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不确定条件下地震波传播的多级蒙特卡罗加速度。 (英语) Zbl 1431.86001号

小结:我们通过将模型参数视为随机变量来解释地震波传播模型中的不确定性,并应用多级蒙特卡罗方法来降低近似所选物理相关感兴趣量(QoI)相对于随机变量的预期值的成本。针对震源反演问题,其中地震源是根据地球表面的地面运动记录推断出来的,我们考虑两个QoI来测量计算的地震信号和给定参考信号之间的差异:一个QoI\({mathscr{Q}}_E\)是根据\(L^2 \)-失配定义的,这与源参数的最大似然估计直接相关;另一种是({mathscr{Q}}_W),它基于概率分布之间的二次Wasserstein距离,代表了近年来在解决地震反演中越来越流行的一类失配函数中的一种可能选择。我们基于谱元方法,使用广泛使用的公开可用代码模拟地震波传播,包括地震衰减。使用随机系数和确定性初始和边界数据,我们在二维物理域和一维速度模型中使用合成数据进行了基准数值实验,其中假设的参数不确定性由真实地球模型驱动。在这里,使用相关的公差范围,标准蒙特卡罗方法的计算成本为({mathscr{Q}}_E)减少了高达\(97\%),为({mathscr{Q}}_W)减少了多达\(78\%)。转移到三维域是直接的,将进一步增加相对计算工作量的减少。

MSC公司:

86-08 地球物理问题的计算方法
86甲15 地震学(包括海啸建模)、地震
65二氧化碳 蒙特卡罗方法
60华氏30 随机分析的应用(PDE等)
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参考文献:

[1] Aki,K.,Richards,P.G.:《定量地震学:理论和方法》,第2版。大学科学图书,索萨利托(2002)
[2] Albaric,J。;佩罗,J。;Déverchère,J。;德尚,A。;加尔,BL;斐迪南,R。;佩蒂特,C。;蒂贝里,C。;苏,C。;Songo,M.,《东非坦桑尼亚北部分流区浅层和深层地震序列的孕震和流变行为对比》。非洲期刊。地球科学。,58, 799-811 (2010) ·doi:10.1016/j.jafrearsci.2009.09.005
[3] Berenger,JP,用于吸收电磁波的完美匹配层,J.Compute。物理。,114, 185-200 (1994) ·Zbl 0814.65129号 ·文件编号:10.1006/jcph.1994.1159
[4] 比西里,PG;福尔摩斯,CC;Walker,SG,更新信念分布的一般框架,J.R.Stat.Soc.Ser。B统计方法。,78, 1103-1130 (2016) ·Zbl 1414.62039号 ·doi:10.1111/rssb.12158
[5] 布兰科·E。;Komatitsch,D。;查尔朱布,E。;伦巴第,B。;Xie,Z.,齐纳粘弹性模型的高精度保稳优化,应用于强衰减条件下的波传播,Geophys。《国际期刊》,205,427-439(2016)·doi:10.1093/gji/ggw024
[6] 布朗,TS;杜,S。;Eruslu,H。;Sayas,F-J,粘弹性波传播模型分析,应用。数学。非线性科学。,3, 55-96 (2018) ·Zbl 1524.35072号 ·doi:10.21042/AMNS.2018.1.00006
[7] Carcione,J.M.:真实媒体中的波场;各向异性、非弹性、多孔和电磁介质中的波传播,第3版。Elsevier Science,阿姆斯特丹(2014)
[8] 卡乔内,JM;Kosloff,D。;Kosloff,R.,线性粘弹性介质中的波传播模拟,Geophys。J.,95,597-611(1988)·Zbl 0659.73031号 ·doi:10.1111/j.1365-246X.1988.tb06706.x
[9] 科利尔,N。;阿拉巴马州哈吉·阿利;Nobile,F。;Schwerin,E。;Tempone,R.,一种连续多层蒙特卡罗算法,BIT-Numer。数学。,55, 399-432 (2015) ·Zbl 1317.65030号 ·doi:10.1007/s10543-014-0511-3
[10] 克鲁兹·吉梅内斯,H。;李·G。;Mai,项目经理;Hoteit,I。;Knio,OM,利用多项式混沌展开对地震破裂模型进行贝叶斯推断,地质学。模型开发,113071-3088(2018)·doi:10.5194/gmd-11-3071-2018年
