某项目风速≤0.5m/s的持续时间超过72h,应采用（）模型进行进步模拟。
A 、AERMOD
B 、CALPUFF
C 、区域光化学网格模型
D 、ADMS
参考答案
【正确答案：B】
某项目风速≤0.5m/s的持续时间超过72h,应采用CALPUFF 模型进行进步模拟。
生物量是什么？
森林群落的生物量
森林群落的生物量是森林生态系统生产力的最好的指标，是森林生态系统结构优劣和功能高低的最直接的表现，是森林生态系统环境质量的综合体现。森林群落的生物量是指群落在一定时间内积累的有机质总量，通常的单位面积或单位时间积累的平均质量或能量来表示。生物量中的现存量则是指活有机体的干重，两者的主要区别在于是否包括林地积累的枯落物。目前普遍使用的生物量概念是后一种含义，即活有机体干重，不包括枯枝落叶层。森林群落生物量包括乔木层生物量、林下植被生物量。林下植被生物量采用样方收获法测定，即在样地中机械布设5－10个1-2m2的样方将其中的草灌木(地上、地下)全部收获称重、并烘干测干重率。以样方的平均值推算全林的林下植被生物量。乔木层生物量的测定比较复杂，方法也比较多，比较常用的是收获法中的等断面积径级法，即根据一定标准选择一组标准木，伐倒后测定其生物量，然后以样本组生物量实测数据构建回归方程，以回归方程推算乔木生物量。
监测项目：（陆地62）
乔木层器官生物量：径阶等比标准木法，每五年一次，分别干、枝、叶、花果、根
乔木层的生物量是森林群落生物量的最重要组成，对其的准确测定对于研究森林生长和 森林生态系统的生产力有重要作用。本标准规定了森林乔木层生物量的径阶等比标准木测定法，适用于森林乔木层生物量的测定，也适用于其它陆地生态系统中乔木层生物量的测定。径阶等比标准木法按径阶等比选择标准木，对每一株标准木的各器官分别测定其千物质质量，建立其与直径或胸径和高度的回归方程。将样地中各乔木的自变量(直径、胸径和高度等)代入方程，即可求得各株的生物量。将各株的生物量求和后即得样地乔木层的总生物 量。此方法比原始收获法的劳动强度小，比平均标准木法精度高。
测定步骤：
标准地的建立。
根据标准“生物群落监测中的调查采样”中的规定，建立具有代表性标准地若干地块，一般块数要大于6，每块面积为0．1公顷，形状为正方形或长方形，并用测绳圈好。破坏性调查不能在该固定标准地中进行。
标准地环境记录。
记录森林的层次结构、郁闭度、各树种密度、林下植物的种类及状况。
样地内每木调查。
在各样地内，对样地内全部树木，逐一地测定其胸高直径、树高并记录，每测一树要进行编号，避免漏测。胸高直径D是采用1．3m高的标杆，在树干上坡一侧地表面立上标杆，在齐杆的上端，用卷尺测定树干的圆周长，以此求出直径(以cm为单位)，或用测围尺直接量得直径。树高H的测定采用测杆或测高器为工具，在测树高时一定要以测量者能看到树木顶端为条件，尽量减少误差，以m为计量单位。
径阶标准木的选择和采伐。
以2cm为一个径阶，根据各径阶立木所占比例来确定不同径阶的立木株数，分别选择径阶标准木。立木株数最少的径阶选1棵标准木，其余各径阶标准木株数按径阶等比要求确定。选择标准木时要选没有发生干折或分义的正常树木，不要选林缘木，以免出现叶量、枝量过大。将标准木伐倒后，每隔1m或2m锯开(但第一段为1．3m)，若树木较高大，区分段可增加至4m，甚至8m，分别测定各区分段的树干、树枝、树皮、树叶的鲜质量，取各部分的部分样品，装入袋中带回实验室，在80℃烘干至恒重后称取质量。计算样品的含水率，根据各区分段的树干、树枝、树皮、树叶的鲜质量和样品的含水率计算其干质量。对不能用称来称量的大树树干的质量，可测出每区分段两头截断面积和长度，把两个断面积的平均值乘以K度，计算出体积，再换算成质量。地-卜部分即根的质量测定是费力而费时的工作，在标准木株数较多时可适当酌减。对必须进行根质量测定的标准木，需将根全部挖出。根据树的大小来估计所需挖根的面积和土壤深度。标准木伐倒后，一般再围绕树的基部挖取1m2面积、0．5m深范围内的根系(挖坑深度取决于根的分布深度)，分别将根茎、粗根(2cm以上)、中根(1cm-2cm)、小根(0．2cm -1cm)、细根(0．2cm以下)挖出，并称其鲜质量。取各部分样品带回室内，烘干后求出含水量，估算出总的根干质量。