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非局部Fokker-Planck方程及其在泥沙补给项目概率评估中的应用。 (英语) 兹比尔1515.60228

小结:我们从随机的角度分析了一个新的数学模型,以评估最近基于沉积物的环境恢复项目的性能及其应用。我们专注于独特的跳跃驱动的非光滑动力学,该动力学控制着水流和沉积物的储存,受人类冲动干预以补充沉积物的影响。我们推导了一个非局部Fokker-Planck方程(FPE),该方程控制着河流-泥沙耦合动力学的概率密度,是一个受非光滑系数和非局部边界条件约束的唯一双曲型积分-偏微分方程。它接受有测量值的解决方案。我们提出了一种简单的FPE保守离散化方法,并用蒙特卡罗模拟进行了验证。由于非光滑性和非局部性,沿边界的平稳概率密度是奇异的,该数值格式有效地捕捉到了这一点。基于公共数据和实验数据,我们最终将该模型应用于从有害藻类水华的角度对补水策略进行数值评估。

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60小时10分 随机常微分方程(随机分析方面)
6500万08 含偏微分方程初值和初边值问题的有限体积法
82立方31 随机方法(福克-普朗克、朗之万等)应用于含时统计力学问题
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参考文献:

[1] Akdim,K。;Ez-zetouni,A。;Danane,J。;Allali,K.,由Lévy噪声驱动的具有溶血和非溶血免疫反应的随机病毒感染模型,Phys A,549,124367(2020)·Zbl 07572698号 ·doi:10.1016/j.physa.200.124367
[2] 安·R。;刘,P。;冯,M。;Cheng,L。;姚,M。;Wang,Y。;Li,X.,从随机角度分析供水、发电和环境系统之间的关系,《环境管理杂志》,289,112513(2021)·doi:10.1016/j.jenvman.2021.112513
[3] Ancey,C.,《推移质运移:在随机性和确定性之间徘徊》。第2部分。《挑战与前景》,《水利研究杂志》,58,1,18-33(2020)·doi:10.1080/00221686.2019.1702595
[4] Bartels,GK;新墨西哥州,dos Reis Castro;领,GL;Fan,FM,混合基岩-冲积河道环境中推移质输运方程的性能,CATENA,199,105108(2021)·doi:10.1016/j.catena.2020.105108
[5] 巴索,S。;拉扎罗,G。;博沃,M。;苏尔斯比,C。;Botter,G.,《小型径流式水电站中的水力发电-生态系统关系:优化设计和政策》,《应用能源》,280115936(2020)·doi:10.1016/j.apenergy.2020.115936
[6] Bau V、Borthwick AG、Perona P(2021)植物根系对河流漫滩扰动的恢复力。Geophys Res Lett e2021GL092388。doi:10.1029/2021GL092388
[7] Bensoussan,A。;Turi,J.,与弹塑性振子不变测度相关的退化Dirichlet问题,应用数学Optim,58,1,1-27(2008)·Zbl 1168.60029号 ·doi:10.1007/s00245-007-9027-4
[8] 巴塔查里亚,D。;Reza,A。;Guha,S。;Singh,RN,噪声诱导系统中植被生长的稳定性,地球系统科学杂志,130,1,1-10(2021)·doi:10.5194/esd-9-999-2018年
[9] Biggs,BJ,用周生硅藻的相对比生长率评估溪流的富集,N Z J Mar Freshw Res,24,1,9-18(1990)·doi:10.1080/00288330.1990.9516398
[10] Botter G、Porporato A、Rodriguez-Iturbe I、Rinaldo A(2009年),非线性储流量关系和集水区径流制度。水资源研究45(10)。doi:10.1029/2008WR007658
[11] Breitenbach,T。;阿农齐亚托,M。;Borzí,A.,关于带跳跃和障碍的随机行走的最优控制,Methodol Comput Appl Probab,20,1435-462(2018)·Zbl 1387.93183号 ·doi:10.1007/s11009-017-9565-4
