波场模拟中的数值频散分析与校正策略

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.     

VTI介质qP波方程高精度有限差分算子

波动方程有限差分法是一种使用广泛的地震波数值模拟方法.但是有限差分法本身固有存在着数值频散问题,会降低地震波场模拟的精度与分辨率.为了克服常规有限差分算子的数值频散,本文针对VTI介质地震波数值模拟问题,构造了频率-空间域qP波波动方程高精度有限差分优化算子,根据最优化理论中高斯-牛顿法确定了高精度有限差分算子的优化系数.利用常规差分算子和高精度优化差分算子对归一化相速度的频散关系精度进行了对比分析,并对均匀各向同性介质和均匀VTI介质中的qP波地震波场进行了有限差分数值模拟,通过频散关系精度分析和波场数值模拟结果表明：有限差分优化算子具有较高的波场数值模拟精度,有效压制了传统有限差分算子数值模拟中的数值频散现象,提高了有限差分算子精度,为VTI介质频率-空间域qP波正演模拟奠定了基础.     

考虑海底地形的三维频率域可控源电磁响应有限体积法模拟

为了提高海洋可控源电磁的地形响应模拟精度,探讨了三维交错网格剖分有限体积法求解频率域电磁场解的数值方法.在似稳场近似条件下,推导了有限差分法和有限体积法低频电磁场控制方程的离散表达式.通过对离散表达式的分析比较表明,有限体积法较之有限差分具有更高的计算精度,同时也具有与有限差分相当的计算效率.对含地形界面网格单元电导率采用加权平均处理,通过与二维有限元程序的计算结果对比,验证了该方法可以有效提高有限体积法对地形变化的模拟精度.应用有限体积法计算了一个三维带地形储层模型的可控源电磁响应,分析表明地形变化对电场分量影响明显,磁场分量对地形变化不敏感.     

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...     

三维VTI介质qP波方程频率空间域有限差分高阶加权算子

波动方程有限差分法是波场模拟的一个重要方法,为解决常规有限差分法存在着数值频散的问题,本文从具有垂直对称轴的三维横向各向同性(VTI)介质频率-空间域qP波动方程出发,在常规差分算子的基础上构造了适合三维VTI介质的频率空间域有限差分优化算子,然后利用最优化理论中的Gauss-Newton法求解了优化算子的系数,使差分方程的相速度与波动方程的相速度尽量吻合,从而在理论上使网格数值频散达到极小,精度对比分析及数值测试表明,有限差分优化算子具有较高的波场数值模拟精度,有效地压制了数值频散现象,为三维VTI介质频率一空间域qP波正演模拟研究提供了理论基础.     

横向各向同性介质地震波场数值模拟研究

地震波场数值模拟是理解地震波在地下介质中的传播特点,帮助解释观测数据的有效手段,而提高计算精度和运算效率是所有波场数值模拟方法研究所追求的目标.有限差分技术是求解波动方程计算效率最高、应用最为广泛的方法之一.但传统的有限差分技术计算过程中的数值频散问题影响了该技术的计算精度与计算效率.本文通过交错网格高阶有限差分技术与通量校正传输方法（Flux|corrected transport method,FCT）相结合, 对横向各向同性介质（Transverse isotropic medium,TI）一阶速度|应力弹性波动方程组进行了数值求解研究.波场快照数值模拟结果表明,本文研究的数值模拟方法与波动方程二阶有限差分方法、交错网格四阶有限差分方法相比,在压制网格数值频散方面有明显的优势,计算精度提高,而且可以利用较大的空间步长,提高计算效率.     

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.     

时间-空间高阶精度矩形交错网格隐式有限差分声波正演模拟

有限差分方法因其操作简单、计算消耗低而成为地震勘探领域中最为常用的数值模拟方法之一,然而用离散的显式差分算子数值逼近地震波动方程中的连续导数容易导致数值频散,并且基于正方形网格离散形式的有限差分方法对不同地质模型的适应性较低.针对一阶变密度声波方程的数值模拟,本文发展了一种适用于矩形网格离散形式的时间高阶空间隐式有限差分格式,可以有效压制时间和空间频散,同时灵活的网格剖分增强了其应用的广泛性.基于本文矩形交错网格时间高阶空间隐式有限差分格式的时空域频散关系和变量替换的思想,首先采用泰勒级数展开方法求解不同方向的非轴上时间差分系数及轴上空间差分系数,使本文差分格式可以获得任意偶数阶时间和空间精度.为了进一步提高本文差分格式在更大波数区域的空间模拟精度,我们采用线性优化方法来求取新的轴上空间差分系数用于一阶变密度声波方程的波场迭代求解中.频散、稳定性分析及数值模拟算例表明：相比于传统十字形空间域隐式有限差分格式,本文矩形交错网格时间高阶空间隐式有限差分格式在精度、稳定性和效率方面均具有优势.     

