基于奇异值分解的计算条件非线性最优扰动的集合投影算法

条件非线性最优扰动(CNOP)是线性奇异向量(LSV)在非线性领域的拓展,它代表了在一定物理约束条件下且在预报时刻导致最大预报误差的一类初始误差.CNOP类型的初始误差在天气和气候的可预报性研究中具有重要作用.在求解复杂数值模式的CNOP中,一般通过数值计算目标函数关于初始扰动的梯度,并沿着梯度下降方向在相空间搜索极值点而得到CNOP.计算梯度常用的一个方法是利用伴随模式得到梯度,然而发展一个复杂模式的伴随模式是困难且非常繁琐的,大大限制了CNOP方法在复杂数值模式中的广泛应用.本文在前人工作的基础上,提出了一种基于奇异值分解(SVD)的集合投影算法.该算法避免了集合投影算法中采用的局地化步骤,从而克服了局地化半径的经验性选择带来的不确定性.将该算法应用于中等复杂程度的ENSO预报模式中计算CNOP.结果表明,用新集合投影算法得到的CNOP能够有效地逼近用伴随算法得到的CNOP,抓住了CNOP的主要空间特征.因此,本文提出的基于SVD的集合投影算法是计算CNOP的一种有效近似算法.     

伴随方法在海洋数值模式中的应用

本文通过对变分资料同化方法在气象学和海洋学方面特别是在海洋数值模式中应用的简单回顾，评价了伴随方法在方法论上的优越性，首先引入包含海洋数值模式控制方程组的拉格朗日乘子，说明变分资料同化的数学原理；介绍伴随方法应用中目标函数的构造方法，简单说明了伴随方法中伴随方程的导出和伴随方法实际应用的步骤，最后就近几年国外研究进展做了简单概括。     

改进的伴随状态法初至波走时层析成像方法

目前,有关伴随状态法初至波走时层析成像方法的文献,基本上都是基于面积分来定义目标函数,由此得到的伴随方程也都依赖于地表的法向量.这样,一方面会因为伴随变量计算的不准确而造成梯度的不合理,另一方面也无法合理地处理井中观测问题.本文从理论或数值试验角度指出了这些问题,并提出了不依赖地表法向量的改进的伴随状态法走时层析成像方法.主要改进包括:(1)采用体积分定义目标函数,避免了传统方法不能较好处理井中观测数据的缺陷,可以适应任意地表或井中观测系统.(2)采用摄动法得到了新的伴随方程,克服了传统方法中伴随场计算需要依赖于地表法向量的缺陷,使得检波点处的走时残差可以正确地反传播至地下,进而得到更加合理的速度修正方向,提高了速度反演的精度.     

二维均匀介质中积分方程的快速精确算法

采用稳定型双共轭梯度快速Fourier变换(BCGS-FFT)算法精确计算二维均匀介质中的积分方程.采用一种新的插值函数作为基函数和试探函数对积分方程进行弱化离散,离散后的积分方程采用稳定型双共轭梯度迭代方法进行求解,从而得到异常体内电场的分布.计算时采用快速Fourier变换技术将积分方程内Green函数与电场的乘积表示成褶积形式以加快计算速度.数值计算举例说明了算法的精确性和有效性.     

用地质雷达数据资料反演二维地下介质的方法

从二维麦克斯韦方程组出发推导出反演介电常数和电导率等二维介质物性参数的反演公式.反演的步骤是: 建立初始猜测模型，利用电磁波时间域有限差分法模拟正演数据，用正演数据与观测数据之间的数据残差建立目标函数，通过引入一个由麦克斯韦方程计算的伴随场，将目标函数对介质参数的导数表示成显式形式，应用最优化理论得出对初始猜测模型的修改，用共轭梯度法迭代，最终得到反演结果.用合成数据反演具有粗糙地表的非导电介质的介电常数，用实验数据同时反演介电常数和电导率，并比较了麦克斯韦方程反演结果与声波方程反演结果、波动方程偏移剖面的差异.     

基于新的惩罚因子算法的波场重构反演

全波形反演是一种高精度的反演方法,其目标函数是一个强非线性函数,易受局部极值影响,而且反演过程计算量较大.波场重构反演是近几年提出的一种改进的全波形反演理论.该反演方法通过将波动方程作为惩罚项引入到目标函数中,通过拓宽解的寻找空间减弱了局部极小值的影响,而且反演过程不需要计算伴随波场,提高了计算效率.但该反演方法一直缺少准确的惩罚因子算法,直接影响到该方法的准确度.本文将波场重构反演拓展到时间域并利用梯度法进行波场重构.频率域的惩罚因子用来加强波动方程的约束,而时间域惩罚因子表现为调节模拟波场和实际波场的权重因子.为此,我们根据约束优化理论,在波动方程准确以及重构波场与反演参数解耦的假设下,提出以波动方程为目标函数的新的惩罚因子算法.根据波形反演在应用时普遍存在的噪音干扰、子波错误和低频信息缺失的情况下,应用部分Sigsbee2A模型合成数据对本文提出的算法进行实验.数值实验结果表明：基于新的惩罚因子算法,在其他信息不准确的情况下,波场重构反演可以给出高精度的反演结果.     