[11] Dahlen,F.A.,Tromp,J.:《理论全球地震学》,第二版。普林斯顿大学出版社,普林斯顿(1998)
[12] 埃默里奇,H。;Korn,M.,将衰减纳入地震波场的时域计算,地球物理学,52,1252-1264(1987)·数字对象标识代码:10.1190/1.1442386
[13] Engquist,B。;Hamfeldt,B.,Wasserstein度量在地震信号中的应用,Commun。数学。科学。,12, 979-988 (2014) ·Zbl 1305.86006号 ·doi:10.4310/CMS.2014.v12.n5.a7
[14] Engquist,B。;弗罗泽,BD;Yang,Y.,地震全波形反演的最佳传输,Commun。数学。科学。,14, 2309-2330 (2016) ·Zbl 1353.49049号 ·doi:10.4310/CMS.2016.v14.n8.a9
[15] Giles,MB,多级蒙特卡罗路径模拟,Oper。研究,56,607-617(2008)·Zbl 1167.65316号 ·doi:10.1287/opre.1070.496
[16] Giles,MB,多层蒙特卡罗方法,数值学报。,24, 259-328 (2015) ·Zbl 1316.65010号 ·doi:10.1017/S096249291500001X
[17] 阿拉巴马州哈吉·阿利;Nobile,F。;Schwerin,E。;Tempone,R.,《多级蒙特卡罗采样器中网格层次的优化》,斯托克。部分差异。等于。分析。计算。,4, 76-112 (2016) ·兹比尔1359.65013 ·doi:10.1007/s40072-015-0049-7
[18] Heinrich,Stefan,多层蒙特卡罗方法,58-67(2001),柏林,海德堡·Zbl 1031.65005号 ·doi:10.1007/3-540-45346-65
[19] Hoel,H。;Krumscheid,S.,多层蒙特卡罗方法的中心极限定理(2018),J Complex。(2019) ·Zbl 1429.65008号 ·doi:10.1016/j.jco.2019.05.001
[20] Hughes,T.J.R.:有限元法:线性静态和动态有限元分析。多佛土木和机械工程,第二版。多佛出版公司,Mineola(2000)·Zbl 1191.74002号
[21] Komatitsch,D。;Tromp,J.,三维地震波传播谱元法简介,地球物理。《国际期刊》,139806-822(1999)·doi:10.1046/j.1365-246x.1999.00967.x
[22] Komatitsch,D。;Tromp,J.,二阶地震波方程的完美匹配层吸收边界条件,Geophys。《国际期刊》,154146-153(2003)·doi:10.1046/j.1365-246X.2003.01950.x
[23] Komatitsch,D。;Vilotte,JP,《谱元法:模拟二维和三维地质结构地震响应的有效工具》,Bull。地震波。《美国社会》,88,368-392(1998)·Zbl 0974.74583号 ·doi:10.190/1.182185
[24] Komatitsch,D.,Vilotte,J.P.,Cristini,P.,Labarta,J.,Le Goff,N.,Le-Loher,P..,Liu,Q.,Martin,R.,Matzen,R.、Morency,C.,Peter,D.,Tape,C.,Tromp,J.、Xie,Z.:Specfem2d v7.0.0[软件](2012)。GitHub存储库。https://github.com/geodynamics/specfem2d。2017年10月25日访问
[25] Kortas,S.:decimate v0.9.5[软件](2018)。GitHub存储库。https://github.com/KAUST-KSL/decimate。2018年10月2日访问
[26] Lions,J.L.,Magenes,E.:非齐次边值问题及其应用,第一卷,Springer,Berlin(1972a)·Zbl 0223.35039号 ·数字对象标识代码:10.1007/978-3-642-65217-2
