基于非分裂CFS-PML边界条件的频散介质GPR时域有限元模拟

通过数值模拟研究探地雷达（GPR）高频电磁波在频散介质中的传播规律,对提高实测资料的解释精度具有重要意义.复频移完全匹配层边界条件（CFS-PML）以其优越的吸收特性被广泛用于一阶电磁波动方程的GPR时域有限差分数值模拟中,其实现过程大都涉及电磁场的卷积计算,辅助变量较多,降低计算效率.为此,本文从复拉伸坐标系下的Debye频散介质电磁波动方程出发,通过合理构造辅助微分方程,推导了二阶Debye频散介质电磁波动方程的非分裂CFS-PML边界条件实现公式,避免了电磁波场的分裂和卷积计算.在此基础上,利用Galerkin法和Newmark-β差分法推导了基于非分裂CFS-PML边界条件的GPR有限元方程及其时域差分离散格式.两个GPR模型的模拟结果表明：本文提出的基于辅助微分方程的非分裂CFS-PML边界条件实现方法可有效地吸收大角度入射的低频虚假反射波,提高模拟精度;相比于非频散介质,高频电磁波在频散介质中传播衰减更强、子波持续时间增大、分辨率和传播速度降低、直达波和反射波的主频更小,分析结果有助于提高实测GPR资料的解译精度.

     

秦岭中部山地落叶阔叶林超级垂直带的发现与意义

山地垂直带谱是气候和植被水平地带变化和更替的缩影,垂直带的带幅、带间过渡方式、带内结构和垂直带组合方式都表现出高度的异质性和复杂性。本文发现在中国南北过渡带中部太白山发育了世界上最宽的山地垂直带——山地落叶阔叶林垂直带。该垂直带从基带到典型垂直带再到先锋性垂直带皆为山地落叶阔叶林,3种本来可以独立存在的垂直带,连续分布形成了包含3个栎林亚带、2个桦林亚带的“三层五亚带”超级垂直带,远远超过正常情况下山地垂直带1000 m的阈值,且其上限达到了海拔2800 m。它的形成与秦岭所处的过渡性地理位置、秦岭中部垂直带谱的完整性、丰富的落叶木本植物种群及其形成的强大群落竞争优势等因素紧密相关。超级垂直带的发现有多方面的意义：它是中国南北过渡带又一重要的标志性自然地理特征;它表明山地垂直带在特殊的山地环境中可以具有非常复杂的内部结构和宽大带幅,这扩展了我们对山地垂直带谱结构及机理认识的广度,对于创建山地垂直带谱结构理论具有十分重要的意义;超级垂直带的发现,也说明中国南北过渡带还有很多科学内容有待我们去探索和发现,希望本文能起到抛砖引玉的作用,引起学界对超级垂直带形成的气候和生物多样性因素、地理过渡带的结构和生态效应等重大问题进行深入研究。     

四川大梁子和天宝山铅锌矿床地球化学差异及地质意义

通过矿床宏观地质特征和地球化学特征的讨论,认为天宝山和大梁子矿床是构造-岩浆-热液形成的矿床,形成于晚燕山期-喜马拉雅期,与印度-欧亚板块碰撞作用诱发的陆内造山有关.天宝山和大梁子矿床地球化学特征差异,是构造-岩浆-热液运移路径所在地质环境的差异所致,反映了双会地区在复杂地质演化过程中,沿构造带走向所形成的地质环境差异.     

求解弹性波方程的辛RKN格式

将弹性波方程变换至Hamilton体系, 构造适用于弹性波模拟的高效显式二阶辛Runge-Kutta-Nyström (RKN)格式, 运用根数理论得到此格式的阶条件方程组. 通过给定系数的限定条件, 得到方程的对称解. 为了使时间离散误差达到极小,提出数值频率与真实频率比较,通过Taylor展开,得到关于辛系数的限定方程,求解方程组得到最小频散辛RKN格式. 对比分析时间演进方程的稳定性,得到使库朗数达到极大值的限定方程,求解方程组得到最稳定辛RKN格式. 发现此两种格式为同一格式. 新得到的辛RKN格式不依赖于空间离散方法,为了对比的需要,选取有限差分法进行空间离散. 在频散、稳定性分析中,与常见辛格式对比,从理论上分析了本文提出的格式在数值频散压制、稳定性提升等方面的优势, 数值实验进一步证实了理论分析的正确性.     

短时傅里叶变换在GPR数据解释中的应用

小波变换、经验模态分解、奇异值分解是提高探地雷达数据信噪比、突出深部异常的有效手段.笔者提出一种快速的短时傅里叶变换技术,对探地雷达噪声信号进行解译,利用雷达发射信号与噪声信号的频谱差异提高雷达数据的信噪比;并以数值算例进行验证,分别从单道波信号的频率能量差异,主频等值分布差异等方面详细分析了该方法与小波变换、经验模态分解方法的优势.结果表明,短时傅里叶分析技术能实现探地雷达数据的快速解译,为探地雷数据的反演成像提供更精确的约束条件.     