储层弹性与物性参数地震叠前同步反演的确定性优化方法

储层弹性与物性参数可直接应用于储层岩性预测和流体识别,是储层综合评价和油气藏精细描述的基本要素之一.现有的储层弹性与物性参数地震同步反演方法大都基于Gassmann方程,使用地震叠前数据,通过随机优化方法反演储层弹性与物性参数;或基于Wyllie方程,使用地震叠后数据,通过确定性优化方法反演储层弹性与物性参数.本文提出一种基于Gassmann方程、通过确定性优化方法开展储层弹性和物性参数地震叠前反演的方法,该方法利用Gassmann方程建立储层物性参数与叠前地震观测数据之间的联系,在贝叶斯反演框架下以储层弹性与物性参数的联合后验概率为目标函数,通过将目标函数的梯度用泰勒公式展开得到储层弹性与物性参数联合的方程组,其中储层弹性参数对物性参数的梯度用差分形式表示,最后通过共轭梯度算法迭代求解得到储层弹性与物性参数的最优解.理论试算与实际资料反演结果证明了方法的可行性.     

利用伴随算子法从岸边潮位站资料估计近岸模式的开边界条件

利用岸边潮位资料来估计潮汐模式的开边界条件的问题进行了讨论和一些数值试验研究.所用方法是基于最优控制理论的伴随算子法.利用模拟的“资料”来求最优的模式开边界条件,使模式结果与“资料”在最小二乘的意义下拟合的最好.数值试验考虑了两个理想化的模式区域.模式是IAP浅水方程模式.通过数值试验可对方法的有效性和局限性进行检验.结果表明伴随算子法在许多情况下可很好估计出潮汐模式开边界条件,并较之传统的方法,有潜力提高潮汐模拟和计算的精度.     

交叉梯度理论及其在地球物理联合反演中的应用

地球物理联合反演中,建立合适的目标函数将不同物性参数联合起来是非常重要的一步工作,然而并不是所有的物性参数之间都存在较为明显的显式关系.本文系统介绍并分析了地球物理联合反演中用于耦合不同物性参数的新方法-交叉梯度法.该方法充分利用交叉梯度函数的性质,从结构上对不同物性参数进行耦舍.在联合反演算法的目标函数中引入交叉梯度项,无需不同物性间的其他耦合关系即可实现广义意义下的联合反演.理论密度数值模型验证了交叉梯度函数的相关性质,相关应用实例也表明了该方法在联合反演中应用效果良好,具有一定的实际应用价值.     

相位空间内的解缠绕相位反演

全波形反演方法是一种数据域高精度反演方法,该方法通过匹配观测数据与模拟数据的地震波形,利用梯度法准确反演地下介质参数的分布情况.由于观测数据普遍缺少低频信息,该方法易受周期跳跃现象影响.特别是当地下存在大尺度强反射界面的构造时,地下介质的反演转化为强非线性问题求解.该情形下,即使观测数据包含充足的低频信息,全波形反演也难以给出准确的反演结果.一般可以通过减弱反演对初始模型参数的依赖性来克服上述问题,具体表现为使用新变量(例如瞬时相位、包络等)代替目标函数中的采样后波场,以增强新目标函数的凸性.但是,对该新目标函数进行反演时,伴随状态方程中存在关于新变量和波场的一个链式微分项,该项保留了反演问题的非线性,导致新的反演方法难以处理包含大尺度构造的强非线性反演问题.此外,基于新变量的反演问题依然在波场空间中计算模型梯度,难以充分利用新变量与模型参数之间的弱非线性关系.因此,本文提出用频率域波动方程的相位形式代替传统的波动方程来消除伴随状态方程中的链式微分项,用解缠绕的相位代替目标函数中采样前波场并在相位空间进行反演.该方法可以最大程度地利用地下介质参数和解缠绕相位之间的弱非线性关系,从而削弱反演的非线性性.由于基于频率域波场计算得到相位有严重的缠绕问题,本文采用基于振幅排序的多聚类算法来对相位进行解缠绕.虽然将介质参数到波场的映射替换为介质参数与解缠绕相位的映射,会导致反演结果的分辨率有所下降,但该方法可以在相位空间恢复介质参数的大尺度低波数分量.Marmousi模型测试证明了该方法的有效性和准确性,针对部分BP模型的测试也证明了该方法处理强非线性问题的能力.     

