模拟地震波场的伪谱和高阶有限差分混合方法

伪谱法是一种高效、高精度计算非均匀介质地震波传播的数值方法,但是由于它的微分算子的全局性,使得该方法不适用于分散内存的并行计算.本文将有限差分算子的局部性和伪谱法算子的高效、高精度相结合,发展基于两种方法的伪谱/有限差分混合方法.该方法在一个空间坐标方向上利用交错网格高阶有限差分算子,在另外的空间坐标方向上利用交错网格伪谱法算子,既保留了后者的高效、高精度优势,又便于在PC集群上实现并行计算.对二维模型的计算显示,混合方法能有效处理介质不连续面,在保证伪谱法计算精度的情况下,提供了一种并行计算的可能途径.     

基于图形处理器的伪谱和高阶有限 差分混合方法地震波数值模拟

伪谱和高阶有限差分混合方法, 在垂直方向采用交错网格有限差分算子, 利用其并行程度高的特点, 在水平方向采用伪谱算子, 保留其高精度的优势, 是计算地震波场的有效方法. 图形处理器(graphic processing unit, 简写为GPU) 由于其高度并行性, 在计算此类问题中有显著的优势. 由英伟达(NVIDIA)公司推出的统一计算设备架构(compute unified device architecture, 简写为CUDA)平台极大地简化了GPU编程的难度. 为提高计算效率, 本文实现了基于CUDA 平台的混合方法二维地震波场模拟. 然后基于二维均匀介质模型将CPU与GPU版本的运行时间进行对比. 实际测试结果表明, 基于CUDA 的并行模拟方法在保证计算精度的同时显著地提高了计算速度, 为开展大规模非均匀地球介质地震波传播数值模拟提供了一种可选的方法.      

求解二阶解耦弹性波方程的低秩分解法和低秩有限差分法

时间域的波场延拓方法在本质上都可以归结为对一个空间-波数域算子的近似.本文基于一阶波数-空间混合域象征,提出一种新的方法求解解耦的二阶位移弹性波方程.该方法采用交错网格,连续使用两次一阶前向和后向拟微分算子,推导得到了解耦的二阶位移弹性波方程的波场延拓算子.由于该混合域象征在伪谱算子的基础上增加了一个依赖于速度模型的补偿项,可以补偿由于采用二阶中心差分计算时间微分项带来的误差,有效地减少模拟结果的数值频散,提高模拟精度.然而,在非均匀介质中,直接计算该二阶的波场延拓算子,每一个时间步上需要做N次快速傅里叶逆变换,其中N是总的网格点数.为了减少计算量,提出了交错网格低秩分解方法;针对常规有限差分数值频散问题,本文将交错网格低秩方法与有限差分法结合,提出了交错网格低秩有限差分法.数值结果表明,交错网格低秩方法和交错网格低秩有限差分法具有较高的精度,对于复杂介质的地震波数值模拟和偏移成像具有重要的价值.     

基于广义正交多项式褶积微分算子的地震波场数值模拟方法

地震波场模拟方法研究对于与波动现象有关的地震学问题的重要性是不言而喻的.就目前现有的各种正演算法来说,精度较高的算法（如有限元法、谱元法、高阶有限差分法等）,其计算速度较慢;计算速度较快的算法（如低阶有限差分法、付氏伪谱法等）计算精度却比较低.为了兼顾地震波场模拟的精度与速度,本文推出了一种快速的、高精度地震波场模拟方法（基于Forsyte广义正交多项式的褶积微分算子法）,该方法是以计算数学中的Forsyte广义正交多项式插值函数为基础,构建一个新的褶积微分算子,并将该算子引入到地震波动方程的一阶速度-应力方程的空间微分运算中去,采用时间交错网格有限差分算子替代普通的差分算子以匹配高精度的褶积微分算子,从而构造一种全新的地震波场数值模拟方法.该方法同时具有广义正交多项式方法的高精度和短算子低阶有限差分算法的高速度.通过对算子长度的调节及算子系数的优化,可同时兼顾波场解的全局信息与局部信息.复杂非均匀介质模型中的波场数值模拟实验证实了该方法的可行性及优越性.     

