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为提高频率域弹性波动方程数值求解的计算效率,本文引入近似解析离散化(NAD)方法将其进行数值离散并得到大型线性代数方程组.在详细分析了相应系数矩阵的稀疏分块结构与数学性质之后,本文提出采用不精确旋转分块三角预处理子加速Krylov子空间迭代方法来快速求解该线性方程组,并利用数值试验证实这种方法在弹性波场模拟方面的数值效率.通过与另外两种经典数值方法(常规有限差分方法和交错网格有限差分方法)对多种介质模型进行波场模拟、数值频散分析以及与解析解的波形对比,NAD方法显示了其在压制数值频散和提高计算效率方面的优势以及对复杂介质模型弹性波场数值模拟的有效性. 相似文献
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有限差分方法是波场数值模拟的一个重要方法,交错网格差分格式比规则网格差分格式稳定性更好,但方法本身都存在因网格化而形成的数值频散效应,这会降低波场模拟的精度与分辨率.为了缓解有限差分算子的数值频散效应,精确求解空间偏导数,本文把求解波动方程的线性化方法推广到用于求解弹性波方程交错网格有限差分系数;同时应用最大最小准则作为模拟退火(SA)优化算法求解差分系数的数值频散误差判定标准来求解有限差分系数.通过上述两种方法,分别利用均匀各向同性介质和复杂构造模型进行了数值正演模拟和数值频散分析,并与传统泰勒展开算法、最小二乘算法进行比较,验证了线性化方法和模拟退火方法都能有效压制数值频散,并比较了各个算法的特点. 相似文献
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叠前逆时偏移在理论上是现行偏移方法中最为精确的一种成像方法,其实现过程中的核心步骤之一是波动方程的波场延拓,而波场延拓的本质是求解波动方程,所以精确、快速地求解波动方程对逆时偏移至关重要.本文采用一种基于时空域频散关系的有限差分方法来求解声波方程,分析其频散和稳定性,实现波场数值模拟,并将分析和模拟结果与传统有限差分法进行对比.分析结果和模型数值模拟结果都表明时空域有限差分法模拟精度更高、稳定性更好.将时空域高阶有限差分法应用到叠前逆时偏移波场延拓的方程求解中,然后再利用归一化互相关成像条件成像,理论模型数据偏移处理获得了精度更高的成像.同时,在逆时偏移波场延拓的实现中,采用自适应变长度的空间差分算子求解空间导数的有限差分策略,在不影响数值模拟和成像精度的前提下,有效地提高了计算效率. 相似文献
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海啸波近岸共振响应的数值模拟及分析 总被引：1，自引：0，他引：1
应用有限差分方法求解非线性浅水长波方程,建立了海啸波产生和传播的二维数值模型;对太平洋地震引起的夏威夷群岛海啸波进行模拟,并将模拟结果和测站实测值进行比较,验证了模型的正确性。利用快速傅里叶变换对数值模拟结果进行谱分析,得到整个计算区域的能量谱分布,并给出了发生能量聚集的位置及相应的谱峰周期。讨论了海啸波传播到近岸时可能产生的共振响应现象,发现海啸波和近岸的共振响应不仅与近岸复杂地形有关,还与海啸波传播到近岸时的波浪入射方向有关。 相似文献
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波动方程有限差分法正演模拟,对认识地震波传播规律、进行地震属性研究、地震资料地质解释、储层评价等,均具有重要的理论和实际意义.但有限差分法本身固有存在着数值频散问题,数值频散在正演模拟中是一种严重的干扰,会降低波场模拟的精度与分辨率.针对TI介质波场模拟的交错网格有限差分方法,本文从空间网格离散、时间网格离散和算子近似等三个方面对其产生的数值频散进行了分析,并结合其他学者的研究成果给出了TI介质波场模拟中压制数值频散的方法与策略：在已知介质频散关系时,对差分算子可实施算子校正;通过提高差分方程的阶数来提高波场模拟精度;采用流体力学中守恒式方程的通量校正传输方法来压制波场模拟中的数值频散;在实际正演模拟时,采用交错网格高阶有限差分方程,不仅在空间上采用高阶差分,而且在时间上也要采用高阶差分,否则只在单一方向上（空间或时间）提高方程的阶数对压制数值频散也不会取得理想的效果. 相似文献
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波动方程数值模拟方法是研究地震波场传播的一种重要手段,本文采用交错网格高阶有限差分方法分别对双程声波方程和双程弹性波方程进行了波场数值模拟,并且根据定位原理采用傅立叶有限差分算子进行了单程波方程数值模拟,在分析定位原理的基础上,对其计算过程稍作修改,将延拓到地面的波场直接由每个检波点接收,无需横向叠加过程,得到了单程声波方程共炮记录.基于不同波动方程的数值模拟结果表明,双程波方程结果包含直达波、多次波等干扰波,信噪比低;单程波数值模拟结果只包含了介质分界面的一次反射波,信噪比高,但对于大角度入射波误差较大,并且对于同一个地质模型而言,双程弹性波方程计算速度最慢,双程声波方程次之,单程声波方程计算速度最快.因此对于复杂地质模型,三种模拟方法可以取长补短,综合应用. 相似文献
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间断有限元（Discontinuous Galerkin：DG）方法具有低数值频散、网格剖分灵活、能模拟地震波在复杂介质中传播等优点.因此,本文将一种新的DG方法推广到双相和黏弹性等复杂介质的地震波场模拟,发展了求解Biot弹性波方程和D'Alembert介质波动方程的DG方法.首先通过引入辅助变量将Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程转化为关于时间-空间的一阶偏微分方程组,然后对该方程组进行DG空间离散,得到半离散化的常微分方程组.最后,对此常微分方程组,应用加权的Runge-Kutta格式进行时间推进计算.数值结果表明,DG方法可以有效地求解Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程,并能很好地压制因离散求解波动方程而产生的数值频散,获得清晰的各种地震波震相. 相似文献