一阶Rytov近似有限频走时层析

传统的波动方程走时核函数(或走时Fréchet导数)多基于互相关时差测量方式及地震波场的一阶Born近似导出,其成立条件非常苛刻.然而,地震波走时与大尺度的速度结构具有良好的线性关系,对于小角度的前向散射波场,Rytov近似优于Born近似.因此,本文基于Rytov近似和互相关时差测量方式,导出了基于Rytov近似的有限频走时敏感度核函数的两种等价形式:频率积分和时间积分表达式.在此基础之上,本文提出了一种隐式矩阵向量乘方法,可以直接计算Hessian矩阵或者核函数与向量的乘积,而无需显式计算和存储核函数及Hessian矩阵.基于隐式矩阵向量乘方法,本文利用共轭梯度法求解法方程实现了一种高效的Gauss-Newton反演算法求解走时层析反问题.与传统的敏感度核函数反演方法相比,本文方法在每次迭代过程中,无需显式计算和存储核函数,极大降低了存储需求.与基于Born近似的伴随状态方法走时层析相比,本文方法具有准二阶的收敛速度,且适用范围更广.数值试验证明了本文方法的有效性.     

混合范数下的最优化反演方法

在求解地球物理反问题时，通常根据最小二乘准则构造目标函数进行反演，并在实践中得到了广泛的应用.为进一步增强反演的稳健性及减少多解性，不损失反演结果的分辨率，本文提出了混合范数下的最优化反演方法，它根据数据和模型可能服从不同的概率分布，对数据空间和模型空间采用不同的范数来构造目标函数.在给出目标函数的基础上，导出了混合范数下的线性反演方程.由于该线性反演方程的复杂性，我们采用混合范数下迭代再加权共轭梯度法进行求解.最后，通过对模拟的电阻率数据进行反演，验证了本文计算方法是可行的.     

二维介质粗糙面下方三维金属目标复合电磁散射的快速正演算法

研究了二维(2-D)介质粗糙面下方三维(3-D)金属目标的复合电磁散射问题.将表面积分方程(PMCHW)方程应用到介质粗糙面表面,电场积分方程(EFIE)应用于金属目标表面.基于矩量法,使用三角分域基函数(RWG)和伽略金法将表面积分方程离散为矩阵方程,并采用稳定的双共轭梯度迭代(BICGSTAB)算法对矩阵方程进行求解.针对矩量法(MOM)的高存储量和迭代过程中存在的矩阵向量积耗时的瓶颈,采用基于秩的多层矩阵分解法(MLUV),对矩阵元素进行压缩存储,以节省对计算机内存的需求,并加速迭代过程中的矩阵向量积运算.计算了高斯粗糙面下方球体的双站雷达散射截面积(RCS),并与最陡下降快速多级子算法(SDFMM)结果比较以验证该数值方法的正确性.最后分析了不同粗糙度、目标尺寸和目标位置对双站RCS的影响.     

不依赖子波、基于包络的FWI初始模型建立方法研究

地震全波形反演(FWI)从理论走向实际面临着诸多难题,其中之一就是需要一个较高精度的初始模型,另一个难题就是需要一个较为精确的震源子波,初始模型和震源子波的准确程度严重影响着全波形反演的最终结果.为此,本文提出了不依赖子波、基于包络的FWI初始模型建立的方法,建立了相应的目标函数,推导出了反演的梯度,给出了伴随震源的表达式,理论上分析了不依赖子波FWI的可行性.在数值试验中,讨论了参考道的选取方式,通过分析归一化目标函数收敛速率,认为近偏移距参考道优于远偏移距参考道,在地震数据含干扰噪音时,平均道作为参考道要优于最小偏移距参考道.通过包络、包络对数、包络平方三种目标函数反演结果的比较,发现包络对数目标函数对深层的反演效果最好.通过不同子波的试验进一步验证了本方法的正确性.     

非均匀介质中地震波应力场的WNAD方法及其数值模拟

通过对近似解析离散化(NAD)方法的分析,给出了一种求解声波和弹性波方程的带权重的近似解析离散化(WNAD)方法,并用WNAD方法、Lax-Wendroff 修正格式(LWC)和二阶中心差分方法计算了二维波动方程初值问题的应力场数值误差.结果表明WNAD方法具有更高的数值精度.用WNAD方法、LWC和四阶交错网格法对二维非均匀介质中弹性波传播的应力场进行了数值模拟.应力场快照和地表地震记录表明,即使是在粗网格条件下WNAD方法的模拟结果仍无可见的数值频散和源噪声.另一方面,由于WNAD方法同时计算了地震位移和梯度场,使得应力的计算更为便捷和精确,而且WNAD方法中波位移梯度局部连接关系的使用使得应力在间断处能够自动近似地满足应力连续性.     