波场模拟有限差分参数优化选取

有限差分方法(Finite-difference Method, FD)广泛用于地震波场数值模拟，但其存在固有的数值频散问题，影响模拟的计算效率和数值精度.本文主要研究了有限差分方法的空间数值频散误差和网格划分精度以及差分算子的关系，基于计算量最小准则，提出了最优化有限差分参数选取流程，为有限差分数值模拟参数选取提供理论指导.本文主要工作包括：(1)提出了空间数值频散正变换过程(Forward Space Dispersion Transform, FSDT)方法，该方法可以高效模拟出不同网格划分精度(波长采样点数)的带有空间数值频散的波场；(2)提出了波场空间数值频散误差衡量准则，可以定量地判断出数值模拟导致的波形频散程度，选取合适的频散误差阈值；(3)研究了给定空间数值频散误差阈值下，差分算子系数、差分算子阶数、网格划分精度与计算量之间的关系.文中基于雷米兹交换方法(Remez Exchange Method, RE)和泰勒级数展开方法(Taylor-series Expansion Method, TE)的差分系数，在空间数值频散误差阈值0.01时，数值模拟了不同差分算子阶数、网...     

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。     

带地形的大地电磁各向异性二维模拟及实例对比分析

带地形的大地电磁二维正演数值模拟多数基于电性各向同性理论,由于地球内部电性各向异性现象的普遍存在,基于电性各向异性理论研究地形起伏情况下大地电磁二维正演数值模拟就显得非常迫切.本文首先由麦克斯韦方程出发,引入张量电导率,求得一组关于平行走向的电场分量Ex和磁场分量Hx的二阶偏微分方程,使用有限差分法求解出Ex和Hx的近似解,并以此求得其他场分量;其次,引入地形因素,改变变量在网格节点中的排列方式,选择交错排列方式从而给有限差分系数矩阵的最大带宽分配合理的存储空间;最后,使用Weaver的方法解决TM模式下,在地-空分界面垂直于构造走向的一些区域存在不同电导率的问题.通过对带地形的二维电性各向异性结构做正演模拟,研究地形因素对大地电磁响应的影响;以电性各向异性理论为基础,将地形因素引入对实测大地电磁资料的处理中,通过做二维正演拟合和未引入地形因素的结果做对比,说明电性各向异性现象的普遍存在,认识地形因素对观测大地电磁场的影响,为今后分析解释实测大地电磁资料包含地形因素和电性各向异性情况提供理论基础和技术指导.     

无网格局部Petrov-Galerkin法大地电磁场二维正演模拟

有限差分法和有限单元法在大地电磁场数值模拟中已经得到了广泛的应用,但其数值结果的精度在很大程度上依赖于网格的离散程度.当模拟起伏地形、弯曲界面等复杂地电模型大地电磁场响应时,常常需要花费大量的时间以便得到较合理的离散网格.无网格局部Petrov-Galerkin法(MLPG)不同于有限差分法和有限元法,其形函数和权函数脱离了网格的束缚.本文详细推导了二维大地电磁场边值问题的弱式形式,并将其离散为局部积分域内的表达形式.通过模拟二维海洋地电模型大地电磁场响应,并与结构网格有限元结果进行对比,验证了本文算法和程序的正确性及精度.设计了一个含有弯曲界面的二维地电模型,讨论了不同离散网格对MLPG无网格法模拟结果的影响,并与结构有限元法结果进行了比较,结果表明MLPG无网格法模拟结果受离散网格影响较小.最后利用MLPG无网格法计算了两个海洋起伏地形模型的大地电磁响应,讨论了海底起伏地形对大地电磁响应的影响.     

Parallel finite element algorithm with domain decomposition for three-dimensional magnetotelluric modelling

We present a new finite element (FE) method for magnetotelluric modelling of three-dimensional conductivity structures. Maxwell's equations are treated as a system of first-order partial differential equations for the secondary fields. Absorbing boundary conditions are introduced, minimizing undesired boundary effects and allowing the use of small computational domains. The numerical algorithm presented here is an iterative, domain decomposition procedure employing a nonconforming FE space. It does not use global matrices, therefore allowing the modellization of large and complicated structures. The algorithm is naturally parallellizable, and we show results obtained in the IBM SP2 parallel supercomputer at Purdue University. The accuracy of the numerical method is verified by checking the computed solutions with the results of COMMEMI, the international project on the comparison of modelling methods for electromagnetic induction.     