上海TWP3型边界层风廓线雷达探测性能评估

基于2018年7月—2019年6月上海宝山移动式风廓线雷达（mobile wind profiler radar,MWPR）资料,从获取率、水平风误差和上海6类典型天气条件下测风数据的可靠性三方面,对其探测性能进行了评估与分析。结果发现：（1）获取率受湍流强度影响最大,受大气温度、湿度影响次之。获取率具有较明显的日变化和季节变化特征,边界层内夏秋季获取率高于冬春季,且有午后获取率高、深夜和清晨低的特点;自由大气中冬春季获取率高于夏秋季。以获取率80%为其业务准入标准,边界层内MWPR的获取率达标。（2）相比L波段探空测风数据,MWPR整层的水平风速均偏小,低模态时有34.4%的数据位于偏小2.0~6.0 m·s^-1区间内;风向偏差超过±15°以上的水平风向数据占比为48.9%。（3）定性分析结果显示,MWPR探测到的垂直速度的指向性是合理的。雨强较大时,MWPR探测的垂直速度实际上是降水粒子的下降速度与大气湍流速度之和。MWPR的水平风数据在台风天、雪天等大气均一性强的时段内可靠性高。总体上,上海宝山MWPR的探测性能基本能满足日常监测服务之需,但其测风精度与业务准入标准相比尚有一定差距。

     

干侵入对我国东部一次强飑线过程的作用分析

利用常规观测资料、地面加密观测资料和多普勒雷达等多种资料,分析2018年5月27日广西飑线过程的天气背景、环境条件、发展机制及大风的成因,结果表明：500 hPa冷舌叠加低层暖脊建立了较强的层结不稳定结构,同时环境具有较大的对流有效位能,为飑线的生成和发展提供有利的环境条件;广西沿海中尺度辐合线是导致此次飑线系统初始对流形成的触发机制;飑线低层暖湿入流到风暴顶形成辐散,中层后侧干冷空气入流使得飑线内下沉气流加强,下沉气流出流在风暴前侧形成辐合,触发新的对流,以及入流和出流错开形成飑线系统的自组织结构,使得飑线在弱垂直风切变条件下发展维持;近地面冷池的合并加强,造成的冷池密度流是大风形成的主要原因。

     

高阶交错网格有限差分弹性波场模拟的精度分析

交错网格波场数值模拟是目前地震正演中广泛使用的方法,为对比分析不同阶数的差分格式下产生的计算效率和精度差异,重新推导了弹性波方程的4种时间4阶、空间2N阶的差分公式及系数,并计算了他们的稳定性条件。利用这4种差分格式进行弹性波场数值模拟,对比分析了波场快照、合成地震记录及CPU时间。结果表明：时间4阶、空间6+6阶精度的交错网格有限差分方法在进行地震波场数值模拟时具有较高的计算精度和计算效率。     

对瞬变电磁测深几个问题的思考(一)——瞬变电磁测深中偶极子源及其转换

偶极子源是电磁法研究的基本对象,是构成更复杂探测装置与资料解释的前提,也是电磁法勘探技术开发与创新的理论基础。从偶极子源的概念出发,导出了均匀大地表面上的主要偶极子源瞬变电磁场公式,并指明正垂直阶跃脉冲与负垂直阶跃脉冲激发的瞬变电磁场公式的异同,以加深认识。举例说明了相应于电性源与磁性源的场分量可根据电磁场的互易定理相互转换,便捷推导公式。重点阐述了由偶极子源的场强公式运用叠加原理可衍生更复杂的电磁场公式,诸如大回线源及其任意一点的瞬变电磁场公式,盘活了瞬变场的应用。     

阿尔金山东段河道陡峭指数对区域隆升差异的响应

阿尔金山东段是青藏高原北部边界带的重要组成部分,其构造活动特征及隆升信息是研究青藏高原隆升机制的重要内容。随着地貌学的深入研究,河道陡峭指数作为一种地貌参数可以对区域构造隆升有较好反映。本文提取了阿尔金山东段地区自西向东5个亚区域（A、B、C、D和E）的16条河道陡峭指数剖面,并利用数理统计学方法对其进行统计分析,揭示该区域的构造活动特征。研究表明,这5个亚区域区内的河道陡峭指数均值分别为70.93、139.03、108.85、134.44和165.39,整体表现出河道陡峭指数从西到东逐渐增大趋势;通过对区内地层、降雨量及河道负载程度、基岩隆升等因素的分析,认为区内河道陡峭指数主要受到基岩隆升影响,而上述其他因素影响有限。各亚区域间河道陡峭指数的变化反映了区域内隆升活动性的差异性：阿尔金山东段隆升活动性整体为北高南低、东高西低特征,山脉北部主要承接来自青藏高原内部挤压应力,而东西方向上存在阿尔金构造带与祁连构造带衔接部位,断层性质由近东西向水平走滑逐渐转换为北东向的挤压逆冲,存在明显应力调整与转换。