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将弹性波方程变换至Hamilton体系,构造适用于弹性波模拟的高效显式二阶辛Runge-Kutta-Nystrm(RKN)格式,运用根数理论得到此格式的阶条件方程组.通过给定系数的限定条件,得到方程的对称解.为了使时间离散误差达到极小,提出数值频率与真实频率比较,通过Taylor展开,得到关于辛系数的限定方程,求解方程组得到最小频散辛RKN格式.对比分析时间演进方程的稳定性,得到使库朗数达到极大值的限定方程,求解方程组得到最稳定辛RKN格式.发现此两种格式为同一格式.新得到的辛RKN格式不依赖于空间离散方法,为了对比的需要,选取有限差分法进行空间离散.在频散、稳定性分析中,与常见辛格式对比,从理论上分析了本文提出的格式在数值频散压制、稳定性提升等方面的优势,数值实验进一步证实了理论分析的正确性. 相似文献
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各向异性介质纯P波方程完全不受横波的干扰,在一定程度上可以减缓由于介质各向异性引起的数值不稳定,本文推导了具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质纯P波一阶速度-应力方程.由于纯P波方程存在一个分数形式的伪微分算子,无法直接采用有限差分法求解.针对该问题,本文采用伪谱法和高阶有限差分法联合求解波动方程,重点分析了混合法求解纯P波一阶速度-应力方程的稳定性问题,并给出了混合法求解纯P波方程的稳定性条件.数值模拟结果表明纯P波方程伪谱法和高阶有限差分混合法能够进行复杂介质的正演模拟,在强变速度、变密度的地球介质中仍然具有较好的稳定性. 相似文献
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在东海潜在震源区冲绳海槽假定了五个震源点,根据Steven地震海啸地震参数经验值作为初始条件,分别考虑6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0级地震条件下的30个震例,采用数值模拟的方法,对海啸在东海传播过程进行情境分析,特别是对上海沿岸地区可能会遭受的海啸灾害做了较为精细的研究.结果发现:小于8.0级的震例对上海地区几乎不会造成影响;8.0级震例只有最北端震源点震例会对上海地区有明显影响;8.5级以及9.0级震级基本上均会对上海沿岸地区造成较大的影响.特别是冲绳海槽北段9.0级震例可能会对上海沿岸局部地区造成危害,最大波高可达3.9m. 相似文献
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Lisandro D. Dalcin Rodrigo R. Paz Pablo A. Kler Alejandro Cosimo 《Advances in water resources》2011,34(9):1124-1139
This work presents two software components aimed to relieve the costs of accessing high-performance parallel computing resources within a Python programming environment: MPI for Python and PETSc for Python.MPI for Python is a general-purpose Python package that provides bindings for the Message Passing Interface (MPI) standard using any back-end MPI implementation. Its facilities allow parallel Python programs to easily exploit multiple processors using the message passing paradigm. PETSc for Python provides access to the Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc) libraries. Its facilities allow sequential and parallel Python applications to exploit state of the art algorithms and data structures readily available in PETSc for the solution of large-scale problems in science and engineering.MPI for Python and PETSc for Python are fully integrated to PETSc-FEM, an MPI and PETSc based parallel, multiphysics, finite elements code developed at CIMEC laboratory. This software infrastructure supports research activities related to simulation of fluid flows with applications ranging from the design of microfluidic devices for biochemical analysis to modeling of large-scale stream/aquifer interactions. 相似文献
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海啸传播模型与数值模拟研究进展 总被引：1，自引：0，他引：1
海啸在浅水大陆架的传播问题由于其非线性作用和浅水效应而变得十分复杂,然而目前成熟的海啸传播理论及数值模拟结果在这方面与实际并不一致.本文比较分析了可用来模拟大陆架海啸传播的浅水波模型和数值方法,并提出对我国东海陆架边缘可能发生的近海海啸需要开展数值试验研究. 相似文献
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1604年泉州海外大地震及其海啸影响分析 总被引：1，自引：0，他引：1