窗函数交错网格有限差分算子及其优化方法

交错网格有限差分的方法现已被广泛运用到地震波正演模拟中,而正演的精度将会直接影响到后续反演、偏移成像的精度。有限差分正演模拟研究的关键问题之一是如何有效地压制数值频散。窗函数法选取适当的窗函数去截断伪谱法的空间褶积序列,从而得到优化的有限差分算子以压制数值频散。传统窗函数法得到的有限差分算子,在低波数域内具有较高的精度,而在高波数域内,精度迅速下降。在此基础上,本文将交错网格有限差分系数的求取转化为最小二乘问题,将窗函数截断得到的交错网格有限差分算子作为迭代初值,设定误差范围确定优化区间,并采用共轭梯度法迭代求解。不失一般性,本文选取了常用的三种窗函数去截断得到有限差分算子及其优化差分算子,并将优化前后差分算子做对比验证。理论分析和数值模拟的结果表明:在窗函数的基础上,使用本文最小二乘优化方法得到的交错网格有限差分算子比传统窗函数法交错网格有限差分算子具有更高的精度,能够更好地压制数值频散。     

三维波动方程时空域混合网格有限差分数值模拟方法

常规高阶和时空域高阶有限差分方法广泛应用于三维标量波动方程的数值模拟,这两种差分方法仅利用笛卡尔坐标系中的坐标轴网格点构建三维Laplace差分算子,相应的差分离散波动方程本质上仅具有2阶差分精度,模拟精度低.本文将三维笛卡尔坐标系中非坐标轴网格点分为两类:坐标平面内的非坐标轴网格点和坐标平面外的非坐标轴网格点,系统推导出了两类非坐标轴网格点构建三维Laplace差分算子的方法,进而提出了一种利用坐标轴网格点和非坐标轴网格点共同构建三维Laplace差分算子的混合网格有限差分方法,并利用时空域频散关系和泰勒展开建立差分系数方程,推导出了差分系数的通解.相比常规高阶和时空域高阶差分格式的2阶差分精度,时空域混合网格差分离散波动方程理论上能够达到任意偶数阶差分精度,模拟精度显著提高,同时稳定性更强.频散分析表明:相比常规高阶和时空域高阶差分格式,在计算效率基本相同时,时空域混合网格差分格式能更有效地减小数值频散,减弱数值各向异性,模拟精度更高;在模拟精度基本相当时,混合网格差分格式能采用更大的时间采样间隔,计算效率更高.数值模拟实例进一步验证了混合网格差分格式在提高模拟精度和计算效率方面的先进性,也验证了其普遍适用性.     

2.5维地震波场褶积微分算子法数值模拟

早期的褶积微分算子都是基于正反傅立叶变换而实现的,其精度比四阶有限差分的精度稍高,本文将计算数学中的Forsyte广义正交多项式微分算子与褶积算子相结合,构建了一个新的快速、高精度褶积微分算子,其计算结果非常接近实验函数微分的精确值,精度与16阶有限差分的精度相当,远优于错格伪谱法的精确度.另外,2.5维数值模拟比二维模拟可以更真实地模拟三维介质的臬个剖面的波场,并且2.5维地震波模拟的计算量比三维模拟的计算量及计算耗时要大大减少.本文利用基于Forsyte广义正交多项式褶积微分算子法计算2.5维非均匀介质地震波场,模拟结果表明,该算法的计算速度快,计算精度高,能够直观、高效地反映复杂介质中波场的传播规律,并且2.5维波场数值模拟具有更高的计算效率,是一种非常值得深入研究并广泛应用的方法.     

基于Chebyshev自褶积组合窗的有限差分算子优化方法

有限差分法广泛应用于地震波数值模拟、成像和波形反演中,差分数值解的精度直接影响着地震成像和反演的效果.因为有限差分算子可以通过截断伪谱法的空间褶积序列得到,而截断窗函数的属性影响有限差分算子逼近微分算子的精度.具体地讲,窗函数的幅值响应的主瓣和旁瓣决定了有限差分算子逼近的精度,主瓣越窄,旁瓣衰减越大,则有限差分算子逼近微分算子的精度越高,更好地压制数值频散.基于此认识,本文提出了一种基于Chebyshev自褶积组合窗截断逼近的有限差分算子优化方法.Chebyshev自褶积组合窗的主瓣较窄,且旁瓣衰减大,其可通过只调节三个参数,更直观和可视化地控制主瓣和旁瓣的形状,改变有限差分算子逼近微分算子的精度;该窗函数截断逼近的有限差分算子不仅有较大的谱覆盖范围,而且精度误差波动较小,这表明低阶的差分算子可以达到高阶算子的精度,且逼近误差更稳定;从经济上来讲,将有效地减少模拟计算花费,提高计算效率.     

各向异性介质地震波场的优化褶积微分算子法数值模拟

在前人工作基础上,通过对窗函数参数进行优化实现了对基于Shannon奇异核理论的交错网格褶积微分算子的优化过程.应用这种优化褶积微分算子方法对各向异性介质进行了数值模拟,讨论了优化褶积微分算子法模拟的PML吸收边界条件以及稳定性条件,分析了弹性波在此类介质中的传播特征,并与高阶交错网格有限差分方法进行了对比.数值实验结果表明,该方法适用于各向异性介质中弹性波场模拟,精度高,稳定性好,是一种研究复杂介质中地震波传播的有效数值方法.     

