三维交错网格有限差分地震波模拟的GPU集群实现

有限差分实现简单、速度快,作为地震波场模拟一种有效数值方法,被广泛用于正演计算密集的波形反演和逆时偏移中.三维地震波正演模拟计算量大,一直以来制约着三维叠前逆时偏移和反演的工业化应用,GPU通用计算技术的产生及其内在的数据并行性有望改变这一现状.本文通过分析三维交错网格有限差分方法在GPU上的实施,利用片内共享存储器实现了三维地震波数值模拟的高效算法,取得了较单核CPU快79x～108x的加速比;通过区域分解技术将单GPU上不能计算的地质体模型沿Z轴方向进行粗粒度分解,采用消息传递接口交换边界数据,运用MPI+CUDA的方式实现了大尺度三维地震波场模拟,并着重分析了影响GPU并行计算效率的一些关键因素.大尺度三维地震波场模拟的加速实现,为促进叠前逆时偏移和波形反演技术的工业化转化提供了可能,因此具有重要的研究意义.     

基于辛格式奇异核褶积微分算子的地震标量波场模拟

本文在对地震波场进行模拟时,采用辛差分格式对波动方程进行时间离散,采用奇异核褶积微分算子对波动方程进行空间离散.该方法尽管增加了一些计算量,但提高了计算精度和稳定性;相对于其他非辛算法,它是全局保结构的,并且具有较强的长时间跟踪能力.该方法为解决大尺度、长时程地震波场的高精度模拟问题提供了一种新的、有效的选择.     

最优化广义离散Shannon奇异核交错网格褶积微分算子地震波场模拟

笔者基于离散Shannon奇异核褶积微分算子(GDSCD)计算地震波速度应力方程的空间导数,推导了一阶GDSCD的具体形式,并提出了优化方法,即在频率域逼近平面波的真实导数,得到了不同半径和采样下限的最优窗函数系数,通过滤波响应分析算子精度,与多种数值方法对比以及模型测试表明,笔者构造的最优化GDSCD模拟地震波具有较高的计算效率和精度.     

Numerical simulation of seismic wave propagation in complex media by convolutional differentiator

We apply the forward modeling algorithm constituted by the convolutional Forsyte polynomial differentiator pro-posed by former worker to seismic wave simulation of complex heterogeneous media and compare the efficiency and accuracy between this method and other seismic simulation methods such as finite difference and pseudospec-tral method. Numerical experiments demonstrate that the algorithm constituted by convolutional Forsyte polyno-mial differentiator has high efficiency and accuracy and needs less computational resources, so it is a numerical modeling method with much potential.     

地震波传播的褶积微分算子法数值模拟

为了解决地震波场数值模拟中的速度与精度的匹配及局部信息与全局信息的耦合等问题, 该文借助新推出的基于Forsyte广义正交多项式的褶积微分算子, 将计算数学中的Forsyte多项式褶积微分算子应用到地震波传播的数值模拟中.复杂非均匀介质模型数值模拟结果说明了该方法的可行性和优越性.该方法同时具有广义正交多项式褶积微分算子的高精度和有限差分短算子算法的高速度.通过对算子长度的调节及算子系数的优化, 可同时兼顾波场解的全局信息与局部信息.      

台风疑难路径的理论探讨

本文通过尺度分析得到稳态台风在移动坐标系中的简化动力模式,从而得到台风平均移动的一维非线性控制方程,并对此方程进行解释分析,得到了平衡点及其稳定性特征和跨临界分叉特征。指出,在台风周围流场较弱时,台风原地打转和出现“疑难路径”是由台风本身固有的动力特性决定的。      

台风动力模式的解析解及台风形成和维持的动力机制(二)

本文是文献[1]的继续。采用轴对称的动力方程组对台风中层对流层和边界层两个区域求得解析解,利用得到的结果讨论了台风形成和维持的动力机制;在边界层采用海气耦合方程组计算发现,高海温中心区有利于台风边界层低压扰动的加深。      

一种飓风数值预报的初值化方法

本文使用具有Gallelean变换和详细动量、热量垂直输送通量描述的飓风动力方程组,由切向风速得到垂直运动场、加热场等,结果表明了垂直运动场和加热场具有明显的螺旋雨带特征,温度场有暖心结构及其位势高度场具有深低压特征,这些特征和实际观测结果相吻合。这个方法为飓风数值预报初始场提供了可行的方法。 用数值方法预报飓风的发生发展和路经及降水分布是飓风研究的一种主要方法。但是,对于数值预报飓风的初始场的确定仍是一个没有彻底解决的问题。在过去的初始场处理中,大致分几种,一种是初始场全部采用理想化的低压扰动,另一种则是用实际资料得到环境流场然后再加上一个理想化的     

热岛效应强迫下的中尺度环流的动力特征及极限风速的一种解析表达

本文采用考虑热岛造成的局地热力扭动的Boussinesq二维垂直剖面的动力方程组,利用高截断谱方法,得到一类稳定的中尺度非线性平衡态和极限风速的解析表达,证明了局地中尺度环流是热岛造成的局地热力扰动和平流非线性共同作用的结果;并进一步讨论了热岛强迫下的这类局地环流的某些动力特征。     

凝结潜热释放和地表热通量对一次飑线过程的影响

针对2013年7月4—5日一次产生大风、短时强降水强对流天气的飑线过程进行数值试验,研究了凝结潜热释放和地表热通量在中尺度对流系统的发生发展过程中的影响。结果表明:(1)凝结潜热释放对飑线系统有重要的作用,对飑线发展维持、移动及成熟阶段的垂直结构都有着一定影响。(2)当飑线系统进入成熟阶段后,小尺度的积云对流中的凝结加热作用于中高层大气,加强了高层辐散低层辐合的配置,而对流系统内垂直上升运动的加强又导致凝结加热作用更强。(3)凝结加热作用极大地促进了飑线的低层入流、高层出流的垂直结构,以及系统前方中层入流和高层出流之间形成的间接垂直反环流,促进高空动能下传的同时,使系统前方对流不稳定性增加,新的对流单体易于触发。(4)潜热释放间接增强了对流内部的冷性下沉气流,进而加强了低层的阵风锋,使得新的对流单体能在飑锋处触发,飑线以新老对流单体交替的方式向前移动。(5)在高低空急流的垂直耦合促进飑线发展的同时,成熟阶段飑线中较强的凝结加热对高低层急流有反馈作用,一定程度上增强了这种垂直耦合。(6)地表感热、潜热通量等边界层非绝热过程在对流系统的触发和发展中起到了较为重要的作用。地表热通量在白天加强了对流边界层的湍流混合作用,由此产生的特征维持到了夜间,形成了适合飑线触发的层结条件。另外,在对流形成之前,与地表潜热通量相关的边界层加湿作用为对流的爆发贮存了丰富的水汽和不稳定能量。