大气污染的最优调控与污染源反演问题Ⅱ:正负区分判定迭代求优法

已有研究建议用非完整伴随算子方法先求出最优的总源减排方案S’,本文则研究由S’继而求人为源的优化减排S’a的问题.由于化学反应生成源Sc为污染物浓度ρ的复杂泛函,本文提出一种"正负区分判定迭代求优法",由S’求S’a,证明其收敛.     

Optimal reduction of anthropogenic emissions for air pollution control and the retrieval of emission source from observed pollutantsⅢ:Emission source inversion using a double correction iterative method

Using the incomplete adjoint operator method in part I of this series of papers,the total emission source S can be retrieved from the pollutant concentrationsρob obtained from the air pollution monitoring network.This paper studies the problem of retrieving anthropogenic emission sources from S.Assuming that the natural source Sn is known,and as the internal source Sc due to chemical reactions is a function of pollutant concentrations,if the chemical reaction equations are complete and the parameters are accurate,Sc can be calculated directly fromρob,and then Sa can be obtained from S.However,if the chemical reaction parameters(denoted asγ)are insufficiently accurate,bothγand Sc should be corrected.This article proposes a"double correction iterative method"to retrieve Sc and correctγand proves that this iterative method converges.     

大气污染的最优调控与污染源反演问题Ⅰ:离线模式非完整伴随算子的应用

人为大气污染的最终根治,依赖于产业和能源结构的调整与升级,在这些问题解决之前,进行合理和经济的减排调控是有效手段.文章利用自然控制论原理和方法,首先在已知污染源时空分布情况下,用数值天气预报作输入,离线作出污染物浓度分布,求解污染源最优减排方案的非完整伴随算子问题,从而可简便地求解出优化减排方案.所谓非完整伴随算子问题,是指就方程的线性部分求出伴随算子并求解,而非线性项则用迭代算法.如欲验证或求更高精度,则以此作为最优减排方案的第一近似,迭代求高阶近似,直至空气质量满足要求;其次,文章还讨论了由已知污染物浓度时空分布情况下,反演污染源的动态分布问题,提出一种可行的数学方法,有助于解决排放源不确定性大的问题,以便保证最优减排调控的实施.     

一维垂直各向异性介质频率域海洋可控源电磁资料反演方法

本文提出了一维垂直各向异性(VTI)介质倾斜偶极源频率域海洋可控源电磁(CSEM)资料高斯-牛顿反演方法.在电阻率各向异性介质水平偶极源和垂直偶极源海洋CSEM正演算法的基础上,利用欧拉旋转方法,实现了各向异性介质倾斜偶极源海洋CSEM正演算法.海洋可控源电磁场关于地下介质横向电阻率(ρ_h)和垂向电阻率(ρ_v)的偏导数(即灵敏度矩阵)是解析计算的,结合垂直各向异性介质横向电阻率与垂向电阻率的关系,将各向异性率融入到正则化因子选择中,实现了正则化因子的自适应选择.理论模型合成数据和实测资料反演算例表明,我们提出的反演方法能够较准确的重构海底围岩和基岩的各向异性电阻率以及高阻薄层的埋藏深度、厚度和垂向电阻率.     

L1范数约束被动源数据稀疏反演一次波估计

对于被动源地震数据,运用常规的互相关算法得到的虚拟炮记录中,不仅含有一次波反射信息,还包括了表面相关多次波.然而,通过传统的被动源数据稀疏反演一次波估计(EPSI)方法,可以求得只含有一次波,不含表面相关多次波的虚拟炮记录.本文改进了传统的被动源数据稀疏反演一次波估计问题的求解方法,将被动源稀疏反演一次波估计求解问题转化为双凸L1范数约束的最优化求解问题,避免了在传统的稀疏反演一次波估计过程中用时窗防止反演陷入局部最优化的情况.在L1范数约束最优化的求解过程中,又结合了2DCurvelet变换和小波变换,在2DCurvelet-wavelet域中,数据变得更加稀疏,从而使求得的结果更加准确,成像质量得到了改善.通过简单模型和复杂模型,验证了本文提出方法的有效性.     