[12] Brousse,G。;Liébault,F。;Arnaud-Fassetta,G。;布莱尔,B。;Tacon,S.,《辫状河修复中的砾石补给和主动河道拓宽:德拉克河上游案例(法国)》,《科学总环境》,766142517(2021)·doi:10.1016/j.scitotenv.2020.142517
[13] Calvani,G。;佩罗纳,P。;Zen,S。;Solari,L.,《水流导致植被连根拔起的重现期》,《水文杂志》,578124103(2019)·doi:10.1016/j.jhydrol.2019.124103
[14] 奇里勒,A。;马林,M。;Øchsner,A.,微分方程的分布理论(2021),Cham:Springer,Cham·Zbl 1477.46001号 ·doi:10.1007/978-3-030-67159-4
[15] Chow,VT,《开放式液压系统》(2009),美国:美国布莱克本出版社
[16] 迪马特奥,A。;Di Paola,M。;Pirrotta,A.,参数泊松白噪声输入下非线性系统的路径积分解,Prob Eng Mech,44,89-98(2016)·doi:10.1016/j.probengmech.2015.09.020
[17] 马萨诸塞州多斯桑托斯;诺布尔,FD;EM Curado,《监控Lévy过程交叉》,Commun非线性科学数值模拟,92,105490(2021)·Zbl 1453.82073号 ·doi:10.1016/j.cnsns.2020.105490
[18] 德拉吉切维奇,亚利桑那州,《森林-综合平衡经济学》,《森林政策经济学》,120102300(2020)·doi:10.1016/j.forpol.020.102300
[19] Dralle,D。;北卡罗来纳州喀斯特。;米勒,M。;维科·G。;汤普森,SE,水文变量年际变化的随机建模,Geophys-Res-Lett,44,7285-7294(2017)·doi:10.1002/2017GL074139
[20] 法希米,M。;努里,K。;Torkzadeh,L.,随机癌症模型中的混沌,Phys a,545,123810(2020)·doi:10.1016/j.physa.2019.123810
[21] 法尔科内,M。;Kalise,D。;Pötzsche,C。;Heuberger,C.公司。;Kaltenbacher,B。;Rendl,F.,Hamilton-Jacobi-Isaacs方程的高阶半拉格朗日/有限体积格式,系统建模与优化。CSMO 2013。IFIP信息和通信技术进展(2014),柏林:施普林格,柏林·Zbl 1304.00054号 ·doi:10.1007/978-3-662-45504-3
[22] Fathian,F。;Fakheri-Fard,A。;瓦尔达,结核病;Y.丁巴索。;Nadoushani,SSM,使用VAR-MGARCH方法进行多个径流时间序列建模,Stoch Env Res风险A,33,2,407-425(2019)·doi:10.1007/s00477-019-01651-9
[23] 戈贝,E。;Lemor,JP;Warin,X.,求解反向随机微分方程的基于回归的蒙特卡罗方法,Ann Appl-Probab,15,322172-202(2005)·Zbl 1083.60047号 ·doi:10.1214/10505160500000412
[24] Grames,J。;格拉斯,D。;Kort,项目经理;Prskawetz,A.,《利用脉冲控制理论在洪水风险区内企业的最优投资和选址决策》,《欧洲中央运营研究杂志》,27,4,1051-1077(2019)·Zbl 07100446号 ·doi:10.1007/s10100-018-0532-0
[25] Guthrie,G.,《适应海平面上升:短期反应如何补充长期投资》,《环境资源经济》,78,4,635-668(2021)·doi:10.1007/s10640-021-00547-z
[26] Habel M、Szatten D、Babiñski Z、Nadolny G(2021)《流域泥沙管理:流域管理计划的基本要素》。波兰水资源质量,第263-295页。doi:10.1007/978-3-030-64892-3_12
[27] Haddadchi,A。;库钦斯基,A。;JT霍伊尔;基尔罗伊,C。;布克,DJ;Hicks,M.,由泥沙夹带阈值确定的附着生物清除流量,生态模型,434109263(2020)·doi:10.1016/j.ecolmodel.2020.109263
[28] 赫尔夫曼,L。;伯雷尔,ER;舒特,C。;Koltai,P.,《扩展过渡路径理论:周期驱动和有限时间动力学》,《非线性科学杂志》,30,6,3321-3366(2020)·Zbl 1475.82013年 ·doi:10.1007/s00332-020-09652-7