在称鲜质量时应尽量将根上附着的泥沙去掉，对于细根可放入 筛内用水冲洗，然后用纸或布把附着的水吸干后晾一晾再称质量。细根(直径0．2cm以下的根)的生物量的测定有十分重要的意义，主要是其周转速率较快。细根生物量的精确测定采用内生长土心法。内生长土心法首先构建一个无根土柱，直径5cm~l0cm，深度为0．5m~lm。在制造无根土柱时可以借用一种有一定孔径的网袋，这样便于土柱成型。将土柱(并网袋)放入事先准备好的坑中，周围缝隙用无根土填满。也可以事先将坑挖好后，直接放入土壤模子，再放入网袋，然后用过筛无根土填满，周围也用无根土填满，最后将模子抽出。构成土柱的无根土也可以用沙子代替，好处是容易将根从沙子中分离，但形成了与周围完全不同的环境，会对根的生长有一定程度的影响。在土柱埋入一年后，再从土壤中取出，在取出前须切断土柱与周围根的连接。将土柱用水冲洗，取出其中的细根，称鲜质量和干质量，作为细根年生产量的近似值。结果计算：
（1）回归方程的建立。根据各样地中各径阶的标准木的生物量(部分或全株)，求山不同径阶相应指标的平均值，与各径阶数用最小二乘法建立回归方程。方程的形式见公式(1)和(2)：
W＝a×Db…………………………………..(1)
W＝a×(D2×H)b…………………………………..(2)
式中：W--整个标准木的质量(也可用标准木各部位的质量作为因变量)，kg；D--胸高直径，m；H--立木高度，m； a--系数，kg·m-3)；b--常数项。回归方程要经显著检验(一般用F检验)，只有显著检验超过要求者才可使用。
（2）乔木层生物量的计算。各样地的乔木层生物量按公式(3)计算。
…………………………………………(3)
式中：Bi--第i个样地的乔木层生物量，kg；mi--第i个样地的乔木径阶数；nij--第i个样地中第j个径阶上的株数；wj--由公式(1)或(2)计算出来的第j个径阶的平均生物量， 平均乔木层生物量按公式(4)计算：
式中：B--平均乔木层生物量，kg·m-2；Bi--第i块样地生物量，kg；n--样地数；A--每块样地面积，m2。
热带和南亚热带天然森林生物量测定方法--重要值法
径阶等比标准木法一般应用于北方的种类较为单一的森林，或人工林，对于南方热带和 南亚热带天然森林，由于其组成种类非常复杂，对于每一个种都应用该方法进行生物量测定 的测定是不可能的，因此径阶等比标准木法难于应用于种类组成复杂的热带和南亚热带天然 林的生物量测定。本方法按照国际上热带森林生物量测定的通用方法，通过测定一定面积上 所以植株和补充测定植株的森林生物量，建立混合树种的生物量模型(Kira等，1967)，来估算群落的生物量。具体方法如下：
依据所研究群落对象的固定样地资料，在固定样地附近选定一基本同质的测定样地，即测定样地的群落学特征(包括基本的种类组成、胸径和树高分布格局、种群重要值分配等 参数)应与固定样地近似，测定样地面积应大于0.1hm2，皆伐测定样地内所以的胸径≥2cm的树木，按照径阶等比标准木法中提供的单株树木生物量测定方法测定各植株的地上部分生 物量，若组成种群中有重要值≥15％的，应按照径阶等比法测定结果建立单一种群的生物量 估测模型，而种群重要值<15％的偶见种群，则按照混合种群生物量数据建立生物量模型。 热带和南亚热带天然森林的根系测定，可按照混合种群和径阶等比方法建立单一的生物量模型。考虑到热带和南亚热带天然森林中各专著个体差异大的特点(例如小的个体胸径为2cm 起测，而大的个体可达150cm以上)，径阶等比的间隔可放宽至5cm或10cm，而实测的样本数，单一种应≥10株，混合种应之50株。由于测定样地的面积小于固定样地面积，有许多种类不一定在测定样地内出现，因此一些种类的生物量信息不能在混合树种模型中得到体系，为此，对于这些的种类应进行补充测定，补充测定植株的选择要充分考虑几个因素：
(1)种类；(2)胸径级：(3)树高级；(4)补充测定植株所在的森林环境和群落结构应与测定样地同质。
灌木层生物量：收获法，每五年一次
本标准规定了森林灌木层生物量测定的方法，适用于森林灌木层生物量的测定，也适用于湿润地区灌木群落的灌木层生物量的测定。
测定方法一--对于灌木种类单一的样方