声发射矩张量反演

地震矩张量反演是获取震源过程的有效方法.岩石变形过程中的声发射与地震类似,均是弹性应变能快速释放.如假设条件得到满足,矩张量反演方法同样可用于了解声发射震源过程.声发射矩张量反演可使用P波位移进行计算.当样品尺寸远大于声发射波长,且声发射由微破裂产生,声发射源的尺度很小时,P波矩张量反演可采用远场近似.本文首先针对声发射的特点,实现根据远场P波反演声发射矩张量的算法,并通过人工声发射实验对算法的正确性和可靠性进行了检验.最后,用声发射矩张量反演方法对花岗岩单轴压缩实验的声发射源特征进行了分析.结果表明：对于纯剪切破裂模式,声发射矩张量反演可得断层面;对于非纯剪切破裂模式,如纵向挤压导致的横向张性劈裂,由于存在多解性不能得到断层面,但可通过矩张量的迹区分破裂模式.     

三维频率域可控源电磁反演研究

对于三维可控源电磁,反演计算效率、张量测量、旁侧效应以及阴影效应是目前研究的热点.本文正演采用基于库仑规范条件的耦合势有限体积算法,反演采用有限内存BFGS(L-BFGS)算法.合成数据反演结果表明:(1)有限内存BFGS法比非线性共轭梯度法,在反演计算效率上具有一定的优势,更适合求解大规模三维可控源电磁反演问题.(2)张量可控源电磁法相对于标量可控源电磁法,前者在模型分辨率上优于后者.(3)在某个区域无法布置测网的情况下,我们可利用旁侧效应在异常体周围布置测网进行三维反演,从而获得真实异常体的信息.同时,为避免阴影效应,我们应在测网外增加可控源电磁控制点,使得三维反演的数据更加完备.     

可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演研究

可控源音频大地电磁法在资源勘探等领域中发挥着重要的作用.我们把有限差分数值模拟方法用于可控源音频大地电磁三维正演,结合正则化反演方案和共轭梯度反演的思路,将反演中的雅可比矩阵计算问题转为求解两次"拟正演"问题,得到模型参数的更新步长,形成反演迭代,实现了可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演算法.该反演算法可用于对有限长度电偶源激发下采集到的可控源音频大地电磁全区(近区、过渡区和远区)视电阻率和相位资料进行三维反演定量解释,获得地下三维模型的电阻率结构.理论模型合成数据的反演算例验证了所实现的可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演算法的有效性和稳定性.     

地面可控源频率测深三维非线性共轭梯度反演

讨论了地面可控源电磁勘探三维非线性共轭梯度反演的可行性以及反演过程中考虑场源的必要性.反演采用非线性共轭梯度反演方法.反演过程中,模型响应利用交错网格有限差分技术计算.反演数据采用与发射源平行的电场x分量E_x.利用层状导电模型作为背景,设计了两个理论模型进行数值试验:第一个模型中包含两个电阻率异常,以检验反演的有效性;第二个模型中,在测区外设置了一个低阻异常,以考察源的信息在反演中的作用.两个模型的反演分别从层状背景模型开始,迭代120次后终止.数值试验结果表明,(1)非线性共轭梯度反演所获得的电阻率分布和理论模型吻合较好;(2)非线性共轭梯度算法收敛速度较慢,需要较多的迭代次数完成反演;(3)对于可控源频率电磁勘探,必须考虑源位置信息.因此,本文采用考虑场源信息的地面可控源非线性共轭梯度反演方法能完成真正意义上的可控源频率电磁测深数据的反演.     