[29] 东矢野,M。;Stefan,HG,《河流和溪流耗氧量预测:随机方法》,《环境管理杂志》,203200-207(2017)·doi:10.1016/j.jenvman.2017.07.059
[30] 黄,JM;Z.金强。;张杰。;Mertz,L.,湍流热对流中流体-结构相互作用的随机动力学,《流体力学杂志》,854,R5(2018)·Zbl 1415.76312号 ·doi:10.1017/jfm.2018.683
[31] 亨特,BG;Elliott,TI,气候趋势,Clim Dyn,26,6,567-585(2006)·doi:10.1007/s00382-005-0102-8
[32] Ji,W.,关于具有Allee效应和环境扰动的人口模型,《应用数学计算杂志》,64,1,749-764(2020)·Zbl 1475.92129号 ·doi:10.1007/s12190-020-01377-w
[33] Jin,P。;Kremer,J。;Rüdiger,B.,仿射过程极限分布的存在性,数学分析应用杂志,486,2,123912(2020)·Zbl 1451.60084号 ·doi:10.1016/j.jmaa.2020.123912
[34] 卡塔诺,I。;根岸,JN;Minagawa,T。;Doi,H。;川口,Y。;Kayaba,Y.,泥沙补给对大坝下游河床环境和大型无脊椎动物群落的影响,科学代表,11,1,1-17(2021)·doi:10.1038/s41598-021-86278-z
[35] Kiouach D,Sabbar Y(2021)具有双重扰动的随机SIR传染病模型的动态特征。国际生物数学杂志。2150016.doi:10.1142/S1793524521500169·Zbl 1476.92045号
[36] 拉扎勒斯,ED;德国麦克纳马拉;Smith,医学博士;Gopalakrishnan,S。;Murray,AB,海滩营养经济与海岸线耦合模型中的应急行为,非线性过程地球物理,18,6,989-999(2011)·doi:10.5194/npg-18-989-2011年
[37] 拉扎罗,G。;苏尔斯比,C。;Tetzlaff,D。;Botter,G.,量化调节成年大西洋鲑鱼向产卵流迁移的水文阈值的概率方法,水资源研究,53,32264-2277(2017)·doi:10.1002/2016WR019244
[38] 李,S。;Guo,S.,带状态切换和Lévy跳跃的随机SIS流行病模型的持续性和灭绝,离散Cont-Dyn系统-B,26,9,5101-5134(2020)·Zbl 1475.92177号 ·doi:10.3934/dcdsb.2020335
[39] 李,PS;杨,X。;周,X.,一般连续状态非线性分支过程,Ann Appl Probab,29,4,2523-2555(2019)·兹伯利1466.60179 ·doi:10.1214/18-AAP1459
[40] 林,L。;Duan,J。;王,X。;Zhang,Y.,具有缓和稳定噪声的随机系统的非局部Fokker-Planck方程的动力学行为。《混沌:跨学科》,《非线性科学杂志》,31,5,051105(2021)·Zbl 1462.37060号 ·doi:10.1063/5.0048483
[41] Liu W,Wang S,Sang YF,Ran L,Ma Y(2021)大型上游水库运行对黄河下游河道横断面变化的影响。地貌107768。doi:10.1016/j.geomorph.2021.107768
[42] 马泰,J。;Mujumdar,PP,具有时间不可逆性的多站点日径流模拟,水资源研究,55,11,9334-9350(2019)·doi:10.1029/2019WR025058
[43] Mau,Y。;Porporato,A.,《土壤盐度和碱度的动力系统方法》,《Adv Water Resour》,83,68-76(2015)·doi:10.1016/j.advwatres.2015.05.010
[44] McGrath,G。;Rao,PSC;梅兰德,PE;I.肯尼迪。;Rose,M。;van Zwieten,L.,土壤中农药浓度的实时预测,《科学总环境》,663709-717(2019)·doi:10.1016/j.scitotenv.2019.01.401
[45] AJ Neverman;死亡,RG;富勒,IC;辛格,R。;Procter,JN,《走向机械水文极限:改善砾石河流沉积物运移和附着生物积累之间直接联系研究的文献综述》,Environ Manag,62,4,740-755(2018)·doi:10.1007/s00267-018-1070-1
