空间波数混合域磁异常场积分解三维数值模拟

本文提出一种空间波数混合域磁异常场三维数值模拟方法.该方法利用磁位三维空间域积分为卷积的特点,沿水平方向进行二维傅里叶变换,把空间域磁位满足的三维积分问题转化为不同波数之间相互独立的垂向一维积分问题.保留垂向为空间域,优势之一在于便于浅层单元剖分可适当加密,随着深度增加,单元剖分适当稀疏,可以准确模拟任意复杂地形和磁性体的磁异常,兼顾了计算精度与计算效率;优势之二在于一维积分垂向可离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征磁化强度,可得出单元积分的解析表达式,计算精度高、效率高.该方法充分利用一维形函数积分的高效和高精度、快速傅里叶变换的高效性及算法高度并行性,实现了磁异常场高效、高精度的数值模拟.设计棱柱体模型,将模型解析解与空间波数混合域法的数值解对比,结果表明该方法计算精度高、效率高.设计了组合棱柱体复杂模型,对比分析了标准FFT扩边法与Gauss-FFT法的计算精度与计算效率,总结了标准FFT的扩边系数选取策略.针对任意复杂地形条件下的磁异常模拟问题,本文提出一种适用于起伏地形条件下的磁异常场快速计算方法,并对其有效性进行了验证.     

2011年日本东北大地震（M_W=9.0）震间与震前变形场特征及其对强震预测的启示

强震震前(preseismic)动力学过程的研究对于地震预测具有十分重要的意义,但由于观测资料的限制,目前对强震前孕震区力学状态及其演化过程的认识还非常有限.2011年日本东北9.0特大地震(Tohoku-Oki)发生在GPS观测台站最为密集的地区,为研究特大地震震间(interseismic)与震前的变形状态提供了难得的机会.文中将利用日本东北大地震之前连续的GPS观测资料,分别计算震间与震前的速度场与变形场.通过对比分析发现,日本东北地区(Tohoku)震前的应变状态与震间的有很大的不同,震间的变形主要受到太平洋板块向日本海沟北西西向的俯冲挤压作用所控制,其主压应变以近东西向压缩为主,日本东北地区的运动方向与太平洋板块的运动方向大体一致.但是,临近地震前(震前)日本东北地区的运动方向发生了很大变化,震前30天的连续GPS观测结果显示,速度场的优势方向经常变换,间歇性地出现与太平洋板块运动方向相反的情况.这意味着震前孕震区的力学状态发生了很大的改变.这种变化可能与震前破裂成核或慢滑移及慢地震等过程有关,这些过程将加速或促进大地震的发生,从而为大地震的发生准备了力学条件.值得特别强调的是,这些现象都是可以通过直接观测能够发现的大地震之前的异常现象.由此可见,加密GPS站点进行连续观测,寻找震前变形异常区以及探索异常的物理机制对于地震预测预报有重要的科学意义.     

基于WebGL的海岛环境场三维可视化

为解决海岛环境场三维可视化过程中存在的计算速度慢、渲染效果差和人 机交互不流畅等问题,文章基于WebGL和GPU加速渲染技术,提出基于WebGL的海岛环境场三维可视化方法。对不同环境场进行数学建模,其中矢量场基于二阶欧拉积分算法构建粒子运动模型,标量场基于双线性插值生成网格并建立颜色映射模型;基于视角感知构建多尺度变换模型,建立不同视角下矢量场的多尺度三维展示模型;基于GPU渲染技术,实现海岛环境场的三维可视化。实验结果表明,在GPU模式下,矢量场的渲染速度可达60 FPS,与CPU模式相比性能提升1.6～5.0倍,满足矢量场三维可视化的需求,同时极大地提升标量场的可视化效果,解决渲染效果颗粒感重和分级色差弱等问题。     

InSAR同震地表三维形变反演：一种顾及形变梯度的联合解算方法

同震地表三维形变场是对地震引起的地表形变在真实空间中最直观的描述,在地震形变研究中,同震地表三维形变场的恢复具有重要意义。针对目前地表三维形变解算方法存在的不足和缺陷,提出了一种顾及形变梯度的同震地表三维形变场联合解算方法。该方法利用形变梯度信息将合成孔径雷达干涉（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）观测的形变区域分解成形变梯度近似相等的互不相交的子区域,然后根据子区域内观测值数量选择加权最小二乘法（weighted least square,WLS）或基于应力-应变模型（stress-strain model,SM）和方差分量估计（variance components estimation,VCE）的InSAR三维形变解算方法（SM-VCE）获取同震地表三维形变场。模拟实验和实际震例研究结果表明,相比于传统的WLS和SM-VCE方法,通过形变梯度信息能有效恢复地震破裂带的地表三维形变,得到更加完整和可靠的同震地表三维形变场。     