基于最小反演拟合差的重磁场源深度计算方法

以等效源及位场物性反演为基础,本文提出一种新的求取重磁场源深度的方法.该方法将一层等效源以一定的间隔从浅部向深部移动,并将等效源作为初始模型进行反演,当反演拟合差最小时,停止反演,此时的等效源底深即为所求场源的中心深度.由于仅需要反演一层等效源,比传统的物性反演计算时间大大减少,并且不需要进行深度加权约束.理论模型数据处理结果表明该方法能够获得较准确的场源深度:以长宽比为7.5的薄板模型为例,深度计算误差约为1个点距(25 m);以长宽比为0.5~1.5的厚板模型为例,深度计算误差小于1个点距(25m).将该方法应用于实测航磁梯度数据,计算的磁源中心深度在200~250m之间,钻井资料显示该异常由埋藏深度在200~300m的闪长岩引起,计算结果与钻井资料较吻合.     

基于背向散射脉冲传播时间统计特性的随机界面参数反演研究

研究了利用背向散射脉冲传播时间统计特性反演随机界面参数的问题.首先扩展了Fuks & Godin关于随机界面背向散射脉冲传播时间统计特性理论,给出了当随机界面高度-斜率统计相关情形下,最早返回的两个脉冲传播时间及其时延的概率密度函数（PDF）表达式.进而提出了一种基于背向散射脉冲传播时间统计特性的随机界面参数反演算法：采用遗传算法匹配前两个背向散射脉冲传播时间及其时延的PDF实现随机界面高度—斜率相关系数的绝对值|ρ|和无量纲参数T的反演.最后利用参数的后验概率分析反演结果的不确定性.数值模拟结果表明：该算法可有效反演随机界面的参数,参数|ρ|相对于T反演精度较高;|ρ|和T之间存在较强的参数耦合.与前人认为可忽略高度—斜率相关性（|ρ|）的观点不同：此类反演问题中应同时考虑|ρ|和T.     

不依赖源子波的跨孔雷达时间域波形反演

波形反演是近年来较热门的反演方法,其分辨率可以达到亚波长级别.在波形反演的实际应用中,源子波的估计十分重要.传统方法使用反褶积来估计源子波并随着反演过程更新,该方法在合成数据波形反演中效果较好,但在实际数据反演过程中存在一系列的问题.由于实际数据信噪比较低,在源子波估计过程中需要大量的人为干涉,且结果并不一定可靠.本文使用一种基于褶积波场的新型目标函数,令反演过程不再依赖源子波.详细推导了针对跨孔雷达波形反演的梯度及步长公式,实现介电常数和电导率的同步反演.针对一个合成数据模型同时反演介电常数和电导率,结果表明该方法能够反演出亚波长尺寸异常体的形状和位置.接着,将该方法应用到两组实际数据中,并与基于估计源子波的时间域波形反演结果进行比较.结果表明不依赖源子波的时间域波形反演结果分辨率更高,也更准确.     

地面矩形大定源电磁法频率域三维非线性共轭梯度反演

本文实现了地面矩形大定源三维频率域反演.矩形大定源三维模型响应计算采用交错网格有限差分技术.正演的微分方程为异常电场满足的非齐次Helmholtz方程,方程右手边源项中的大定源产生的背景格林函数由虚界面法结合虚框法计算.频率域三维反演采用非线性共轭梯度反演技术.反演的数据类型为垂直磁场的频率域响应Hz的实部和虚部分量.数值结果表明,(1)三维模型正演模拟数值结果与前人一致,为三维反演奠定基础;(2)针对两个三维导电模型,分别进行了三维反演数值试算.反演结果可以清晰恢复出异常体的电阻率和位置信息,表明地面矩形大定源三维频率域非线性共轭梯度反演具有可行性.本文研究的意义在于,在电磁响应时频转换技术的基础上,如果将野外实测的瞬变电磁数据变换为对应的频率响应,则结合本文提出的三维反演技术,可以为矩形大定源瞬变电磁数据的三维解释提供一个新的思路.     