[46] 帕达什,A。;切金,AV;Dybiec,B。;Magdziarz,M。;肖克里,B。;Metzler,R.,非对称Lévy航班的首次通过时间矩,J Phys A,53,27,275002(2020)·Zbl 1519.60049号 ·doi:10.1088/1751-8121/ab9030
[47] 巴拉扬戈达,LK;Ng,HKT;Butler,RW,降解过程首次通过时间的参数和非参数评估改进技术,Appl-Stoch模型总线工业,36,4,730-753(2020)·doi:10.1002/asmb2528
[48] 佩罗纳,P。;Crouzy,B.,《河床植被对水流连根拔起的恢复力》,《皇家科学院学报A:数学,物理与工程科学》,474,2211,20170547(2018)·doi:10.1098/rspa.2017.0547
[49] 加利福尼亚州普拉塔;古普塔,D。;Azaele,S.,《不对称随机重置:灾难事件建模》,《物理评论E》,102,5,052116(2020)·doi:10.10103/PhysRevE.102.052116
[50] Recking,A.,《计算到达平均河床输移的简单方法》,《水利工程杂志》,139,1,70-75(2013)·doi:10.1061/(ASCE)HY1943-7900.000653
[51] 里尔,ST;Stevenson,RJ,周生藻类对溪边介观中氮和磷梯度的响应,水生生物学,561,1,131-147(2006)·doi:10.1007/s10750-005-1610-6
[52] Risken,H.,《福克-普朗克方程》(1996),柏林:施普林格出版社,柏林·Zbl 0866.60071号 ·doi:10.1007/978-3-642-61544-3
[53] Salavati,E.,Yamada-Watanabe定理的扩展,数学方法应用科学,40,18,7022-7025(2017)·Zbl 1387.60093号 ·doi:10.1002/mma.4509
[54] 洛杉矶萨拉维亚;F.莫莫。;Lissin,LDB,《模拟流水中的附着生物动力学》,生态模型,114,1,35-47(1998)·doi:10.1016/S0304-3800(98)00113-6
[55] Sarkar,S。;Narang,A。;辛哈,斯洛伐克;Dutta,PS,随机性和社会规范对渔业复杂动态的影响,Phys Rev E,103,2022,401(2021)·doi:10.1103/PhysRevE.103.022401
[56] 佐佐木,T。;Furukawa,T。;Y.川崎。;塞托,M。;Mori,AS,《基于生态系统恢复力和生态阈值的生态系统管理观点》,《生态指数》,57,395-408(2015)·doi:10.1016/j.ecolind.2015.05.019
[57] 施密特,TS;康拉德,CP;米勒,JL;怀特洛克,SD;Stricker,CA,《氮和磷对底栖藻类(附生植物)生长速率的影响:水质模型的参数估计》,JAWRA,55,6,1479-1491(2019)·数字对象标识代码:10.1111/1752-1688.12797
[58] Settati,A。;拉鲁兹(A.Lahrouz)。;El Jarroudi,M。;El Jarroudi,M.,混合开关扩散动力学SIRS模型,应用数学计算杂志,52,1,101-123(2016)·Zbl 1366.60098号 ·doi:10.1007/s12190-015-0932-4
[59] Shrestha B、Cochrane TA、Caruso BS、Arias ME、Wild TB(2021)土地利用/土地覆盖变化不确定性下水库可持续性和成本影响的沉积物管理。水资源研究e2020 WR028351。doi:10.1029/2020WR028351
[60] Shu,CW,对流占优问题的高阶加权本质非振荡格式,SIAM Rev,51,1,82-126(2009)·Zbl 1160.65330号 ·doi:10.1137/070679065
[61] Shu Y,Feng Q,Kao EP,Coit DW,Liu H(2021)动态环境下跳跃退化的马尔可夫加性过程。导航Res Logist。doi:10.1002/nav.21982·Zbl 1523.60142号
[62] Singh M,Walker G(2021)碎片方程的有限体积法及其数学分析。数值算法。doi:10.1007/s11075-021-01122-9·Zbl 07456985号