季风指数及其年际变化Ⅱ.南海夏季风分量动能强度指数及其年际变化

计算了各年南海夏季风建立前后流场的场相似度、场比幅、季风分量动能强度指数和突变度.指出按变差度最大或相似度绝对值最小及其变化最陡以及比幅最小,可客观定量地定出季风来临的预兆日期,在大多年份该日期比用天气气候学方法得到的季风来临(爆发)日期要早些,且两者有较好正相关.绝大多数年份季风建立时有环流突变发生,但也有少数年份呈调和变化或二次突变.季风分量动能强度指数能够反映各年南海夏季风建立后的强度.最后分析指出,南海850hPa夏季风的前兆日期,突变度和强度指数都有明显的年际和年代际变化.     

夏季城市热场的卫星遥感分析

利用1998年8月4日上海幅TM6图像,经定位、配准、纠正、图像处理、噪声剔除、亮温标定及特征提取等步骤,得出上海市亮温分布场,同时对其热力景观、细部结构及其成因做了分析。实践证明,TM6图像可作为城市热环境质量评价、生态城市规划的背景资料和依据。     

TSP隧道地震预报空洞模型的数值模拟研究

采用有限元方法模拟隧道地震波场,采用波场快照与时间记录相结合的方法,研究空洞对隧道地震波场传播的影响,并对含空洞模型的时间记录进行处理,得到数值模型的速度云图和反射层位图。经数据处理表明,采用TSPwin设定默认值处理得到的速度云图与模型设定的空洞位置比较一致,在提取反射层位图上,空洞反射层呈现条带状特征,需要结合速度云图来确定空洞位置,且P波预报的准确性相对较高。对TSP系统的抗噪性进行研究,表明其具有良好的抗噪性能。最后通过对工程实例的处理,验证了数值模拟所得的结论。     

河北省中南部一次大雾天气过程分析

对2003年11月河北省中南部大雾天气进行了分析,结果表明与稳定度有关的物理量场的变化不仅是强对流等灾害性天气的预报指标,对大雾天气也有一定的指示意义：雾是在稳定的大气层结下出现的天气现象,根据大气稳定层结的状况及变化,可以判断大雾天气的有无及其生消时间。另外,前期湿度条件的积累也是影响大雾生成的主要原因。     

基于VTK的医学图像系统研究

医学三维数据场可视化是当前科学计算可视化应用的重点。本文论述了可视化工具包VisualizationToolkit(VTK)的主要特点,介绍了三维医学可视化系统实现的原理和方法。根据一系列人体断面图像,应用VTK实现了三维医学图像重构,对重构后的三维图像进行解剖分析;并实现对人体的二维图像逐帧浏览及柱状统计。实验结果表明,VTK具有使用灵活,功能强大的优点,是医学三维数据场可视化的有力工具。     

基于热-水-力-损伤耦合数值模型的高地温水工高压隧洞围岩承载特性

针对高地温水工高压隧洞围岩的力学行为特点,在考虑岩体的渗透系数、热传导系数随岩体损伤发生变化的基础上,基于多物理场耦合理论,提出一种考虑硬岩强度力学参数劣化的含损伤演化的热-水-力-损伤耦合模型,并给出了该模型的FLAC3D数值实现方法。通过与物理模型试验结果对比,验证了模型的可靠性,进而利用该模型推演了高地温水工高压隧洞的多物理场耦合演化过程,分析了不同影响因素下的承载特性。研究结果表明：隧洞充水运行后,高地温水工高压隧洞的多场耦合效应显著,尤其高地温梯度和高内水压力联合作用下产生的迭加拉应力对围岩的承载安全具有不利影响;温度梯度、内水压力以及岩体线膨胀系数越大,隧洞围岩的损伤程度与开裂深度越大;当隧洞横断面的侧压力系数趋向于1时,洞周出现的宏观裂缝较多,且出现方位不确定;当隧洞横断面侧压力系数小于1/3时,洞周出现的宏观裂缝相对较少,且主要出现在与初始地应力的最大主应力方向相平行的方向上。常规锚喷支护对高地温水工高压隧洞的加固效果不佳。