雷云荷电模型量子反演

雷电物理学的发展和雷电防护新理论与新技术的研究需要对雷云荷电结构进行深入探索.利用地面电场观测数据对雷云荷电模型进行地球物理学反演是一个可行的研究途径.实际雷云荷电结构复杂多变,反演目标函数高度非线性,传统的反演方法往往显得无能为力,利用量子反演方法可尝试解决此问题.在总结分析近年发展比较成熟的量子遗传算法(QGA)、量子退火算法(QA)和量子粒子群算法(QPSO)的基础上,针对Amoruso和Lattarulo提出的带电圆盘雷云荷电模型建立反演模型,分别用三种改进的量子反演算法对理论模型计算结果进行了反演实验,发现QA对此模型的反演准确度最高,而QGA的全局收敛速度最快.通过用QGA对一组实际观测数据分别进行的三层、四层、五层带电圆盘模型的反演,对比分析了不同模型结构对实际反演结果的影响.     

地闪先导放电三维数值模拟

为探索地闪先导放电规律以满足新型雷电防护理论与技术研究的需要,在Amoruso和Lattarulo提出的带电圆盘雷云荷电解析模型框架下,利用三维WZ模型构造了地闪先导放电数值模拟算法,第一次实现了50 m空间分辨率的地闪先导放电三维数值模拟.在解析模型框架下,求解空间大幅缩小,使高分辨率模拟成为可能.模拟过程中采用了SOR法求解七点差分格式的拉普拉斯方程,提出了双概率指数建模思想,对WZ模型进行了修正,反映了真实先导主通道的延伸性与丰富分岔的分形特征.进行了不同发展阈值下的模拟实验,得到了精细的地闪双向先导三维放电图样与先导激励下的地面电场分布,结果在一般观测范围内.     

火山Mogi模型形变反演的虚拟观测法及方差分量估计

针对Mogi模型垂直位移与水平位移联合反演中的病态问题,改进火山形变总体最小二乘(Total Least Squares,TLS)联合反演的虚拟观测法,并使用方差分量估计(Variance Components Estimation,VCE)方法确定病态问题的正则化参数.将附有先验信息的参数作为观测方程,与垂直位移和水平位移的观测方程联合解算,推导了三类观测方程联合反演的求解公式及基于总体最小二乘方差分量估计确定正则化参数的表达式,给出了算法的迭代流程.通过算例实验,研究了总体最小二乘联合反演的虚拟观测法在火山Mogi模型形变反演中的应用;算例结果表明,三类数据的联合平差及方差分量估计方法可以确定权比因子并得到修正后的压力源参数,具有一定的实际参考价值.     

利用DE算法反演地壳速度模型和地震定位

利用差异演化（Differential Evolution）非线性全局优化算法,设计了一种反演地壳速度模型和进行地震定位的方法,并给出了反演结果的具体分析.利用有限差分算法计算速度模型的走时场,可以节省大量的计算量,加快计算过程.反演得到的地壳速度模型和地震的震源参数可以直接用于地震层析成像研究,还可以利用地震层析成像得到的三维速度结构对地震重新定位,从而得到较为精确的震源参数.地壳速度模型的反演方法也可以用于三维速度结构的反演.     

有限断层地震波辐射能估算及其在合成强地面运动中的应用

对有限断层地震波能量辐射的估算通常采用断层面上子源能量的逐点求和方法。基于Brune圆盘模型,Anderson推导出有限断层地震波能量辐射S波的求解公式,即 ,其中 为断层面上地震矩, 为剪切模量, 和 分别为动态应力降和静态应力降,并指出在复合震源模型强地面运动预测应用中 以满足能量守恒。Rivera和Kanamori则从能量辐射表象定理出发,给出了有限断层中辐射能量的积分表达式,明确地指出了逐点求和所存在的问题。依据该积分表达式,本文推导出了复合源模型中新的辐射能完整的求解方法,指出Anderson方法实为断层面上点源辐射能量的简单叠加求和,后者则充分考虑了断层面上任一点在任一时刻能量传播过程中受到的断层面上所有位移破裂路径的交互影响。以1976年唐山7.6地震为例,应用上述方法分别计算了有限断层模型的辐射能量及近场强地面运动,如质点运动加速度,速度。结果表明如果模型参数满足 时,由本文给出的求解方法计算所得到的地震波辐射能已远远超出实际的辐射能量值,直接导致了对近场强地面运动参数如质点速度、加速度等的过高估算。因此,Zeng等和Anderson工作的局限性是非常明显的:地震矩守恒以及非物理的 无法准确地预测近场地面运动。未来工作中,对于有限断层模型的建立,在地震矩守恒这一约束条件的基础上,远场和近场能量解（或视应力）将可作为另一个重要的约束条件,为强地面运动的模拟提供一个更为恰当的求解方案。      

