三角网格谱元法地震波场数值模拟

谱元法结合了有限元法的灵活性和谱方法的指数收敛性,高效且高精度,是近年来发展的一种重要的地震波场数值模拟方法.经典的谱元法采用四边形(六面体)网格,利用一维Gauss-Legendre-Lobatto(GLL)积分的张量积得到对角的质量矩阵,以大大提高计算效率,但是四边形(六面体)网格不能够灵活地刻画复杂的几何模型的弯曲界面.为此,在谱元法中引入三角形(四面体)网格到二维(三维)是十分必要的.不同于经典的谱元法,在非结构化网格中不能使用GLL积分的张量积,使得非结构化网格的谱元法的实现存在着诸多的困难.目前,比较流行的三角网格谱元法,通过使用KoornwinderDubiner(KD)正交多项式,并正交化这些KD多项式构建基函数,同时利用重合的插值节点和积分节点以获取对角的质量矩阵;它所使用的积分点为优化的点集——Fekete点,且这些积分点能与四边形网格完全耦合.相比于四边形,三角网格谱元法能显著提高复杂模型的描述能力,对起伏地表模型有很大优势.本文引入高效的最佳匹配层(PML)吸收边界条件,并通过数值试验将三角网格谱元法与经典的谱元法进行对比研究.相比于经典的谱元法,三角网格谱元法显著缺点为较低的计算精度.对于7阶谱元,为了能够精确地模拟面波,三角网格谱元法需要在每个最短的面波波长内至少有11个采样点,然而经典的谱元法仅需4个采样点,并且前者所需的内存量约为后者的5.5倍.     

基于逆生长三角网的等值线图自动填充算法

现有的等值线图填充算法一般不能正确判断等值域填充等级,确定等值域填充顺序,因而造成填充失真;同时,边界扫描、快速搜索等常用算法不能实现矢量填充,在对等值线图进行编辑时无法实时更新.针对上述问题,本文提出并实现了基于逆生长三角网的物探等值线图自动填充算法,利用不规则三角网边界及内部网格边信息,自动获取等值域边界,排列填充顺序,判断填充等级;通过构建等值域对象,并与拓扑相关的等值线进行关联,实现对等值线图的矢量化填充效果.实例表明,该算法应用于物探等值线图的自动填充,保证了填充结果的正确性,实现了矢量化的充填效果.     

数值模式延伸期可预报分量提取及预报技术研究

针对延伸期尺度的可预报分量,借鉴了CNOP相关算法,形成了在数值模式中提取可预报分量的实用方法和预报技术.从模式预报误差增长的角度将模式变量分为可预报分量和不可预报的混沌分量,将可预报分量定义为在预报时段内误差增长较慢的分量.基于现有的国家气候中心月动力延伸预报业务模式,建立了针对可预报分量的数值模式.同时结合历史资料有用信息,对数值模式的可预报分量,在历史资料的可预报分量中寻找相似场,降低了相似判断过程中变量的维数,进一步对可预报分量的预报误差进行订正.对混沌分量利用历史资料,通过集合预报方法得出其期望值和方差.数值试验结果表明,该方法能有效提高10～30天延伸期数值模式大气环流场的预报技巧,具有良好的业务应用前景.     

基于蚁群算法的严格最大剩余推力临界滑动面搜索

临界滑动面搜索一直是边坡稳定性分析中十分重要的课题,由于极限平衡法具有理论简单,易于被工程师掌握的优点,因此,仍在工程应用中占主导地位。剩余推力法是国内学者提出的一种简单实用且有较高精度极限平衡法,已被纳入国家规范。针对目前剩余推力法条间力假设简单,只考虑了力的平衡而忽略力矩平衡的缺点,通过Spencer法迭代构造了严格剩余推力法边坡临界滑动面搜索优化的模型,并结合蚁群算法搜索出了最大的剩余推力相应的临界滑动面。该模型具有精度高,收敛快的特点。最后给出的两个算例与传统的蚁群算法直接搜索安全系数最小得到的结果做了比较,表明了本文方法的正确性。     