伴随成像及其在地球深部结构研究中的应用

基于高精度的三维波场模拟和伴随方法, 伴随成像成功实现了天然地震全波形成像在区域和全球尺度下的应用。伴随成像技术基于谱元法, 使用全三维、 多参数的初始模型对地震波场进行数值模拟, 通过正演波场和伴随波场的相互作用快速求取目标函数的梯度, 结合高性能计算技术, 实现大尺度全波场成像。相比于传统的地震层析成像方法, 伴随成像对地球内部结构异常体的描述更加精细和全面, 更适用于构造活跃地区的深部动力学研究。本文首先介绍伴随成像方法的基本原理, 随后阐述其具体实现流程, 并回顾该方法在地球深部结构研究中的应用, 最后对其未来发展做出展望。     

基于Born敏感核函数的速度、密度双参数全波形反演

速度、密度之间的相互耦合使得密度在多参数全波形反演中较难获得.本文将截断高斯-牛顿法用于声介质速度、密度双参数全波形反演,通过考虑近似Hessian矩阵中反映速度、密度相互作用的非主对角块元素,有效解决了多参数全波形反演中速度、密度之间的耦合问题,在不采用反演策略的情况下,仍能够获得精度较高的速度、密度反演结果.常规的截断牛顿类全波形反演通常利用一阶伴随状态法求取目标函数对模型参数的梯度,利用二阶伴随状态法或有限差分法求解Hessian-向量乘,在每一步内循环迭代过程中需要额外求解两次正演问题,计算量较大.本文基于Born近似,将梯度计算中的核函数-向量乘表示为具有明确物理意义的向量-标量乘的累加运算,同时将Hessian-向量乘转化为两次核函数-向量乘,无需额外求解正演问题,有效降低了计算量.数值实验证明了本文提出的方法的有效性.     

一种显式四维变分资料同化方法

提出一种新的资料同化方法——显式变分四维同化方法, 该方法将奇异值分解(SVD)技术用于四维空间的预报集合提取正交基向量, 这些基向量不但能够表现分析变量的空间结构, 也能反映它的时间演变特征. 将分析变量依截断的基向量展开后, 控制变量会显式地出现在代价函数中, 避免了传统的变分四维同化方法所必需的伴随模式的运用, 使同化过程变得简单. 用浅水方程模式和人造资料进行的一系列数值试验对所提方法的有效性作了检验并和传统的变分四维同化方法进行比较. 结果表明, 在观测点很密集, 观测和模式都没有误差的情况下, 它不如传统的变分四维同化方法好. 但是当观测点稀疏时显式方法会好于传统的方法, 它对模式误差及观测误差的敏感性也远远小于传统的方法.     

基于精确震源函数的解调包络多尺度全波形反演

本文提出解调包络方法来重构地震记录中缺失的低频信号,同时该方法能够降低全波形反演的非线性程度;提出伴随状态震源函数反演方法来得到精确的震源函数,并推导了梯度计算公式;解调包络方法结合低通滤波技术,实现了从低频到高频的多尺度反演策略,有效缓解了全波形反演的周波跳跃问题.数值算例证明了解调包络、伴随状态震源函数反演方法和低通滤波多尺度反演策略的可行性及优越性.震源函数反演精度测试结果表明:即使观测记录在缺失低频信息的情况下,也能反演得到精确的震源函数.缺失低频测试和抗噪能力测试结果表明:即使地震数据中缺失9Hz以下的低频信号或者信噪比极低的情况下,利用反演得到的精确震源函数进行解调包络多尺度全波形反演,同样可以得到高精度的全波形反演结果.与Hilbert包络全波形反演对比结果表明:解调包络在重构低频和降低伴随震源主频方面具有一定优势.     

电阻率测井响应的积分方程解法

从电流守恒条件出发,得到了两个积分方程.其中第一个和在1964年提出的相同,它的未知函数是边界面上的隐电流源分布密度;第二个积分方程的未知函数则是电位函数本身. 在的文章以及本文作者的另一篇文章中,供电电极和测量电极都被当成点电极处理.用这种方法来处理电位电极系和梯度电极系已不够准确,用来处理三侧向或双侧向等具有大电极的电极系则完全无能为力. 测井中所用的电极系是包着金属外皮的绝缘心棒,金属外皮就是电极.本文提出了处理这种电极系的方法.结果表明,第二个积分方程在处理这种电极系时有明显优点.