根据标准"生物群落研究中样地、样线和样方的设置"中规定，设置有代表性的面积为0.1公顷的灌木样地若干块，一般要多于6块。在每块样地上，对灌木的株数的分枝情况，各主要分枝的径级进行测定，求出平均值，找出一株标准木。根据标准"森林乔木层生物量的测定 径级标准木法"中5．4的规定，对各样地标准株的地上(茎干和n十应分开)、地下两部分全部收获，测定它们的鲜质量、干质量。森林灌木层生物量按下列公式计算：
式中：Bs--森林灌木层单位面积生物量，kg·m-2；n--样地数；A--每块样地的面积，m2；Bi--第i块样地灌木标准木的干质量，kg；mi--第i块样地灌木株数。 测定方法二--对于灌木种类多的样方
设置面积为3m×3m的小样方6块，详细调查其种类、数量、高度、地径、冠幅等群落学参数；将小样方中的全部灌木种类按地上部分和地下部分收获，地上部分还应分茎干和叶两 个部分，分别测定其鲜质量，各种类按照3个组分(茎干、叶、根)取300g～500g的鲜样，带回实验室烘干至恒重，求算干鲜比后再计算出灌木个组分的干质量；求算第j个小样方灌木干质量(马)：
式中，Wsi、Wli、Wri，分别为第i种灌木的茎干、叶和根生物量；i＝1……s，即s个种。求算单位面积灌木生物量干质量(Bs)：
式中：n--小样方数，n＝6；A--小样方面积。允许偏差±15％。
草本层地上生物量：收获法，每五年一次
本标准规定了森林草本层生物量的收获法测定过程，适用于森林草本生物量的测定，也使用于其它草本群落生物量的测定。测定步骤：
（1）根据标准"生物群落研究中样地、样线和样方的设置"中的规定，在森林中按照机械布样的方法设置30块面积为1m2的小样方。
（2） 在每个小样方中将所有的草本连根挖出，用水冲去泥土后按种分地上和地下两个部分，分别称鲜质量，然后烘干称出各自干质量。结果计算：森林草本生物量按下列公式计算。单一小样方i中的草本生物量Bi：
式中：Bi--样方i中草本植物的干质量，kg；Bgrj-第j种草本植物地上部分生物量； Bugj--第j种草本植物地下部分生物量；i＝1……n：样方i中的种数。30个小样方草本层平均生物量按照下式计算：
式中：Bh--森林草本层生物量，kg·m-2；A--样方面积，m2；Bi--样方i中草本植物的干重，kg。允许偏差±15％。
地下部分生物量：每五年一次，
林地当年凋落物量：样方调查法，每五年一次
凋落物层是森林生态系统自肥过程的重要基础，在物质循环中占有重要地位。它作为森林净第一性生产力的一部分，每年枯死、脱落，经土壤动物、土壤微生物利用、分解后又进入再循环。下面介绍凋落量及分解过程的测定。
凋落量测定：凋落物收集器通常为1．0×1．0× 0．2或0．5×0．5×0．2m的木箱，底部钻若干小孔以便排水，也可用3mm以下孔径的金属网或尼龙纱网作箱底。在样地内机械布点，收集器数量每个样地不少于10个，其面积之和不少于面积的l％。一般在生长季前放入林内，每个月收集测定一次，以一年为一个周期，以便获得一个完整的季节动态过程。 每次测定时，将收集器内凋落物全部用塑料袋装回室，区分叶、枝、皮、果、虫鸟粪等称量鲜重、80℃烘至恒重后称量干重，算出含水率。最后换算成样地或单位面积的凋落量。
年凋落物量t/hm2＝年凋落物量g/m2×10-2
式中：K1-水分换算系数；10-2-由g/m2换算成t/hm2的系数
林地凋落物分解周期：每五年一次
凋落物分解速率：分解过程用一定时间内的失重率表示。将凋落物每份约200g装入2mm孔径的尼龙纱网袋(18cm×18cm)中并编号，40℃烘至恒重后称量干重。每种样本重复3个。 取样时间以秋季落叶时间为好。模拟自然状态平放在样地凋落物层中，底部应接触土壤A层。每份样本可以是全部叶子，也可以是叶、枝、皮等的混合体；可以是同一树种，也可以是所研究的样地内所有树种的混合体。放置的地点可以是同一生境，也可以是不同生境。以上种种，均依研究目的而定。每个月取回样袋，清除样带附着杂物，同原法称干重，计算失重率并将样袋放回原处。即可得到逐月的分解过程。也可只在翌春开始时测一次，翌年秋季落叶时再测一次，可得第一年的分解速率。连续数年，直至样本完全失去原形，与土壤A。层一样，即可得到完整的逐年分解过程。
凋落物分解率(％)＝
主要树种最大净光合速率：单位面积叶片在单位时间内的二氧化碳吸收量除去呼吸后的光合部分。每五年一次
标准木叶面积及叶面积指数
伐倒标准木，确定所有叶片的干重，根据实测的比叶面积，计算标准木总叶面积，然后换算成林分的叶面积指数。