[27] Lions,J.L.,Magenes,E.:非齐次边值问题和应用,第二卷。柏林施普林格(1972b)·Zbl 0223.35039号 ·数字对象标识代码:10.1007/978-3-642-65217-2
[28] 刘,惠普;DL安德森;Kanamori,H.,滞弹性引起的速度色散:地震学和地幔成分的影响,地球物理。J.R.阿斯顿。《社会学杂志》,47,41-58(1976)·doi:10.1111/j.1365-246x.1976.tb01261.x
[29] Liu,J.,Chauris,H.,Calandra,H.:归一化积分法——全波形反演的替代方法?2011年EAGE/NSGD第25届地球物理应用于工程和环境问题研讨会。美国(2012年)。https://doi.org/10.4133/14721678
[30] 莫佐,P。;JO罗伯逊;艾斯纳,L.,地震波传播建模的时域有限差分法,高级地球物理。,48, 421-516 (2007) ·doi:10.1016/S0065-2687(06)48008-0
[31] Motamed,M.,Appelö,D.:Wasserstein度量驱动的贝叶斯反演及其在波传播问题中的应用(2018)。arXiv:1807.09682[数学.NA]·Zbl 1382.65022号
[32] 莫塔米德,M。;Nobile,F。;Tempone,R.,具有间断随机速度的二阶波动方程的随机配置方法,Numer。马瑟。,123, 493-536 (2013) ·Zbl 1268.65008号 ·doi:10.1007/s00211-012-0493-5
[33] Métiver,L。;Allain,A。;布罗西耶,R。;梅里戈,Q。;Oudet,E。;Virieux,J.,全波形反演中缓解周期跳跃的最佳传输:图空间变换方法,地球物理学,83,r515-r540(2018)·doi:10.1190/geo2017-0807.1
[34] Roecker,S。;埃宾格,C。;蒂贝里,C。;Mulibo,G。;费迪南德·温布拉(Ferdinand-Wambura),R。;Mtelela,K。;Kianji,G。;Muzuka,A。;戈蒂埃,S。;Albaric,J。;Peyrat,S.,非洲东部裂谷的地下图像,来自体波、表面波和重力的联合反演:研究流体在早期大陆裂谷作用中的作用,地球物理学。《国际期刊》,210,931-950(2017)·doi:10.1093/gji/ggx220
[35] Tromp,J。;Komatitsch,D。;刘强,地震谱元和伴随方法,通讯社。计算。物理。,3, 1-32 (2008) ·Zbl 1183.74320号
[36] Virieux,J.,P-SV波在非均匀介质中的传播:速度-应力有限差分法,地球物理学,51,889-901(1986)·数字对象标识代码:10.1190/1.1442147
[37] 谢,Z。;Komatitsch,D。;马丁·R。;Matzen,R.,使用数值稳定的有限元PML,Geophys改进了前向波传播和基于伴随的灵敏度核计算。《国际期刊》,1981714-1747(2014)·doi:10.1093吉/吉/古219
[38] 谢,Z。;Matzen,R。;克里斯蒂尼,P。;Komatitsch,D。;Martin,R.,《流体-固体问题的完美匹配层:固体海底海洋声学模拟应用》,J.Acoust。《美国社会》,140,165-175(2016)·doi:10.1121/1.4954736
[39] 杨,Y。;Engquist,B.,全波形反演中的最佳传输和相关失配函数分析,地球物理学,83,a7-a12(2018)·doi:10.1190/geo2017-0264.1
[40] 杨,Y。;Engquist,B。;Sun,J。;Hamfeldt,BF,最佳传输和二次Wasserstein度量在全波形反演中的应用,地球物理学,83,r43-r62(2018)·doi:10.1190/geo2016-0663.1
[41] Zhang,C.H.,Xie,Z.,Komatitsch,D.,Cristini,P.,Matzen,R.:重新审视时域地震波传播流变模型中的1/L问题。收录:勘探地球物理学家协会,3955-3959(2016)。https://doi.org/10.1190/segam2016-13964889.1
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