[63] 医学博士史密斯;斯洛特,JM;麦克纳马拉,D。;Murray,AB,《海滩营养作为动态资本积累问题》,《环境经济管理杂志》,58,1,58-71(2009)·Zbl 1194.91149号 ·doi:10.1016/j.jeem.2008.07.011
[64] 斯托尔,J。;Bulirsch,R.,《数值分析导论》(1993),纽约:Springer,纽约·Zbl 0771.65002号 ·doi:10.1007/978-1-4757-2272-7
[65] 斯特拉卡·P(2018)。由连续时间随机游动导出的变阶分数阶Fokker-Planck方程。物理学A,503451-463。doi:10.1016/j.physa.2018.03.010·Zbl 1514.60114号
[66] Sun X,Duan J,Li X,Liu H,Wang X,Zheng Y(2017)乘性非高斯白噪声激励下随机系统Fokker-Planck方程的推导。数学分析应用杂志,446(1),786-800。doi:10.1016/j.jmaa.2016.09.010·Zbl 1373.60116号
[67] 托诺拉,D。;盖尔豪森,M。;Doering,M.,《瑞士西部近自然河(sense河)和水力调节河(Sarine河)前阿尔卑斯河漫滩70年水文地貌变化》,地球表面过程陆地,46,1,252-266(2021)·doi:10.1002/esp.5017
[68] Tsang,西南;Jim,CY,《优化屋顶绿化需求预测和实现的随机模型》,《城市森林-城市绿化》,第12期,第153-60页(2013年)·doi:10.1016/j.ufug.2012.10.002
[69] Vázquez-Tarrío,D。;Menéndez-Duarte,R.,《计量不足的山河推移质估算》,CATENA,204,105425(2021)·doi:10.1016/j.catena.2021.105425
[70] 韦西帕,R。;Camporeale,C.公司。;Ridolfi,L.,河岸带植被和地形之间噪声驱动的合作动力学,Geophys-Res-Lett,42,19,8021-8030(2015)·doi:10.1002/2015GL065688
[71] Viola F、Caracciolo D、Deidda R(2021),水文、社会和供水系统之间相互作用的建模。水文科学杂志doi:10.1080/02626667.2021.1909729
[72] 王,Z。;Fathollahzadeh Attar,N。;Khalili,K。;Behmanesh,J。;波段,SS;Mosavi,A。;Chau,KW,使用混合随机确定性方法进行月径流预测,用于节约型非线性时间序列建模,工程应用计算流体力学,14,1,1351-1372(2020)·doi:10.1080/19942060.2020.1830858
[73] 王,X。;尚伟。;李,X。;Duan,J。;Huang,Y.,非对称Lévy运动驱动的Fokker-Planck方程,高级计算数学,45,2787-811(2019)·Zbl 1415.65201号 ·doi:10.1007/s10444-018-9642-4
[74] 王,KK;Ye,H。;王,YJ;Li,SH,交叉相关乘性和加性噪声驱动的生态植被生长系统的时间延迟诱导动力学行为,欧洲物理杂志,41,5,60(2018)·doi:10.1140/epje/i2018-11668-9
[75] 徐,S。;陈,X。;刘,C。;Yue,X.,多水平遗传漂变问题的数值方法,SIAM J Numeri Ana,57,4,1770-1788(2019)·Zbl 1422.65193号 ·doi:10.1137/18M1211581
[76] 徐,S。;陈,M。;刘,C。;张,R。;Yue,X.,随机遗传漂变的不同数值方案行为,BIT数值数学,59,3,797-821(2019)·兹比尔1420.65091 ·文件编号:10.1007/s10543-019-00749-4
[77] Xu,Y。;Zan,W。;贾伟。;Kurths,J.,Lévy白噪声激发的SDE控制方程的路径积分解,计算物理杂志,394,41-55(2019)·Zbl 1452.65021号 ·doi:10.1016/j.jcp.2019.05.023
[78] Yoshioka,H.,随机干扰下两种物种竞争种群动态和种群依赖的环境容量,Theor Biosci,139,3,279-297(2020)·doi:10.1007/s12064-020-00321-7