仪器与用具：电锯；克秤或天平(感量：
1、/100g)；光电叶面积仪；游标卡尺(精度：0．01cm)；烘箱。
操作步骤：
叶重的测量：在林分内选一标准木。标准木不但胸径、树高处于林分平均水平，而且它的生长空间和冠形也具有代表性。伐倒标准木，把树冠从上到下均匀分为3层(部分)，砍掉所有树枝，按层归组堆放。测定每层所有枝的基径和枝长并计算二者的算术平均数。以平均数的土3％左右的幅度为标准，每层选择3个标准枝。标准枝上的叶量具中等水平。分离枝上的叶，并按新叶和老叶(2年生以Jrt)归类，按下式计算全树的叶(鲜)重(新叶和老叶计算方法一样)：
式中：Wf-全树叶的鲜重，g；Ni-第i层枝数；Wij-第i层第j标准枝叶重，g。
将全部新叶和老叶分别混放在一起，称鲜重(Wtfo)，各采鲜样约100g(Wsfo)，放入纸袋，带回室内。再次称重所采叶样(Wsfi)，取其1/10两份(Wf1和Wf2)，在80℃下烘干，称干重(Wd1和Wd2)，按下式计算全树叶的干重(Wd)。
式中：Wd-全树叶的干重，g；Wtfo-全部老叶和新叶鲜重，g；Wsfo-上述老叶和新叶采样鲜重，g；Wsfi-上述样品实验室鲜重，g；Wf1，Wf2-烘干前两份样重，g；Wd1，Wd2-烘干后两份样重，g。
比叶面积：再从剩余的鲜叶中任意取叶10片(针叶30个)测量其叶面积，阔叶树的叶面积用光电叶面仪确定，针叶用百分之一厘米卡尺量测，其叶面积按相应的表面积公式计算。单位为cm2，精确到0．01cm2。把所有叶片在80℃下烘干，按下式计算比叶面积：
SLA＝LA/LW
式中：SLA-比叶面积，cm2·g-1；LA-10片(针叶30片)鲜叶面积，cm2；LW-上述叶片(针叶)干重，g。
叶面积指数由下式计算：
式中：LAI-叶面积指数；W--标准木叶重，g；SLA-比叶面积，cm2·g-1；A--标准木的投影地面积，cm2。
乔木层净光合速率的测定
仪器和用具：红外CO2测定仪；干湿温度计；照度计；标签；天平(感量：
1、/100g)；打孔器；烘箱等。
操作步骤：
a)样点的选择：在待测森林群落的每一样地内的每个种类选择健壮正常立木若干。每株至少选五个样本(即不同高度、主杆的不同方向、不同发育阶段)，每个样点可以用一片叶(阔叶树)或一个枝(如针叶树等)来代表。
b)样地的描述：将样地的基本特征包括森林的名称，种类成分，生长阶段等作一比较详细的记录。
c)测定时刻环境因子描述：每次测定需首先将环境因子包括光照强度、日照时间、温度、湿度、风速与风向等都记录在预制的表格中。
d)将选定样点的样枝或样叶置于同化室(箱)内，用便携式或台式、单或多通道红外CO2测定仪测定各个样本同化箱出气口的CO2浓度(C2)，如是单通道测定仪，则每次测定需在各个样点循环一次，每次测定时间不超过2min(假定在这2min里，周围空气浓度并不发生变化)。在每次测定前需首先测定空气中的CO2浓度(C1)。详见9．1．3和9．2，3。
e)乔木层叶面积求算：森林群落光合和呼吸速率测定的关键是如何将乔木层叶片水平测得的结果合理地外推至群落水平。通常用乔木层的叶面积指数连接两者。测定森林群落的叶面积指数的通常做法是选择样枝，通过叶面积和重量的相关性测定样枝的叶面积，从而估算整株和整个乔木层的叶面积指数(见6．2．3)。林中不同树种的植物通常要分别测定。
f)乔木层的净光合速率的计算公式如下：
式中：Pnt-乔木层净光合速率，单位时间单位面积上的CO2吸收量，μmol·m-2·s-1； Pnij-白天第i样本第，j个时间段的净光合速率，单位时间单位面积上的CO2吸收量，μmol·m-2·s-1；LAI-乔木层叶面积指数；n-样本数；m-时间段数。
海洋环境要素的数值计算分析技术
一、海上油田风、浪、流、潮年极值要素计算
以秦皇岛32-6油田为例，海域风、浪、流、潮等年极值要素的分析计算，采用数值计算后报方式，以19701993年间影响该海域的台风及强寒潮天气过程下的历史海面气压场及天气图作为基础资料，采用中国海油与青岛海洋大学合作开发的数值计算模式，即海面风场计算模式（包括二层诊断模式、行星边界层的动力学模式、台风模式）、浅水浪流耦合海浪数值计算模式、水位和流场的三维模式，以1/8°网格距划分计算区域，由海面风场数值计算模式计算出每年影响该海域的强寒潮及台风天气过程下各格点的风速。由浪流耦合海浪数值模式、水位场和流场的三维模式计算出各格点的波高、周期、水位、风增、减水等要素，作为推算设计环境要素的样本序列。然后依据样本序列采用WEIBULL分布推算工程点各重现期设计波要素值。