基于最小二乘正则化的自然电场场源反演成像

自然电场对多种地下污染物敏感,开展相应的场源反演成像研究可帮助有效监测污染源活动.把目标区域内的多种自然电场场源进行统一处理,利用有限单元构建二维地电模型,实现自然电位正演的高精度计算.采用最小二乘正则化反演迭代,实现自然电场场源的二维反演.在设计二维自然电场场源反演算法的基础上,利用加入高斯噪声的合成模拟数据,对反演算法进行测试.测试结果表明:基于有限单元二维模型的最小二乘正则化反演算法能有效地实现对自然电场场源的反演成像,并能准确地确定自然电位异常源的位置和深度,且算法收敛快速稳定,具有一定的抗噪声能力.     

云南禄劝地震部分余震的矩张量反演

利用数字盒式磁带记录加速度仪组成的流动地震台网所记录的三分向近场加速度图,通过矩张量反演确定了1985年4月18日云南禄劝 Ms=6.1地震的部分余震的震源机制.以均匀半无限弹性介质的格林函数解释路径效应,并通过正演计算识别由两次积分得到的位移地震图中的直达 P 波、直达 S 波和 SP 转换波震相,然后用这些震相进行矩张量反演.反演结果表明,在解超定线性方程组时,采用适当的加权系数,可使上述直达波和转换波的理论计算值与观测值拟合得较好.尽管用以反演的三个余震大小不同(震级 ML48,3.2,3.5),震源位置也有差别,但它们的震源机制却非常接近,且与主震的震源机制相当一致.这一特征显示了余震的发生与主震发震构造的内在联系.这些实例说明,由震源球球面上分布适宜的数字地震台网取得的近场加速度资料,借助于即使是简单的介质模型,通过地震矩张量反演,不但可以得出这些地震震源的主要成份————剪切位错源,同时还可得出震源所含的其它成分,如膨胀源和补偿线性向量偶极.      

基于弹性波全波形反演的主被动源多分量混采地震数据速度建模

在常规地震采集中,被动源地震波场往往被视为噪声而去除,这就造成了部分有用信息的丢失.在目标区进行主动源和被动源弹性波地震数据的多分量混合采集,并对两种数据进行联合应用,使其在照明和频带上优势互补,能显著提高成像和反演的质量.本文针对两种不同类型的主被动源混采地震数据,分别提出了相应的联合全波形反演方法.首先,针对主动源与瞬态被动源弹性波混采地震数据,为充分利用被动源对深部照明的优势,同时有效压制被动震源点附近的成像异常值,提出了基于动态随机组合的弹性波被动源照明补偿反演策略.然后,针对低频缺失主动源与背景噪声型被动源弹性波混采地震数据,为充分利用被动源波场携带的低频信息,并避免对被动源的定位和子波估计,提出了基于地震干涉与不依赖子波算法的弹性波主被动源串联反演策略.最后,分别将两种方法在Marmousi模型上进行反演测试.结果说明,综合利用主动源和被动源弹性波混采地震数据,不仅能增强深部弹性参数反演效果,还能更好地构建弹性参数模型的宏观结构,并有助于缓解常规弹性波全波形反演的跳周问题.     

CMAQ-MOS区域空气质量统计修正模型预报途径研究

通过分析2004年9月~2005年3月北京城市及远郊地区八个测点的大气污染观测资料, 揭示出城区尺度不同测点大气污染同步性与同位相时空变化特征, 并描述出采暖期与非采暖期大气污染物浓度存在源影响相关季节性显著差异, 城区与远郊测站大气污染物浓度亦表现出排放源影响相关显著的区域性特征, 即大气污染物浓度时空分布与排放源强度及其空间分布密切相关; 本文试验研究表明, 美国EPA新一代空气质量模式CMAQ对多类污染物不同尺度“面空间”分布及其变化倾向虽具有较强的预报能力, 但由于污染源时空特征十分复杂, 这是由于模式采用的平均源排放清单难以精细、客观描述预报区域不同尺度污染源强度的时空变化, CMAQ模式尚存在类似其他模式污染浓度预报量与实况相比明显偏低的“系统性”误差, 为了修正上述模式产品源排放清单产生的系统性预报偏差, 本文利用不同季节CMAQ模式产品与观测实况资料, 建立CMAQ-MOS区域空气质量统计修正预报模型, 并采用检验方法评估CMAQ-MOS方案预报能力, 提出采用CMAQ-MOS统计修正模型统计-动力相结合的空气质量预报新途径, 试验研究结果表明CMAQ-MOS方案可显著降低由于污染源影响不确定性产生的模式系统性预报误差, 明显提高了CMAQ模式空气质量预报水平, 本文亦提出了采用点-面结合预报思路, 即在大气污染具有同位相变化特征的“影响域”范围内, 用一个中心测点的CMAQ-MOS产品预报周边区域面上其他预报点的模式产品“再分析”场以及区域平均空气质量“面预报”方案.     