模拟震源动力学破裂过程的数值方法研究

为模拟震源的动力学破裂过程,本文讨论一种求解剪切裂纹动力学扩展问题的有限差分法。在研究二维反平面破裂的基础上,我们把所用方法推广到三维问题。研究了许多简单震源模型,通过对比同一问题的解析解和其它数值解,对方法的正确性和计算精度进行了检验,结果表明我们的数值方法是可行的。最后,作为初步应用的例子,我们研究了非均匀断层的自发破裂问题。     

基于并行化直接解法的频率域可控源电磁三维正演

电磁法的三维数值模拟是一个对数值算法和计算机硬件要求都非常高的问题.对常用的微分类方法如有限单元法和有限差分法而言,求解最后所得的大型线性方程组是至关重要的一步,直接影响到正演算法的实用性.如何高效、稳定且准确地解线性方程长期以来一直是被探讨的问题.本文实现了基于线性系统直接求解技术的频率域可控源电磁(CSEM)三维正演.使用交错网格有限体积法(FV)来离散化关于二次电场的Helmholtz方程;使用直接解法取代传统的迭代解法来求解离散线性系统,即对系统矩阵进行完全LU分解,具体通过调用大规模并行矩阵直接求解器(MUMPS)来实现.基于理论模型做了一系列数值实验,首先证明了直接解法的高精度和稳定性,并考察了其内存需求、计算时间和并行可伸缩性等主要计算性能,最后检验了所开发的算法快速模拟多场源CSEM问题的能力以及对常规海洋和陆地CSEM模拟的有效性.     

Numerical modeling of 3-D terrain effect on MT field

Using the boundary element method, the numerical modeling problem of three-dimensional terrain effect on magnetotelluric (MT) field is solved. This modeling technique can be run on PC in the case of adopting special net division. The result of modeling test for 2-D terrain by this modeling technique is basically coincident with that by 2-D modeling technique, but there is a great difference between the results of 3-D and 2-D modeling for 3-D terrain. Project supported by the National Natural Science Foundation of China.     

Optimal implicit staggered‐grid finite‐difference schemes based on the sampling approximation method for seismic modelling

We propose new implicit staggered‐grid finite‐difference schemes with optimal coefficients based on the sampling approximation method to improve the numerical solution accuracy for seismic modelling. We first derive the optimized implicit staggered‐grid finite‐difference coefficients of arbitrary even‐order accuracy for the first‐order spatial derivatives using the plane‐wave theory and the direct sampling approximation method. Then, the implicit staggered‐grid finite‐difference coefficients based on sampling approximation, which can widen the range of wavenumber with great accuracy, are used to solve the first‐order spatial derivatives. By comparing the numerical dispersion of the implicit staggered‐grid finite‐difference schemes based on sampling approximation, Taylor series expansion, and least squares, we find that the optimal implicit staggered‐grid finite‐difference scheme based on sampling approximation achieves greater precision than that based on Taylor series expansion over a wider range of wavenumbers, although it has similar accuracy to that based on least squares. Finally, we apply the implicit staggered‐grid finite difference based on sampling approximation to numerical modelling. The modelling results demonstrate that the new optimal method can efficiently suppress numerical dispersion and lead to greater accuracy compared with the implicit staggered‐grid finite difference based on Taylor series expansion. In addition, the results also indicate the computational cost of the implicit staggered‐grid finite difference based on sampling approximation is almost the same as the implicit staggered‐grid finite difference based on Taylor series expansion.     

Numerical Simulation of Solute Transport in Saturated Porous Media with Bounded Domains

This work presents the first attempt to develop unconditionally stable, implicit finite difference solutions of one-sided spatial fractional advection-dispersion equation (s-FADE) by imposing the nonzero Dirichlet boundary condition (ND BC) or the nonzero fractional Robin boundary condition (NFR BC) at inlet boundary and the zero fractional Neumann boundary condition (ZFN BC) at outlet boundary. The results of the numerical studies performed using artificial solute transport parameters demonstrated that the numerical solution with the NFR BC as the inlet boundary produced much more realistic concentration values. The numerical solution with the NFR BC at the inlet boundary was capable of correctly describing the Fickian and non-Fickian behaviors of the solute transport at different α values, and it had the relatively same accuracy at different numbers of the spatial nodes. Also, the practical application of the numerical solution with the NFR BC as the inlet boundary was investigated by conducting tracer experiments in homogeneous and heterogeneous soil columns. According to the obtained results, this numerical solution described well solute transport in the homogenous and heterogeneous soils. The α values of the homogeneous and heterogeneous soils were obtained in the ranges of 1.849–1.999 and 1.248–1.570, respectively, which were in excellent agreement with the physical properties of the soils. In a nutshell, the numerical solution of the s-FADE with the NFR BC as the inlet boundary can be successfully applied to describe the solute transport in the homogeneous and heterogeneous soils with bounded spatial domains.     

任意圆弧形凸起地形对平面SH波的散射

本文采用波函数展开方法提出弹性半空间表面一任意圆弧形凸起边界对平面ＳＨ波二维散射的封闭级数解答，利用引入的辅助函数和推广的外域型Ｇｒａｆ加法公式将解答归结为一代无穷代数方程组的求解，解答的数值结果可由无穷方程的截断计算得出，文中从级数项数增加时计算结果的收敛以及边界条件的收敛满足两方面检验了截断计算的精度，并指出了位移解答的收敛速度与主要参数之间的关系，同时，对凸起角点的应力奇异性及其对解答精度的