光滑地表面毁伤检测方法研究

光滑地面毁伤程度评估非常重要，目前评估方法主要是基于光学图像，可是在恶劣的气候或环境条件下，很难获得光学图像，合成孔径雷达（SAR）克服了这个缺点. SAR图像是地表结构和电特征等地球物理参数的映射，通过SAR图像反演地表结构参数，可以推测出光滑地面毁伤程度. 本文以几何光学模型（GOM）为基础，建立神经网络反演模型，以获得光滑地表面受损后的粗糙度参数：表面均方根高度（σ）和表面相关长度（l），并进一步评估光滑地表面受损程度. 实验结果表明该方法可行.     

水平地层上的负激发极化效应及其物理解释

本文首先阐明负激电效应是客观存在的;然后用等效电阻率法导出地面上点源供电时的二次极化电位、电场强度、电流密度的表达式,并依此用线性滤波法对各种给定参数进行计算,依此对二次极化场的分布规律进行物理分析,对激电负效应给出直观的物理解释;最后,根据土槽模拟实验资料,证实了负激电效应的客观存在,反演数据也与实际情况相吻合。本文还得到二极装置和错层条件下的负激发极化效应。     

基于密度模型稀疏表征的重力反演方法

重力反演是恢复地下密度空间分布的有效工具,而选择合理的密度模型约束方法是提升重力反演分辨率和可靠性的关键.常规约束方法大多是从剖分网格空间中的密度模型出发,通过调整光滑或稀疏约束权重来匹配反演目标,但当地质体类型多样、异常分离不准确及网格剖分方案不合理时,模型约束的合理性与灵活性难以得到有效保证.为此,本文提出了一种基于密度模型稀疏表征的重力反演方法.首先假设待反演的密度模型表征为模型特征矩阵和稀疏分解系数的线性组合,之后重新推导了重力反演目标函数,并给出了分解系数的稀疏求解过程.相比现有重力反演方法,用于构建模型特征矩阵的特征模型可包含不同类型地质体的先验几何信息,分解系数的稀疏性保证了待反演目标来自于最典型的地质模式组合.最后,通过模型试验及实际资料验证了基于密度模型稀疏表征的重力反演方法的有效性.     

远场地震波辐射能计算以及对近断层地面运动的约束

从圆盘断层模型出发,根据地震波能量表象定理推导出了滑移弱化过程中远场S-波辐射能量表达式,并同已有的动力学模型作了比较.结果表明,得到的模型能量值或视应力的取值强烈地依赖于断层上的动态、静态应力降和破裂传播速度,而破裂速度则对应了断层带模型中断层破坏过程所耗散的能量.动摩擦应力上调和应力下调力学机制在能量求解中得到了充...     

结构平稳随机地震反应时域分析:方法

给出了三种常用的随机地震地面运动过程模型,即理想白噪声模型、金井清模型、改进金井清模型的相关函数表达式.引入状态向量,在状态空间中建立地震地面运动激励下的结构振动方程,并求解出结构的复模态特性和复模态反应.利用复模态叠加法推导出线性时不变多自由度体系在这三种随机地震动激励下的平稳协方差反应的解析式,可在时域内直接计算结构随机反应的统计特征.该方法物理概念清晰,结论简便明确,可作为实际工程结构平稳随机地震反应的实用分析方法.