（一）强天气过程个例选取
在1970-1993年间的24年里，有120多个强天气过程掠袭渤海，但能够影响秦皇岛（QHD)32-6油田海区风、浪、流及水位产生较大变化的，只有82个天气过程，平均每年约有3或4个天气过程。它们不可能都造成年极值，只有逐个对天气过程进行模拟计算后，才能确定哪些是可取的天气过程。
（二）模拟结果衍生的其他结果
1.10m高度处的各种平均风速
根据海洋工程要求，依据API标准，将10m高度处平均风速的年极值按下列诸式换成同一高度的各种平均风速年极值：
1h平均风速＝30min平均风速/1.03
3h平均风速＝1h平均风速/1.05
10min平均风速＝1h平均风速×1.07
1min平均风速＝1h平均风速×1.20
3sec平均风速＝1h平均风速×1.60
2．波浪各要素间的关系
波浪模拟给出的是有效波高Hs及对应的周期Ts。
a．假定单个波高H与有效波高Hs满足瑞利分布：
中国海洋石油高新技术与实践
F(H）是波高≥H的累积概率，则最大单个波波高Hmax与Hs有如下关系：
中国海洋石油高新技术与实践
N构成Hs的波序列波个数。N是一定时间内大浪处于平稳状态的个数。我们都知道，大浪的平稳过程持续时间不是很长，在此时间内若波的平均周期 ，取N=800个波，则持续时间τ＝10s×800=8000s=2.22h，如果这个时间内的海浪满足平稳过程的要求，则下式为：
中国海洋石油高新技术与实践
最大单个波高Hmax按式（17-13）计算。
b．特征周期：
平均周期 是谱峰周期S（ωp）对应的圆频率）； 谱峰周期
最大波的周期Tmax=1.06Ts（据Goda提供的关系式）。
（三）多年一遇高、低水位
多年一遇极值水位的推算，对于具有长期水位观测的地点来说，可利用实测资料的年极值高、低水位和年极值风暴增、减水，依长期极值分布求得。对于不具备长期水位观测的地点，多年一遇风增水、风减水可利用对天气过程模拟得到的年极值风增水和风减水推算出来，而多年一遇的高水位和低水位只能通过多年一遇的风增水和风减水与特征水位（例如最高天文潮位和最低天文潮位）的线形组合求得。
在渤海海区，主要水位站由实测潮位资料获得的多年一遇高、低水位和多年一遇风增（减）水，以及最高天文潮位、最低天文潮位如表17-5所示。
选用以下形式的线形组合，利用多年一遇风增、减水和最高天文、最低天文潮位推算出多年一遇高、低水位：
多年一遇高水位＝0.72m（多年一遇风增水＋最高天文潮位）
多年一遇低水位＝0.91m（多年一遇风减水＋最低天文潮位）
表17-5 渤海潮位观测站多年一遇高、低水位及天文最高、最低潮位
其结果与实测水位推算的多年一遇高、低水位较接近，表17-6列出了100年一遇的结果作为比较。因此，对于不具备长期实测水位的地点，可利用这种形式的线性组合求得接近实际的多年一遇高、低水位。
为了能利用上述方法求得多年一遇高、低水位，首先需要获得可靠的多年一遇风增、减水，表17-7给出了据模拟的强天气过程所得的风暴增水、风暴减水推算的秦皇岛和塘沽多年一遇风暴增水、风暴减水与用实测资料推算的结果，发现两种结果相当接近，从而可以利用上述线性组合获得QHD32-6油田可信的多年一遇高、低水位。
表17-6 渤海主要水位观测站高、低水位及风减水推算值
表17-7 秦皇岛、塌沽实测与计算出的风暴增减水的对比结果
最高（低）天文潮位，利用在渤海潮波数值模拟得到的8个主要分潮调和常数（M2,S2, N2,K2,K1,D1,P1,Q1）以及邻近地点的长期分潮Sa的调和常数，推算19年潮位获得。潮位表达式为：
中国海洋石油高新技术与实践
根据主要分潮调和常数，利用费拉基尔斯基方法推算理论深度基准面和BPF方法推算近最低潮面。为了保持统一取理论深度基准面为海图深度基准面。
二、不同重现期环境要素设计参数推算
依据QHD32-6油田工程设计需要，运用上述1970-1993年的强天气过程数值计算出风、浪、水位、海流极值的样本序列，采用Weibull极值概率分布推算多年一遇的设计参数。