复杂介质地震波传播的褶积微分算子数值模拟h

将佛尔塞（Forsyte）广义正交多项式微分算子地震波场正演模拟算法运用于复杂非均匀介质模型的波场数值模拟中,并比较了该方法在计算效率和计算精度方面与有限差分方法和伪谱法的差异. 数值结果表明,这种广义正交多项式微分算子法计算速度快、精度高,对计算资源需求低,是一种颇具潜力的数值模拟方法.      

基于伪谱和有限差分混合方法的兰州盆地强地面运动二维数值模拟

利用伪谱和有限差分混合方法对兰州盆地进行二维强地面运动模拟.假设3个不同的震源深度5、10、20 km的同一地震下,以一个5层的二维剖面作为模型,以此来研究地震波传播过程并分析复杂的二维非均质路径效应,以及局部地下速度构造对强地面运动振幅加乘的影响,从而了解路径效应对强地面运动最大峰值位移的影响程度.研究结果显示:伪谱和有限差分混合方法模拟地震波场结合了有限差分法和伪谱法的优点,弥补了二者的不足,能较好地处理介质不连续面的计算,同时保证了和伪谱法相当的计算精度.通过地震波场模拟可知沉积盆地的强地面运动较基岩相比具有放大效应,震源深度的不同对兰州盆地垂直分量地面最大峰值位移影响较大,在震源深度为5 km时最小,为0.06 cm;震源深度10 km时在水平剖面30～55 km范围内峰值位移最大,达到0.14 cm;但对水平分量的峰值位移影响较小.     

Global SH-wavefield calculation for a two-dimensional whole-Earth model with the parallel hybrid PSM/FDM algorithm

We present a parallel hybrid algorithm based on pseudospectral method (PSM) and finite difference method (FDM) for two-dimensional (2-D) global SH-wavefield simulation. The whole-Earth model is taken as a cross section of spherical Earth, and corresponding wave equations are defined in 2-D cylindrical coordinates. Spatial derivatives in the wave equations are approximated with efficient and high accuracy PSM in the lateral and high-order FDM in the radial direction on staggered grids. This algorithm allows us to divide the whole-Earth into sub-domains in radial direction and implement efficient parallel computing on PC cluster, while retains high accuracy and efficiency of PSM in lateral direction. A transformation of moment tensor between 3-D spherical Earth and our 2-D model was proposed to give corresponding moment tensor components used in 2-D modeling. Comparison of modeling results with those obtained by direct solution method shows very good accuracy of our algorithm. We also demonstrate its feasibility with a lateral heterogeneous whole-Earth model with localized velocity perturbation.     

重叠区域伪谱法计算非均匀地球介质地震波传播

伪谱法是一种高效、高精度计算非均匀介质地震波传播的数值算法,由于它的微分算子的全局性,一般认为该方法不适于并行计算. 本文介绍了并行计算非均匀介质中地震波传播的重叠区域分解算法,给出了一种基于傅里叶伪谱法的并行算法. 文中给出的算法将介质划分为相互重叠的若干区域,在各个子域上单独求解,利用重叠部分的解的传递,将各个子域连接起来,实现了伪谱法在分布式并行处理机上的计算. 文中给出了一个将二维区域分解的算例,比较了并行算法和整体算法的结果,分析了并行算法的计算精度. 结果表明,并行算法会有效降低计算时间,并且保证计算精度. 该方法在大规模三维非均匀介质的地震波场模拟方面有应用价值.      

Modeling seismic wave propagation in heterogeneous medium using overlap domain pseudospectral method

Pseudospectral method is an efficient and high accuracy numerical method for simulating seismic wave propaga- tion in heterogeneous earth medium. Since its derivative operator is global, this method is commonly considered not suitable for parallel computation. In this paper, we introduce the parallel overlap domain decomposition scheme and give a parallel pseudospectral method implemented on distributed memory PC cluster system for modeling seismic wave propagation in heterogeneous medium. In this parallel method, the medium is decomposed into several subdomains and the wave equations are solved in each subdomain simultaneously. The solutions in each subdomain are connected through the transferring at the overlapped region. Using 2D models, we compared the parallel and traditional pseudospectral method, analyzed the accuracy of the parallel method. The results show that the parallel method can efficiently reduce computation time for the same accuracy as the traditional method. This method could be applied to large scale modeling of seismic wave propagation in 3D heterogeneous medium.     

