A physically constrained wavelet-aided statistical model for multi-decadal groundwater dynamics predictions

A physically constrained wavelet-aided statistical model (PCWASM) is presented to analyse and predict monthly groundwater dynamics on multi-decadal or longer time scales. The approach retains the simplicity of regression modelling but is constrained by temporal scales of processes responsible for groundwater level variation, including aquifer recharge and pumping. The methodology integrates statistical correlations enhanced with wavelet analysis into established principles of groundwater hydraulics including convolution, superposition and the Cooper–Jacob solution. The systematic approach includes (1) identification of hydrologic trends and correlations using cross-correlation and multi-time scale wavelet analyses; (2) integrating temperature-based evapotranspiration and groundwater pumping stresses and (3) assessing model prediction performances using fixed-block k-fold cross-validation and split calibration-validation methods. The approach is applied at three hydrogeologicaly distinct sites in North Florida in the United States using over 40 years of monthly groundwater levels. The systematic approach identifies two patterns of cross-correlations between groundwater levels and historical rainfall, indicating low-frequency variabilities are critical for long-term predictions. The models performed well for predicting monthly groundwater levels from 7 to 22 years with less than 2.1 ft (0.7 m) errors. Further evaluation by the moving-block bootstrap regression indicates the PCWASM can be a reliable tool for long-term groundwater level predictions. This study provides a parsimonious approach to predict multi-decadal groundwater dynamics with the ability to discern impacts of pumping and climate change on aquifer levels. The PCWASM is computationally efficient and can be implemented using publicly available datasets. Thus, it should provide a versatile tool for managers and researchers for predicting multi-decadal monthly groundwater levels under changing climatic and pumping impacts over a long time period.     

天津港“8·12”爆炸事件记录波形分析

利用天津地震台网23个短周期地震仪记录到的2015年8月12日天津港爆炸事件波形数据,对事件进行初步分析和研究。分别使用能量包络线法和波形匹配法,共识别出4次爆炸事件,并结合波形互相关的主事件定位法对爆炸事件进行定位。分析结果表明:第一次爆炸发生的时间为2015年8月12日23时34分4秒,1.77s后发生了规模更大的二号爆炸事件;34.11s后又发生了最强的三号爆炸事件;86.33s再一次发生了能量较弱的四号爆炸事件,其中二号与三号爆炸事件相距65~70m,二号与四号事件相距160~170m。此外,通过选用爆破、矿塌、核爆和天然地震等不同类型事件的波形数据,从时间域和频率域分别对这些事件进行对比分析,发现其震相特征表现出明显差异。     

基于一阶弹性波方程的能量互相关成像条件

基于地震波场能量构建的能量互相关成像条件,具有易实现、物理意义明确及背向散射压制效果明显等优势.但是,目前构建的能量互相关成像条件仅适用于二阶弹性波方程,难以直接应用于一阶弹性波方程.为此,本文针对一阶弹性波方程,基于能量守恒定理及能量密度,构建以速度-应力为参数的能量范数以表征弹性波场能量,将速度-应力能量范数拓展为能量内积以提取弹性波场反射能量.震源端与检波端的基矢量正方向保持一致的基础上,构建得到可有效压制背向散射的弹性波能量成像条件.数值模拟结果表明:该成像条件可以得到背向散射压制、振幅有效保持的能量成像结果.     

S盒的互相关测试算法设计

S盒是构成分组密码算法重要的非线性部件,其密码学性质直接影响整个密码算法的安全性,因此对S盒的安全性检测十分重要。以往对S盒的安全性评估大多数集中在检测分量函数的安全性上,本文考虑了分量函数之间的关系,并利用Shannon在对称密码系统设计中所提出的混淆和扩散的思想,提出了S盒的互相关测试指标,设计了测试算法,更好地评价了S盒的安全性能。对DES和AES的S盒分别进行了实验,给出了测试结果。     

基于波形相似特征的微地震事件初至拾取及全局校正

微地震事件初至拾取是井下微地震监测数据处理的关键步骤之一.初至误差的存在会使微地震震源定位结果产生较大偏差,进而影响后续的压裂裂缝解释.通常初至拾取过程对所有的微地震事件选择相同的特征函数并采用一致的拾取参数进行统一处理,然而当事件的能量、震源机制、传播路径以及背景噪声等存在明显差异时,所得初至拾取结果差别显著.为了提高微地震事件初至拾取标准一致性,本文提出基于波形相似特征的初至拾取及全局校正方法.该方法首先利用互相关函数对每个事件内的各道记录进行时差校正,得到初始初至信息并形成叠加道,再对所有事件的叠加道进行全局互相关得到事件间初至相对校正量,最终初至结果可以通过各个事件的初始初至信息与其相对校正量相加得到.方法将所有微地震事件初至结果作为一个整体处理,从而能够克服常规方法初至拾取标准一致性差的缺陷.实际资料处理结果表明,相比于常规方法,该方法可以有效提高事件初至拾取和定位结果的一致性.     