Weibul1概率分布：
中国海洋石油高新技术与实践
式中：a,b,c为待定参数，a＞0，为位置参数；b＞0为尺度参数；c＞0为形状参数。a=0时，上式为二参数Weibul1分布。对上式取对数可得：
中国海洋石油高新技术与实践
将上式移项得：
中国海洋石油高新技术与实践
在Weibull机率格纸上，ln(x-a）为横坐标，ln[-1n(1-F(x））］为纵坐标。
改写上式得：
中国海洋石油高新技术与实践
由于1n(x-a）中必须x＞a，取a=Xn，即以序列中最小要素为位置参数，然后用最小二乘法对E、D两参数进行参数估计。这样多年一遇环境要素设计参数由下式求得：
中国海洋石油高新技术与实践
从而就可以计算出QHD32-6油田海域风速、波浪、海流及潮位多年一遇工程设计参数。
三、风、浪、潮、流联合概率计算技术
风、浪、潮、流等近岸灾害性海洋动力环境直接引起近海、海岸工程、河口海岸城市的灾害性破坏，以及人员伤亡，从而造成巨大的经济损失，给近岸带灾害动力环境的优化评估方法，首先必须考虑它的“同时出现”，“同时作用”于近海和海岸工程。因为一场台风（或风暴）过程，其最大的危害就是各种灾害性动力环境同时出现所引起的后果。但是如何考虑“同时出现”特点，国内外传统的评估方法都是分别对各种灾害动力环境进行概率分析，选用不同重现期的动力因素，再把它们叠加起来，作为近海和海岸工程极端海况的评估方法，并用作“设计标准”。例如在海岸工程设计中分别采用五十年一遇的波高和五十年一遇的潮位作为设计标准，而在近海工程设计中分别采用百年一遇波高，百年一遇风速和百年一遇海流作为设计标准。很明显，近岸带灾害动力环境各因素的某种概率条件下的极值组合在一起同时出现的事件，是一个小概率事件，用以作为设计标准，是非常保守的，特别是我国一些油田属于“边际油田”，采用过高的灾害性动力环境作为设计标准，导致过高的经济投入，将会使很多油田失去开发价值，因此传统的评估方法是不可取的。
关于风、浪、潮、流联合出现的极端海况国际上广泛使用的规范、DNV规范等都作了相应规定。我国海洋石油开发工程将规范作为行业标准，此规范针对极端海况提出了三种不同的解决途径：
第一，分别采用百年一遇的风速、百年一遇的波高和百年一遇的海流速度作为设计标准；
第二，采用百年一遇的波高以及与此伴生的风速和流速；
第三，采用联合概率为百年一遇的同时再现的风、浪、流值。
API规范指出，第一种方法过于保守，建议采用第二种方法。但又在规范中指出，“与百年一遇波高伴生的风、流值”的“伴生”这一词是含混不清的。第三种方法，由于联合概率是非单一解，使用起来有不少困难。因此在海洋工程界至今仍大多采用第二种方法。
本项研究的出发点认为，研究同时出现于一次大风或台风过程中的风、浪、流联合概率是正确而实用的途径，因为第一种方法实质上是将风、浪、流视为互相独立的随机变量，各自采用百年一遇值的概率作为三者概率的乘积，这是不合理的。第二种方法的缺点，一为API规范指出的“associated”一词是“含混不清”；二为百年一遇的波高及伴生的风速和流速（二者皆有相应的概率水平）三者同时出现的联合概率必然为百年一遇以上的重现期。本研究的若干结论也证明了这一点。
（一）联合概率随机模拟方法
多维联合概率的推求，实际上就是求解公式（17-20）
中国海洋石油高新技术与实践
式（17-20）只有当随机变量均为正态分布时才可解析求解，对非高斯函数，具有不同相关性的多维随机变量的联合概率密度函数，用随机模拟法是行之有效的。
随机模拟法是基于现实资料和一些假定，通过计算机来重复某些过程的方法。常用的模拟求解法是蒙特卡洛法，但M-C方法求解较小失效概率时耗时巨大，且结果精度不高，必须寻找新的方法。重点抽样法是减少机时、降低方差的一种行之有效的方法，其基本原理是集中对分布的最重要的区域抽样，即对失效概率做出主要贡献的那部分抽样，而不是扩展到整个定义域均匀抽样。
图17-1 二维联合概率示意图
为设计点坐标；fx(x）为联合概率密度； 为权函数密度
为了说明重点抽样法的特点，图17-1以二维情况示意，图中贯穿x1、x2平面的曲线，代表模拟联合概率状态的联合概率曲线，曲线右边是超过联合概率的分布；左边是低于联合概率的部分，曲面上可找到一个距离原点最近的点，称为“设计点”， 为其坐标。重点抽样法的特点，在于围绕设计点附近抽样；其另一个特点是引入了权密度函数hy(x），通过它将模拟引向以设计点为中心的区域，这样才能达到降低模拟结果方差的目的。