由于史料记载的模糊和局限性, 1604年泉州海外8级大地震是否引发地震海啸灾难, 一直是有争议的。 该文从这次地震历史资料的辨别、 考证和分析研究认为, 泉州海外大地震并未引发地震海啸产生的显著灾害。 在相关的史料与台湾海峡发震构造的分析基础上, 通过潜在海啸源的鉴别以及海啸源参数的确定, 对泉州滨海断裂和台湾海峡浅滩南缘海啸源进行数值模拟计算。 在计算过程中, 利用了1994年台湾海峡浅滩南缘地震的海啸波验潮站资料, 对计算模型和方法进行了检验。 1604年泉州海外大地震的潜在海啸源(滨海断裂)的数值计算结果表明, 海啸波对泉州湾沿岸的增减水效应不足以造成灾难性的影响, 因此也为1604年泉州海外大地震未引发灾难性的海啸提供了新的证据。 相似文献
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一直以来,海啸波特征作为表征海啸潜在破坏性的参数指标得到了广泛应用,特别是针对近场极端海啸事件造成的灾害来说,这种表征具有较好的适用性.然而总结分析历史海啸事件造成的损失发现：在远场近岸及港湾系统中,海啸诱导的强流却是造成损失的主要原因.陆架或港湾振荡导致海啸波幅快速升降诱发强流,可能促使港工设施受到威胁及损害,进而对海啸预警服务及海事应急管理提出了新的挑战.因此,全面理解与评估海啸在港湾中诱发的灾害特征,探索港湾中海啸流的数值模拟方法,发展针对港湾尺度的海啸预警服务指导产品尤为迫切.受限于海啸流验证数据的缺乏及准确模拟海啸流技术方法的诸多不确定性,大部分海啸数值模拟研究工作主要是针对水位特征的研究及验证,可能导致对港湾中海啸灾害危险性认识的曲解与低估.本研究基于非线性浅水方程,针对夏威夷群岛三个典型港湾建立了精细化海啸数值模型（空间分辨率达到10 m）,并联合有限断层破裂模型计算分析了日本东北地震海啸在三个港湾及其邻近区域的海啸特征,波、流计算结果与实测结果吻合较好,精细化的海啸港湾模型模拟结果可信.模拟发现港湾中较小的波幅,同样可以产生强流.综合分析日本东北地震海啸波、流特征对输入条件不确定性的响应结果发现：港湾中海啸波-流能量的空间分布特征差异较大,这与港湾系统中海啸波的驻波特性相关;相比海啸波幅空间特征,海啸流特征具有更强的空间敏感性;海啸流时空分布特征对输入条件的不确定性响应比海啸波幅对这些不确定性的响应更强,海啸流的模拟与预报更有挑战性;不确定性对海啸流计算精度的影响会进一步传导放大港湾海啸流危险性的评估及对港工设施产生的应力作用的误差,合理的输入条件对海啸流的精确模拟至关重要.最后,希望通过本文的研究可以从海啸波-流特征角度更加全面认识近岸海啸灾害特征,拓展海啸预警服务的广度与深度,从而为灾害应急管理部门提供更加科学合理的辅助决策产品. 相似文献
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M. Ioualalen P. Arreaga-Vargas N. Pophet M. Chlieh K. Ilayaraja J. Ordoñez W. Renteria N. Pazmiño 《Pure and Applied Geophysics》2010,167(10):1205-1214
A numerical simulation of the 26th December, 2004 Indian Ocean tsunami of the Tamil Nadu coastal zone is presented. The simulation approach is based on a fully nonlinear Boussinesq tsunami propagation model and included an accurate computational domain and a robust coseismic source. The simulation is first confronted to available tide gauge and runup observations. The agreement between observations and the predicted wave heights allowed a reasonable validation of the simulation. As a result, a full picture of the tsunami impact is provided over the entire coastal zone Tamil Nadu. The processes responsible for coastal vulnerability are discussed. 相似文献
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Evaluating Tsunami Hazard in the Northwestern Indian Ocean 总被引：1，自引：0，他引：1
Mohammad Heidarzadeh Moharram D. Pirooz Nasser H. Zaker Costas E. Synolakis 《Pure and Applied Geophysics》2008,165(11-12):2045-2058
We evaluate here the tsunami hazard in the northwestern Indian Ocean. The maximum regional earthquake calculated from seismic hazard analysis, was used as the characteristic earthquake for our tsunami hazard assessment. This earthquake, with a moment magnitude of M w 8.3 and a return period of about 1000 years, was moved along the Makran subduction zone (MSZ) and its possible tsunami wave height along various coasts was calculated via numerical simulation. Both seismic hazard analysis and numerical modeling of the tsunami were