[79] Yoshioka H(2021)大坝流量的随机控制。Wiley StatsRef:统计参考在线doi:10.1002/9781118445112stat08365
[80] Yoshioka,H.,《利用集群跳跃驱动的前向随机微分方程控制大坝和水库系统》,《先进控制应用》,4,2,e104(2022)·doi:10.1002/adc2.104
[81] Yoshioka,H。;Tsujimura,M.,Hamilton-Jacobi-bellman-Isaacs方程,在不确定的河流环境长期管理中的理性疏忽,《计算机数学应用》,112,23-54(2022)·Zbl 1524.92127号 ·doi:10.1016/j.camwa.2022.02.013
[82] Yoshioka,H。;津村,M。;Hamagami,K。;Yaegashi,Y。;Yoshioka,Y.,HJB和Fokker-Planck基于离散和随机观测的随机脉冲控制的河流环境管理方程,计算数学应用,96,131-154(2021)·Zbl 1524.92128号 ·doi:10.1016/j.camwa.2021.05.015
[83] Yoshioka,H。;津村,M。;Hamagami,K。;Yoshioka,Y.,带有离散和昂贵观测值的混合随机河流环境恢复建模,Optim Contr Appl Method,41,6,1964-1994(2020)·Zbl 1469.92140号 ·数字对象标识代码:10.1002/oca.2616
[84] Yoshioka,H。;Yaegashi,Y.,抑制下游有害藻类过度生长的大坝流量鲁棒随机控制模型,Appl-Stoch Model Bus Ind,34,3,338-354(2018)·Zbl 1408.93152号 ·doi:10.1002/asmb.2301
[85] Yoshioka,H。;Yaegashi,Y.,有害物种种群增长率控制问题及其在藻类水华中的应用,环境系统决策,40,1,107-124(2020)·doi:10.1007/s10669-019-09736-0
[86] Yoshioka,H。;Yaegashi,Y.,具有部分观测和执行延迟的非光滑动力学的随机脉冲控制:在环境恢复问题中的应用,最优控制应用方法,42,5,1226-1252(2021)·Zbl 1476.93165号 ·数字对象标识代码:10.1002/oca.2723
[87] Yoshioka H,Yoshioka Y(2021)河流流量时间序列的回火稳定Ornstein-Uhlenbeck模型及其在溶解硅负荷分析中的应用。IOP会议系列:地球与环境科学(第691卷,第1期,第012012页)。英国物理学会出版社
[88] 袁,S。;曾,Z。;Duan,J.,带α-稳定Lévy噪声的双时间尺度动力系统的随机分岔,J Statis Mech Theor Exp,2021,3033204(2021)·Zbl 1504.34145号 ·doi:10.1088/1742-5468/abde2
[89] Zhang,Y。;王,X。;黄,Q。;Duan,J。;Li,T.,带乘性α-稳定噪声随机动力系统Fokker-Planck方程的数值分析和应用,应用数学模型,87,711-730(2020)·Zbl 1481.65027号 ·doi:10.1016/j.apm.2020.06.031
[90] 张,H。;徐伟(Xu,W.)。;郭,Q。;Han,P。;Qiao,Y.,非高斯有色噪声驱动的时滞生态系统的首次逃逸概率和平均首次退出时间,混沌,孤子分形,135,109767(2020)·Zbl 1489.92207号 ·doi:10.1016/j.chaos.2020.109767
[91] 张,H。;徐伟(Xu,W.)。;Han,P。;乔,Y.,具有脉冲控制的双稳态植被模型的随机动态平衡,Phys a:Statis Mech Appl,556124809(2020)·Zbl 07529567号 ·doi:10.1016/j.physa.2020.124809
[92] 张,S。;张,T。;袁,S.,具有栖息地复杂性和猎物聚集的随机捕食-被捕食模型的动力学,生态综合体,45100889(2021)·doi:10.1016/j.ecocom.2020.100889
[93] Zhao,Y。;你,L。;Burkow,D。;Yuan,S.,污染环境中由Lévy跳跃驱动的随机近海带鱼渔业模型的最优捕捞策略,Nonlin Dyn,95,2,1529-1548(2019)·兹比尔1439.92209 ·doi:10.1007/s11071-018-4642-y
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