公式（17—20）的计算公式为：
中国海洋石油高新技术与实践
式中：
概率密度函数fx(x）代表 权密度函数特殊情况下真正的联合概率密度。
由上式可见，权密度并不重要，因此，联合概率的期望值可写为：
中国海洋石油高新技术与实践
式中：N为模拟次数； 为第I次模拟向量。
优点在于无须考虑基本随机变量的分布类型而适用于原始空间。对具有相关关系的随机变量，基本随机变量转换为独立的标准正态变量向量是比较困难的。但是，实际上联合概率的计算使用原始分布，任何非高斯分布是不会影响到加权样本的。在使用任何非高斯分布和相关的随机变量时，需进行下列变换：
中国海洋石油高新技术与实践
式中：Fxi(ixi）是基本随机变量x的原始累积分布函数；Φ－1(.）是标准高斯累积分布函数的反函数。假定Z为标准正态，则联合概率密度函数可写为：
中国海洋石油高新技术与实践
式中：Zi为式（17-23）的计算结果；φ（.）为标准正态密度函数；φn(Z,R´）为均值0、标准差为1的多维标准高斯密度函数；R´为 构成的修正相关矩阵； 是由相关系数 系列定义的值。
中国海洋石油高新技术与实践
对每一对边缘分布，式（17-25）可迭代求解。
应该指出，边缘分布密度和协方差对非高斯随机变量的联合密度并非为一对一定义，然而对大多数情况可利用的信息仅仅局限于边缘分布和协方差。因此，任何适合的模式，只要不与资料矛盾，都是可采用的，其使用范围依据变量间的相关系数，而无须考虑对任何模式的数学依据。
（二）联合概率随机模拟软件开发
基于重点抽样法的联合概率随机模拟JOPAP软件包括两部分。
1．设计点的计算
这样随机点的抽样能在以设计点为中心的有效区域内进行，可以减少计算时间，提高模拟效率。
2．重点抽样并计算联合概率
在执行主程序前，需针对所要计算联合概率的实际问题的不同，设计出不同的联合概率模型的基本方程，称之为极限状态方程。模拟的极限状态方程为：
中国海洋石油高新技术与实践
调整不同的设置值（A1,A2,A3）即可得出不同的联合概率，如将Ai分别赋予各自Xi变量独立统计时所得的特征值（如百年一遇值、五十年一遇值），则可得各变量Xi超过各自百年一遇（五十年一遇）值联合出现的概率。本研究已经完成了上述软件的研制工作。
（三）联合概率随机模拟非单一解的求解方法及其工程应用
最大波高及相应同时出现的风速、流速联合概率计算，对于固定式海上结构由荷载分析可知，当采用最大波高与相应同时出现的风速、流速作为随机模拟样本时，其联合作用下产生的荷载效应对平台结构最为不利，如以下计算结果所示。
1．求各要素单独的百年一遇极值
波高、风速、流速的分布通常符合某种概率分布，如冈贝尔分布（Gumbell distribution）、威布尔分布（Weibul1 distribution）、对数正态分布（Log-Normal distribution）等。因此可根据已有多次大风过程中波高、风速、流速的数据资料，进行上述分布的拟合。可根据最大波高或选取相应的一组风浪流组合，从而形成以波为主及以流为主和以风为主的风、浪、流序列。每个序列都进行冈贝尔分布、威布尔分布及对数正态分布的适线计算。通过分布曲线拟合优度检验后，采取一定判别标准来进行判别，最终可以确定每一种组合中相应的风速、波高及流速的分布形式。这里使用柯尔莫哥洛夫检验法，即常用的K-S检验法进行检验。并以频率绝对离差和离差均方和最小为判别标准。所得各要素分布形式的计算结果见表17-8。
由表17-8中还可看出一种似乎“矛盾”的现象，即以流最大序列统计所得的百年一遇海流值，反而小于以风最大序列统计所得的百年一遇海流值，而且以浪最大序列统计所得的百年一遇波高值，小于以风最大序列统计所得的百年一遇波高值。这一现象可以解释为海流速度序列（波高序列）的方差较小，因此尽管以流（浪）为主海流（波高）原始序列值都大于以风为主的海流（波高）原始序列值，但其概率分布曲线较平缓，所以百年一遇值反而低于以风为主的海流（波高）百年一遇值。
表17-8 风、浪、流各自的分布形式及百年一遇极值
2．联合概率随机模拟分析方法