2013年芦山地震震源区地壳介质地震波速变化的特征分析

为探究芦山M7.0级地震后5年多来,震源区龙门山断裂带西南段介质波速的变化规律,本文基于2012年4月至2018年4月共6年的连续波形数据,运用移动窗互谱与频域偏振等分析方法,结合背景噪声源的特性,对不同深度范围内的相对波速变化以及震后的恢复过程与机制进行了研究.获得的主要认识包括：（1）年尺度而言,震源区周期为1~20 s的背景噪声场相对稳定,但成分复杂、2~10 s频带内至少存在2个能量相对稳定的噪声源;不同周期噪声的能量,在月变与季节性上的变化特征差异明显.（2）获得了长时间尺度、不同频带内介质相对波速的背景变化水平,1~2 s、2~4 s的波动幅度（约为±0.04%）与季节性变化规律强于4~10 s、10~20 s的,结合与降雨量相关的地下水位模型能很好地解释其变化规律.（3）震源区的同震波速降低现象清晰,降幅约为0.08%~0.1%;空间上,波速下降最为显著的区域主要集中在龙门山断裂带两侧约70 km范围内,其中四川盆地一侧平均约为0.1%,略高于青藏高原（0.08%）一侧;在断裂带内的降速不显著.对不同子频带进行测量的结果显示,震后除10~20 s外,其余3个子频带的相对波速在震后较短时间内（约20天左右）均出现较大幅度的波速降低现象,其中4~10 s的平均降速最大（约为0.08%）,分析认为主震及大量余震的松弛效应是引起介质波速下降的主要原因.（4）震后大约1年左右,波速变化基本恢复到震前水平,且至2018年4月前未观察到大幅的波速变化现象,总体上各频带内的结果均沿零线小幅波动.     

地震干涉技术被动源地震成像

被动源地震成像是基于地下反射波响应和透射波响应之间的关系,通过在地表接收由地下非人工震源发出的透射波响应,利用互相关运算来合成反射波响应的方法.合成的反射波响应,又称虚炮集记录等价于地表地震剖面记录.本文研究了由地下随机分布的被动源发出的透射波记录来合成虚炮集记录的基本原理,推导了反射波记录和透射波记录的关系公式;并通过数值模拟方法,分析了被动源成像的可行性.结果表明:利用被动源地震信息进行成像是可行的.     

基于反褶积算法的地震干涉技术被动源成像

地震干涉技术可以将任意2个检波器接收到的数据合成为在若干检波器之间传播的波,就好像其中的一个检波器作为一个虚拟震源来发挥作用。它可以从混沌无序的地震信号中发现有用信息,从地震噪声中提取有用信号以此推断地震波穿过介质的地质构造。基于反褶积算法,对其理论公式进行了较详细的推导,实现被动源地震干涉成像,证明了反褶积算法的可行性;并将其结果与互相关算法的结果进行对比,分析了2种方法在信噪比和分辨率方面的差异。数值计算表明,反褶积算法的纵向分辨率比互相关算法的高。对其进行的加噪试算表明,震源叠加后的反褶积算法呈现出高信噪比的特点。     

基于多重互相关函数分析剪切波速

介绍了一种提高单孔法剪切波速测量精度的新方法-多重互相关函数法。考虑到判断场地剪切波到时差的困难,提出了用多重互相关函数来求得两剪切波的到时差。互相关分析可求取两相似信号的到时差,但当两信号相似性比较差时,所求得到时差的误差较大;自相关函数本身可进行多重自相关分析,互相关函数结合多重自相关函数后,也可以进行多重互相关分析来求取两相似信号的到时差。试验表明：相比互相关函数,多重互相关函数可改善触发信号和井中三分向探头输出信号的相似性及更好地抑制噪声,因此能更精确地计算出触发信号和井中三分向探头输出信号的的到时差。基于此原理设计了剪切波波速的测试系统,此系统能自动分析出测点的剪切波速和形成完整的报告。     

Detecting remotely triggered temporal changes around the Parkfield section of the San Andreas fault

Detecting temporal changes in fault zone properties at seismogenic depth have been a long-sought goal in the seismological community for many decades.Recent studies based on waveform analysis of repeating earthquakes have found clear temporal changes in the shallow crust and around active fault zones associated with the occurrences of large nearby and teleseismic earthquakes.However,repeating earthquakes only occur in certain locations and their occurrence times cannot be controlled,which may result in inadequate sampling of the interested regions or time periods.Recent developments in passive imaging via auto-and cross-correlation of ambient seismic wavefields (e.g.,seismic noise,earthquake coda waves) provide an ideal source for continuous monitoring of temporal changes around active fault zones.Here we conduct a systematic search of temporal changes along the Parkfield section of the San Andreas fault by cross-correlating relatively high-frequency (0.4-1.3 Hz) ambient noise signals recorded by 10 borehole stations in the High Resolution Seismic Network.After using stretch/compressed method to measure the delay time and the decorrelation-index between the daily noise cross-correlation functions (NCCFs),we find clear temporal changes in the median seismic velocity and decorrelation-index associated with the 2004 M6.0 Parkfield earthquake.We also apply the same procedure to the seismic data around five regional/teleseismic events that have triggered non-volcanic tremor in the same region,but failed to find any clear temporal changes in the daily NCCFs.The fact that our current technique can detect temporal changes from the nearby but not regional and teleseismic events,suggests that temporal changes associated with distance sources are very subtle or localized so that they could not be detected within the resolution of the current technique (～0.2%).