validated using historical observations of the Makran earthquake and tsunami of the 1945. Results showed that the possible tsunami may reach a maximum height of 9.6 m in the region. The distribution of tsunami wave height along various coasts is presented. We recommend the development of a tsunami warning system in the region, and emphasize the value of education as a measure to mitigate the death toll of a possible tsunami in this region. 相似文献
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A source model was discussed for a small tsunami accompanied by the Noto-Hanto-Oki earthquake (M
s
6.6), striking Japan on 7 February, 1994. Assuming a fault model under the sea bottom, we estimated the focal parameters jointly, using synthesized tsunami source spectra as well as the tsunami numerical simulation. The fault proposed by this study consists of a plane sized 15×15 km, dipping N47°W with the dip angle of 42°, which is almost pure reverse fault (slip angle 87°) with a dislocation of 1 meter. The numerical simulation shows that the shallow sea in the source region caused a comparatively long recurring tsunami (the periods are 12–18 minutes) in spite of its small size. The model fault is corresponding to an aftershock area of this earthquake. 相似文献
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Linlin Gu Feng Zhang Xiaohua Bao Zhenming Shi Guanlin Ye Xianzhang Ling 《地震工程与工程振动(英文版)》2018,17(2):325-342
A large number of breakwaters have been constructed along coasts to protect humans and infrastructures from tsunamis.There is a risk that foundation soils of these structures may liquefy,or partially liquefy during the earthquake preceding a tsunami,which would greatly reduce the structures’capacity to resist the tsunami.It is necessary to consider not only the soil’s liquefaction behavior due to earthquake motions but also its post-liquefaction behavior because this behavior will affect the breakwater’s capacity to resist an incoming tsunami.In this study,numerical tests based on a sophisticated constitutive model and a soil-water coupled finite element method are used to predict the mechanical behavior of breakwaters and the surrounding soils.Two real breakwaters subjected to two different seismic excitations are examined through numerical simulation.The simulation results show that,earthquakes affect not only the immediate behavior of breakwaters and the surrounding soils but also their long-term settlements due to post-earthquake consolidation.A soil profile with thick clayey layers beneath liquefied soil is more vulnerable to tsunami than a soil profile with only sandy layers.Therefore,quantitatively evaluating the seismic behavior of breakwaters and surrounding soils is important for the design of breakwater structures to resist tsunamis. 相似文献