风、浪、流三种环境要素之间是相关而不是独立的，联合概率法以“风暴”或“台风”过程中同时出现的风、浪、流作为随机分析的基本系列，从而得到某组风、浪、流组合及相应的概率水平。即求解公式：
中国海洋石油高新技术与实践
式中：g(x）＜0表示失效域。
对于非高斯且相关的多维随机变量，用随机模拟法求解该式可以收到很好的效果。随机模拟法是基于现实资料的某些特征和假定，通过计算机来实现某些过程的方法，蒙特卡洛法是其中的一种。它的基本思想是建立一个概率模型，使其数学期望等于结构的失效概率，然后对这个模型进行随机抽样，最后用子样均值估计失效概率。但求解较小联合概率时，直接用蒙特卡洛法需耗费巨大机时，且会产生较大误差。因此蒙特卡洛法只适用于失效概率不太小的情况。而“重点抽样法”可提高蒙特卡洛法抽样的效率，它的基本原理是集中对分布中的最重要区域进行抽样，即对联合概率做出主要贡献的部分抽样，而不是扩展到整个定义域均等的抽样。在用随机模拟法求解公式（17-26）的过程中，存在非单一解问题，即应用“重点抽样法”的随机模拟程序，以海洋环境要素作用下风浪流的分布形式、均值、方差及相关系数矩阵为输入条件，经过计算，可得到很多组相当于联合概率为百年一遇的海洋环境要素组合。解决非单一解问题，需有一定的控制条件，一般以响应最大为判断标准。若响应以 Y表示，则Y=f(H,Uc,Uw），其中H为波高，Uc为流速，Uw为风速。H、Uc、Uw的取样将影响 Y值大小，因此通常根据资料取以波高为主、以流为主、以风为主的相应的风浪序列进行模拟。应用“重点抽样法”的随机模拟程序，可得到的是分别以流为主、以浪为主、以风为主的风浪流组合。用平台响应判断标准，取最大响应对应的组合为最终解，由此可得到相当于百年一遇的海洋环境联合设计标准。计算结果见表17-9。
表17-9 联合概率方法下的风、浪、流值
导管架平台风、浪流单因素分布形式、百年一遇值及响应值见表17-10。
表17-10 导管架平台风、浪流单因素分布形式、百年一遇值及响应值
（四）最大流速及相应同时出现的波高、风速联合概率计算
对于自由浮动的半潜式平台，平台因波浪引起的稳定运动而承受的荷载最大，因此采用波高最大时及相应风速、流速的组合作为联合概率选择准则是合适的。
对于约束较强的半潜式平台，如计算结果所示，平台受到的环境荷载在这种情况下最大，见表17-11。
表17-11 浮式平台海洋环境联合设计标准
（五）最大波高和最大流速相应同时出现的联合概率
海洋立管（Riser）是海洋工程结构系统中的重要部件，也是薄弱易损的构件。计算结果表明必须采用以波浪或海流为控制条件的风、浪、流联合概率作为设计标准。见图17-2和图17-3以及表17-12各种方法的比较。
图17-2 以流速为主百年一遇曲线
图17-3 以波高为主百年一遇曲线
表17-12 各种方法的比较
（六）最大风速及相应的波高、流速联合概率
由于自升式平台重要组成部分迎风面积较大，因此，最大风速及相应同时出现的波高、流速可以导致最大的响应，现以实例计算见表17-13。
表17-13 联合概率百年一遇风浪流组合、相应倾覆力矩与极值响应法的比较
（七）结论
a．按照预计计划完成了“非高斯过程，具有不同相关性的多维随机变量联合概率”随机模拟的软件开发（JOPAP软件开发）。随机模拟技术具有收敛快（比M-C法快5～10倍）、误差小（最大相对误差不超过10%）的优点。
b．随机模拟软件可使用于各类灾害性动力环境经常采用的概率分布模式（如极值I、Ⅱ、Ⅲ型分布，WEIBULL分布，对数正态分布，复合极值分布等），可满足各类工程防灾的概率分析。
c．本研究针对不同工程结构，从最不利的灾害环境组合产生的响应出发，进行不同类别同时出现的灾害环境资料抽样，从而达到了将联合概率随机模拟的非单一解转化为固定解的目的。
d．针对美国API规范以及中国和其他规范，对同时出现灾害动力环境评估方法中存在的问题，本项目具体解决了：①对固定式平台，建议采用以波高为控制条件的风、浪、流联合概率作为设计标准；
②对自升平台，建议采用以风速为控制条件的风、浪、流联合概率作为设计标准；
③对平台立管在海流较大的海区，必须采用以波浪或海流为控制条件的风、浪、流联合概率作为设计标准。
e．本项目成果解决了美国API最新版本（中国海洋石油行业规范）中“含糊不清”的一些提法，在国际上首先以联合概率的方法，解决了不同工程结构设计标准的合理确定方法。
