non-Fickian)运移,将弥散度处理为随运移距离呈线性变化的函数,提出了数学模型LAF(linear-asymptotic function),并开展了不同条件下一维玻璃柱多孔介质溶质运移实验,根据实验数据对比分析了LAF模型与传统ADE(advection-dispersion equation)模型的精度.结果表明:尽管在水流满足达西定律范畴,采用将弥散度在小尺度实验中设定为定值的ADE模型,其拟合值与实验值仍存在一定差异,最大误差为1.57g/L;将弥散度处理为线性函数的LAF模型模拟精度有了较大提高,最大误差为0.62g/L,从而能够更好地模拟均质有限柱溶质运移过程.上述结论是在均质介质中获得,对于非均质介质,情况更为复杂,其机理有待进一步研究.     

溶质在土壤中的渗流建模与数值仿真

针对液态溶质在土壤中的渗流问题,利用数学模型描述了符合达西定律的二维非稳定渗流,并运用有限体积法对该模型进行了数值求解.得出了给定渗流场不同渗透系数、单位贮藏量下的水头、渗流量的变化规律,模拟了液态溶质在土壤中的渗流过程.通过对计算结果的可视化处理、比较分析,发现渗透系数、单位贮藏量等因素对液态溶质在土壤中的运移都有不同程度的影响,渗透系数越小,液态溶质运移速度越慢;单位贮存量越小,液态溶质运移速度越快;反之亦然.     

集合转换卡尔曼滤波同化的一种分析方案

集合转换卡尔曼滤波在处理非线性观测资料的同化时,通常对非线性观测算子做简单的线性化处理,这会带来较大的舍入误差,降低同化效果。通过对状态变量和观测变量的转换,将观测算子视为预报算子的一部分,对传统的同化算法进行改进,减小了同化中的误差。以典型的Lorenz-96预报模型来验证算法,对于较大模型误差或较强非线性观测算子的情形,结果好于传统的方法。     

基于蒸散发同化的流域ET过程模拟研究

采用集合卡尔曼滤波同化水文模型与遥感模型反演的蒸散发(ET)结果,获得更接近真实情况的ET,并利用同化后的ET结果进一步优化水文模型,从而获取连续精度较高的区域ET.通过对北京市沙河流域1999—2007年的ET过程研究显示,运用本方案可以改善水文模型对ET的估算精度,模拟出精度较高的流域蒸散发过程.     

基于多孔介质模型的土壤次生盐渍化过程模拟

运用多孔介质"七场一相变一扩散"模型(简称七场模型),结合多孔介质溶质运移理论,建立了土壤热、湿、气及盐分耦合运移的数学模型.与一般研究溶质运移的模型不同,计算模型中所涉及的变量均在模型内求解,使模型具有较好的封闭性和相对的独立性.通过数值模拟研究了土壤中的盐分上升过程,结果表明模拟盐分上升趋势与实验结果一致,但模拟精度仍有待提高.     

TCE运移的计算机模拟

建立描述场址区碳酸盐岩含水层中ＴＣＥ污染运移的数学模型,并且假定水流呈稳定态而溶质运移则呈非稳定态,数值模拟结果基本满意,参数的敏感性分析表明,溶解相及吸附相溶质一阶反应率数值的变化对于溶质运移有着敏感的影响,由此可见,场址地质环境下含水层中ＴＣＥ污染物的生物降解作用是存在的。