This paper briefly reviews the history of the Korean geophysics and analyze the current status of geophysical researches. And the future prospects of geophysics are discussed based on social demands for the science and technology in Korea. About thirty universities offer geophysics courses in their academic curricula. Although the number of Ph.D. graduates in geophysics had been small until the year of 1990, but is rapidly increasing. In recent years about $7{\sim}8$ Ph.D's are produced every year. The major geophysical methods used in Ph.D. theses are seismic, electrical and electromagnetic methods, and earthquake waves and research themes are computational geophysics, which involve data processing, modelling, inversion and tomography, geological structures, and paleomagnetic studies in the order of numbers. The Solid Earth Geophysics is generally distinguished in two categories such as "Global Geophysics" and "Exploration Geophysics". However, they are intimately connected, and overlap in many sectors, especially in large scale research projects. The global geophysics has a more academic and general scientific meaning, and several research groups in Korean universities are carrying out the earthquake seismology and paleomagnetic studies. On the other hand the exploration geophysics focuses on practical application of geophysical concepts, and the public research institutes conduct large projects for exploration of energy and mineral resources and to cope with environmental and natural disaster problems. The geophysical studies for local geology and regional crustal structure utilize various survey methods and usually cover both academic and exploration purposes. The computational geophysics constitutes the indispensable theoretical backgrounds for all geophysical sectors. Many young Korean geophysicists, who have strong background in mathematics and physics, devote to the computational geophysics and several groups have made the internationally highest level achievements. But, Korean geophysicists have to expand their research interests to include more global-scale, high-tech researches and collaborative works with various other science groups.
Proceedings of the International Union of Geodesy And Geophysics Korea Journal of Geophysical Research Conference
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2003.05a
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pp.18-18
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2003
Three-dimensional finite-difference simulation of earthquake ground motion is performed using a locally variable time-step (LVTS) scheme matching with discontinuous grids. Discontinuous grids in three directions and extension of the discontinuous grids' boundary to the free-surface in the LVTS scheme minimize the cost of both the computational memory and the CPU time for models like the localized sedimentary basin. A simplified model of sedimentary basin is dealt to show the feasibility and efficiency of the LVTS scheme. The basin parameters are examined to understand the main characteristics on ground-motion response in the basin. The results show that the seismic energy is concentrated on a marginal area of the basin far from the source. This focusing effect is mainly due to the constructive interference of the direct S-wave with the basin-edge induced surface waves. The ground-motion amplification over the deepest part of the basin is relatively lower than that above the shallow basin edge. Therefore the ground-motion amplification may be more related to the source azimuth or the direction of the incident waves into the basin rather than the depth of it.
We present a method for modelling the terrain response of gravity gradiometry surveys utilising an adaptive quadtree mesh discretization. The data- and terrain-dependent method is tailored to provide rapid and accurate terrain corrections for draped and barometric airborne surveys. The surface used in the modelling of the terrain effect for each datum is discretized automatically to the largest cell size that will yield the desired accuracy, resulting in much faster modelling than full-resolution calculations. The largest cell sizes within the model occur in areas of minimal terrain variation and at large distances away from the datum location. We show synthetic and field examples for proof of concept. In the presented field example, the adaptive quadtree method reduces the computational cost by performing 351 times fewer calculations than the full model would require while retaining an accuracy of one E$\"{o}$tv$\"{o}$s for the gradient data. The method is also used for the terrain correction of the gravity field and performed 310 times faster compared with a calculation of the full digital elevation model.
As the execution speed of Python is slower than those of other programming languages (e.g., C, C++, and FORTRAN), Python is not considered to be efficient for writing numerical geodynamic code that requires numerous iterations. Recently, many computational techniques, such as the Just-In-Time (JIT) compiler, have been developed to enhance the calculation speed of Python. Here, we developed two-dimensional (2D) numerical geodynamic code that was optimized for the JIT compiler, based on Python. Our code simulates mantle convection by combining the Particle-In-Cell (PIC) scheme and the finite element method (FEM), which are both commonly used in geodynamic modeling. We benchmarked well-known mantle convection problems to evaluate the reliability of our code, which confirmed that the root mean square velocity and Nusselt number obtained from our numerical modeling were consistent with those of the mantle convection problems. The matrix assembly and PIC processes in our code, when run with the JIT compiler, successfully achieved a speed-up 30× and 258× faster than without the JIT compiler, respectively. Our Python-based FEM-PIC code shows the high potential of Python for geodynamic modeling cases that require complex computations.
Frequency-space domain full-wave tomography is a promising technique for delineating detailed subsurface structure with high resolution. However, this method requires criteria for the selection of a set of optimal temporal frequency components, to achieve stability in the sequence of inversion processes together with computational efficiency. We propose a method of selecting optimal temporal frequencies, based on wavenumber continuity. The proposed method is tested numerically and is shown to be able to select an optimal set of frequency components that are sufficient to image the anomalies.
The first-arrival traveltime calculation method based on the damped wave equation overcomes the shortcomings of ray-tracing methods. Since this algorithm needs to solve the damped wave equation, numerical modeling is essential. However, it is not desirable to use the finite-difference method (FDM), which has good computational efficiency, for simulating the land seismic data because of irregular topography. Thus, the finite-element method (FEM) which requires higher computational cost than FDM has been used to correctly describe the irregular topography. In this study, we computed first-arrival traveltimes in an irregular topographic model using FDM incorporating embedded boundary method (EBM) to overcome this problem. To verify the accuracy and efficiency of the proposed algorithm, we compared our results with those of FEM. As a result, the proposed method using EBM not only provided the same accuracy as the FEM but also showed the improved computational efficiency.
An efficient algorithm for inverting static-shifted magnetotelluric (MT) data has been proposed to produce a three-dimensional (3D) resistivity model. In the Gauss-Newton approach, computational costs associated with construction of a full sensitivity matrix usually make 3D MT inversion impractical. This computational difficulty may be overcome by using approximate sensitivities. We use four kinds of sensitivities in particular orders in the inversion process. These sensitivities are computed 1) analytically for an initial, homogeneous earth, 2) exactly for a current model, 3) approximately by the Broyden method, and 4) approximately using the previous adjoint fields. Inversion experiments with static-shifted synthetic and field MT data indicate that inversion results are highly dependent on characteristics of data and thus applying various combinations of sensitivities is helpful in obtaining a good image of the subsurface structure with reasonable computation time.
In this paper, we studied efficient modeling strategies when we simulate the 3D time-domain acoustic wave propagation using a cell-based finite difference method which can handle the variations of both P-wave velocity and density. The standard finite difference method assigns physical properties such as velocities of elastic waves and density to grid points; on the other hand, the cell-based finite difference method assigns physical properties to cells between grid points. The cell-based finite difference method uses average physical properties of adjacent cells to calculate the finite difference equation centered at a grid point. This feature increases the computational cost of the cell-based finite difference method compared to the standard finite different method. In this study, we used additional memory to mitigate the computational overburden and thus reduced the calculation time by more than 30 %. Furthermore, we were able to enhance the performance of the modeling on several media with limited density variations by using the cell-based and standard finite difference methods together.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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