Parallel PSM/FDM Hybrid Simulation of Ground Motions from the 1999 Chi-Chi,Taiwan, Earthquake

-- A new technique for the parallel computing of 3-D seismic wave propagation simulation is developed by hybridizing the Fourier pseudospectral method (PSM) and the finite-difference method (FDM). This PSM/FDM hybrid offers a good speed-up rate using a large number of processors. To show the feasibility of the hybrid, a numerical 3-D simulation of strong ground motion was conducted for the 1999 Chi-Chi, Taiwan earthquake (M_w 7.6). Comparisons between the simulation results and observed waveforms from a dense strong ground motion network in Taiwan clearly demonstrate that the variation of the subsurface structure and the complex fault slip distribution greatly affect the damage during the Chi-Chi earthquake. The directivity effect of the fault rupture produced large S-wave pulses along the direction of the rupture propagation. Slips in the shallow part of the fault generate significant surface waves in Coastal Plain along the western coast. A large velocity gradient in the upper crust can propagate seismic waves to longer distances with minimum attenuation. The S waves and surface waves were finally amplified further by the site effect of low-velocity sediments in basins, and caused the significant disasters.     

基于Remez迭代算法求解差分系数的双相介质自适应有限差分正演模拟

利用传统有限差分方法对基于Biot理论的双相介质波动方程进行数值求解时,由于慢纵波的存在,数值频散效应较为明显,影响模拟精度.相对于声学近似方程及普通弹性波方程,Biot双相介质波动方程在同等数值求解算法和精度要求条件下,其地震波场正演模拟需要更多的计算时间.本文针对Biot一阶速度-应力方程组发展了一种变阶数优化有限差分数值模拟方法,旨在同时提高其正演模拟的精度和效率.首先结合交错网格差分格式推导Biot方程的数值频散关系式.然后基于Remez迭代算法求取一阶空间偏导数的优化差分系数,并用于Biot方程的交错网格有限差分数值模拟.在此基础上把三类波的平均频散误差参数限制在给定的频散误差阈值和频率范围内,此时优化有限差分算子的长度就能自适应非均匀双相介质模型中的不同速度区间.数值频散曲线分析表明:基于Remez迭代算法的优化有限差分方法相较传统泰勒级数展开方法在大波数范围对频散误差的压制效果更明显;可变阶数的优化有限差分方法能取得与固定阶数优化有限差分方法相近的模拟精度.在均匀介质和河道模型的数值模拟实验中将本文变阶数优化有限差分算法与传统泰勒展开算法、最小二乘优化算法进行比较,进一步证明其在复杂地下介质中的有效性和适用性.     

Numerical modeling of 3D fully nonlinear potential periodic waves

A simple and exact numerical scheme for long-term simulations of 3D potential fully nonlinear periodic gravity waves is suggested. The scheme is based on the surface-following nonorthogonal curvilinear coordinate system. Velocity potential is represented as a sum of analytical and nonlinear components. The Poisson equation for the nonlinear component of velocity potential is solved iteratively. Fourier transform method, the second-order accuracy approximation of vertical derivatives on a stretched vertical grid and the fourth-order Runge–Kutta time stepping are used. The scheme is validated by simulation of steep Stokes waves. A one-processor version of the model for PC allows us to simulate evolution of a wave field with thousands degrees of freedom for hundreds of wave periods. The scheme is designed for investigation of nonlinear 2D surface waves, generation of extreme waves, and direct calculations of nonlinear interactions.     

Global SH-wave propagation in a 2D whole Moon model using the parallel hybrid PSM/FDM method

We present numerical modeling of SH-wave propagation for the recently proposed whole Moon model and try to improve our understanding of lunar seismic wave propagation. We use a hybrid PSM/FDM method on staggered grids to solve the wave equations and implement the calculation on a parallel PC cluster to improve the computing efficiency. Features of global SH-wave propagation are firstly discussed for a 100-km shallow and 900-km deep moonquakes, respectively. Effects of frequency range and lateral variation of crust thickness are then investigated with various models. Our synthetic waveforms are finally compared with observed Apollo data to show the features of wave propagation that were produced by our model and those not reproduced by our models. Our numerical modeling show that the low-velocity upper crust plays significant role in the development of reverberating wave trains. Increasing frequency enhances the strength and duration of the reverberations. Surface multiples dominate wavefields for shallow event. Core–mantle reflections can be clearly identified for deep event at low frequency. The layered whole Moon model and the low-velocity upper crust produce the reverberating wave trains following each phases consistent with observation. However, more realistic Moon model should be considered in order to explain the strong and slow decay scattering between various phases shown on observation data.