相遇蚁群算法在边坡非圆弧临界滑动面搜索中的应用研究

边坡非圆弧临界滑动面搜索是边坡稳定计算中的一个关键问题,其实质为安全系数最小的滑动路径搜索问题,采用效果良好的路径搜索算法--蚁群算法是目前研究的热点。为了克服传统蚁群算法效率低、效果差的缺点,基于蚂蚁正反向搜索相遇形成完整路径的原理,提出了一种相遇蚁群算法。将该算法用于边坡非圆弧滑动面搜索问题,提出了一种非圆弧临界滑动面搜索的新方法。通过2个边坡的算例计算及一个水库岸坡的工程应用,验证了新算法的有效性。计算结果表明,相遇蚁群算法无论是整个搜索范围还是从某一点起的搜索范围都要比一般蚁群算法大,所以相遇蚁群算法在搜索边坡临界滑动面时所得到解的多样性也要比一般蚁群算法好,因此,相遇蚁群算法的搜索范围能以较大的概率包含全局最优解,算法最终也能以较大概率搜索到全局最优解。最终,相遇蚁群算法可以在更大的范围内以更快的速度找到边坡的临界滑动面。     

GMS 5资料反演地表温度的一个修正算法

本文研究发展利用GMS 5/VISSR每小时卫星观测资料反演地表温度的方法,首先利用时空判断法进行云检测寻找晴空像元,然后从辐射传输方程出发,由实时探空资料求取大气上行、下行辐射率及大气透过率,根据由AVHRR NDVI导出的地表比辐射率,用单时相双光谱分裂窗法反演得到地表温度.比较反演结果与54511站及其他中国基准站2000年地面0cm地表温度实测值,相对于国际上其他经验公式而言,本文算法在精度上有所提高.敏感性分析试验着重于大气衰减的影响.基于本文算法,给出了内蒙中东部地区地表温度连续4天的变化实例以及东亚部分陆地“纯晴天”地表温度图.     

宽角反射地震波走时模拟的双重网格法

在研究地壳结构的人工源宽角反射地震资料解释中,常规宽角反射波走时和射线路径计算大都假定地壳模型为层状块状均匀介质.为了逼近实际地壳结构模型,要求模型尺度较大,为了提高地震资料解释的可靠性,须减小模型离散单元的尺寸,但同时计算量大大增加,使资料解释的效率较低.为此,本文尝试同时提高宽角反射地震资料解释效率和可靠性的方法,即使用双重网格计算宽角反射地震波走时和射线路径的最小走时树方法.双重网格法在均匀介质内部仅计算大网格节点,在速度变化点、震源点和检波点区域,同时计算小网格节点;在界面边界点使用比介质内部节点更大的子波传播区域.模型计算结果表明,对于大尺度的层状块状均匀介质模型,在保证精度的条件下,本文所提出的双重网格射线追踪方法的计算效率比单网格方法显著提高.     

ENVISAT测高数据波形重跟踪分析研究

对卫星测高技术中的波形重跟踪技术及其算法进行了详细分析讨论．同时分析了波形重跟踪中最小二乘解初值及权的确定,根据ENVISAT的SGDR波形数据,利用波形重跟踪技术研究了开阔海域上的距离改正情况(一般距离改正为20～30cm)。结果表明,重跟踪改正后的精度,18Hz距离优于1Hz距离。     

基于有限单元法的二维／三维大地电磁正演模拟策略

对于二维和三维大地电磁正演问题,有限单元法最后形成了一个线性方程组KX=p。方程组中的K是大型稀疏的带状对称复系数矩阵,其条件数远大于1,为严重病态矩阵,求解其对应方程组会遇到很多困难。不完全LU分解处理的BICGSTAB算法,可用于该线性方程组的求解,并且具有速度快,精度高,稳定性好等优点。为了模拟无穷远边界及满足计算机的内存需求,在保证计算精度的情况下,设计了非均匀网格剖分。在程序编制中,因只存储有限元系数矩阵的非零元素,大大减少了正演计算的时间。通过对二维模型和三维模型电磁响应的计算,验证了该算法的正确性。     

流域地貌形态特征多重分形算法研究

为研究流域地貌形态特征的量化指标,提出基于高程分布概率的多重分形计算模型,结合大理河岔巴沟流域和大堡岔流域DEM数据进行多重分形计算,对流域地貌形态特征多重分形谱的表征意义进行了探讨。结果表明:流域地貌形态特征多重分形谱可以更加敏感、更加全面地对流域地貌形态的总体特征进行描述;多重分形谱的顶点对应简单分形的容量维,多重分形谱的宽度可以定量表征流域表面的起伏程度,多重分形谱的端点维数的差别可以间接地反映流域峰谷数目的比例;流域地貌形态特征多重分形谱能够分层次地刻画流域内部的精细结构,从而更加突出地表现异常局部地貌变化特征;流域地貌形态特征多重分形谱的无标度区间的合理范围,应该确定为DEM像元尺度到流域最大高程值的1.5倍左右最为合适。