基于非结构网格剖分的海洋可控源电磁三维正则化反演研究

为更好地处理与解释复杂海底地形条件下测得的海洋可控源电磁数据,本文提出了一种基于非结构网格剖分的频率域海洋可控源电磁数据三维正则化反演方法.该方法首先对海洋地电模型以非结构四面体单元进行离散,然后基于矢量有限元方法获得海洋可控源电磁响应和灵敏度信息,最后采用共轭梯度法求解高斯-牛顿反演方程计算模型修正量.为提高反演的稳定性,通过在反演过程中采用对数转换方法实现反演模型参数的上下限约束.本文分别测试了单测线水平海底地形反演算例和面积性测量的起伏海底地形反演算例.反演结果表明,本文提出的频率域海洋可控源电磁三维反演能够准确地恢复高阻储油层的位置和电阻率信息,且计算效率较高,可用于实测海洋电磁资料的处理与解释.     

瓦里关大气CH4浓度变化及其潜在源区分析

利用尺度校正和更新的2002～2006年瓦里关多年大气CH4浓度资料,进行了其浓度时空变化及其潜在源区分析研究.局部近似回归法筛分的大气CH4浓度本底数据百分比为～58%,表明其受到较强的区域源和汇的影响.CH4本底浓度中值为1831.8ppb,10%和90%的CH4浓度数据百分位值分别为1820.7和1843.5ppb.未经筛分的大气CH4浓度波动大,达到了200ppb;本底浓度波动小（约38ppb）,反映了瓦里关大气CH4浓度受到较强的区域源汇影响.2002～2006年期间不同季节大气CH4浓度日变化规律明显,其变化特征是源汇强度变化和对流层大气扩散输送条件相互作用的结果.大气CH4多年平均季节变化呈夏季高（6～8月达到最大值）,冬春低的特征,与美国莫纳罗亚山和Niwot岭呈反相位,一方面可能是夏季瓦里关地区排放源增强（居民放牧增多）和以来自西宁和兰州地区的气流为主导的污染物输送而导致其浓度抬升,另一方面瓦里关光化学作用较弱,与美国莫纳罗亚山和Niwot岭相比,CH4的汇较弱.轨迹聚类和潜在源区分析表明,大气CH4浓度高值与来自青海西北部（尤其是格尔木地区）和瓦里关东南或东部（西宁和兰州一带）的空气团轨迹关系密切,是CH4潜在的源区;其浓度低值则对应于来自西藏西北部、青海和新疆南部地区的空气团,反映了该方向的气流相对清洁.注意到夏季来自甘肃或宁夏黄河沿岸的农业区（如水稻种植区）空气团使CH4浓度抬升明显,显示了其农业排放源.本文的研究将对准确估算CH4区域源汇强度、全面理解温室效应的尺度及预测未来全球变化具有重要意义.     

一种反演不均匀介质大地电磁测深资料的方法

通过反演受近地表不均匀介质影响的大地电磁测深资料的新方法,可获得较准确的一维地电断面参数、不均匀体埋藏深度及其电性特征。本方法计算速度快,单测ρxy,ρyx可独立反演并相互验证结果的准确性