TY - JOUR A1 - Garofalo, F. A1 - Foti, S. A1 - Hollender, F. A1 - Bard, Pierre-Yves A1 - Cornou, C. A1 - Cox, B. R. A1 - Ohrnberger, Matthias A1 - Sicilia, D. A1 - Asten, M. A1 - Di Giulio, G. A1 - Forbriger, T. A1 - Guillier, B. A1 - Hayashi, K. A1 - Martin, A. A1 - Matsushima, Satoru A1 - Mercerat, D. A1 - Poggi, V. A1 - Yamanaka, H. T1 - InterPACIFIC project: Comparison of invasive and non-invasive methods for seismic site characterization. Part I: Intra-comparison of surface wave methods JF - Soil Dynamics and Earthquake Engineering N2 - The main scope of the InterPACIFIC (Intercomparison of methods for site parameter and velocity profile characterization) project is to assess the reliability of in-hole and surface-wave methods, used for estimating shear wave velocity. Three test-sites with different subsurface conditions were chosen: a soft soil, a stiff soil and a rock outcrop. This paper reports the surface-wave methods results. Specifically 14 teams of expert users analysed the same experimental surface-wave datasets, consisting of both passive and active data. Each team adopted their own strategy to retrieve the dispersion curve and the shear-wave velocity profile at each site. Despite different approaches, the dispersion curves are quite in agreement with each other. Conversely, the shear-wave velocity profiles show a certain variability that increases in correspondence of major stratigraphic interfaces. This larger variability is mainly due to non-uniqueness of the solution and lateral variability. As expected, the observed variability in V-s,V-30 estimatesis small, as solution non-uniqueness plays a limited role. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved. KW - Surface-wave methods KW - Dispersion curve KW - Inversion KW - V-s,V-30 KW - Site characterization KW - MASW KW - Microtremors KW - Rayleigh waves KW - Geophysical methods Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2015.12.010 SN - 0267-7261 SN - 1879-341X VL - 82 SP - 222 EP - 240 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Lontsi, Agostiny Marrios A1 - Ohrnberger, Matthias A1 - Krüger, Frank T1 - Shear wave velocity profile estimation by integrated analysis of active and passive seismic data from small aperture arrays JF - Journal of applied geophysics N2 - We present an integrated approach for deriving the 1D shear wave velocity (Vs) information at few tens to hundreds of meters down to the first strong impedance contrast in typical sedimentary environments. We use multiple small aperture seismic arrays in 1D and 2D configuration to record active and passive seismic surface wave data at two selected geotechnical sites in Germany (Horstwalde & Lobnitz). Standard methods for data processing include the Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) method that exploits the high frequency content in the active data and the sliding window frequency-wavenumber (f-k) as well as the spatial autocorrelation (SPAC) methods that exploit the low frequency content in passive seismic data. Applied individually, each of the passive methods might be influenced by any source directivity in the noise wavefield. The advantages of active shot data (known source location) and passive microtremor (low frequency content) recording may be combined using a correlation based approach applied to the passive data in the so called Interferometric Multichannel Analysis of Surface Waves (IMASW). In this study, we apply those methods to jointly determine and interpret the dispersion characteristics of surface waves recorded at Horstwalde and Lobnitz. The reliability of the dispersion curves is controlled by applying strict limits on the interpretable range of wavelengths in the analysis and further avoiding potentially biased phase velocity estimates from the passive f-k method by comparing to those derived from the SPatial AutoCorrelation method (SPAC). From our investigation at these two sites, the joint analysis as proposed allows mode extraction in a wide frequency range (similar to 0.6-35 Hz at Horstwalde and similar to 1.5-25 Hz at Lobnitz) and consequently improves the Vs profile inversion. To obtain the shear wave velocity profiles, we make use of a global inversion approach based on the neighborhood algorithm to invert the interpreted branches of the dispersion curves. Within the uncertainty given by the apparent spread of forward models we find that besides a well defined sediment velocity range also a reasonable minimum estimate of bedrock depth and bedrock velocity can be achieved. The Vs estimate for the best model in Horstwalde ranges from similar to 190 m/s at the surface up to similar to 390 m/s in the bottom of the soft sediment column. The bedrock starts earliest around 200 m depth and bedrock velocities are higher than 1000 m/s. In Lobnitz, we observe slightly lower velocities for the sediments (similar to 165-375 m/s for the best model) and a minimum thickness of 75 m. (C) 2016 Elsevier B.V. All rights reserved. KW - Active seismic KW - Passive seismic KW - Virtual active seismic KW - Dispersion curves KW - Inversion KW - V-s profiles Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.03.034 SN - 0926-9851 SN - 1879-1859 VL - 130 SP - 37 EP - 52 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - THES A1 - Lontsi, Agostiny Marrios T1 - 1D shallow sedimentary subsurface imaging using ambient noise and active seismic data T1 - 1D Bildgebung oberflächennaher Sedimente mit Hilfe von Daten der allgemeinen, seismischen Bodenunruhe und Daten der aktiven Seismik N2 - The Earth’s shallow subsurface with sedimentary cover acts as a waveguide to any incoming wavefield. Within the framework of my thesis, I focused on the characterization of this shallow subsurface within tens to few hundreds of meters of sediment cover. I imaged the seismic 1D shear wave velocity (and possibly the 1D compressional wave velocity). This information is not only required for any seismic risk assessment, geotechnical engineering or microzonation activities, but also for exploration and global seismology where site effects are often neglected in seismic waveform modeling. First, the conventional frequency-wavenumber (f - k) technique is used to derive the dispersion characteristic of the propagating surface waves recorded using distinct arrays of seismometers in 1D and 2D configurations. Further, the cross-correlation technique is applied to seismic array data to estimate the Green’s function between receivers pairs combination assuming one is the source and the other the receiver. With the consideration of a 1D media, the estimated cross-correlation Green’s functions are sorted with interstation distance in a virtual 1D active seismic experiment. The f - k technique is then used to estimate the dispersion curves. This integrated analysis is important for the interpretation of a large bandwidth of the phase velocity dispersion curves and therefore improving the resolution of the estimated 1D Vs profile. Second, the new theoretical approach based on the Diffuse Field Assumption (DFA) is used for the interpretation of the observed microtremors H/V spectral ratio. The theory is further extended in this research work to include not only the interpretation of the H/V measured at the surface, but also the H/V measured at depths and in marine environments. A modeling and inversion of synthetic H/V spectral ratio curves on simple predefined geological structures shows an almost perfect recovery of the model parameters (mainly Vs and to a lesser extent Vp). These results are obtained after information from a receiver at depth has been considered in the inversion. Finally, the Rayleigh wave phase velocity information, estimated from array data, and the H/V(z, f) spectral ratio, estimated from a single station data, are combined and inverted for the velocity profile information. Obtained results indicate an improved depth resolution in comparison to estimations using the phase velocity dispersion curves only. The overall estimated sediment thickness is comparable to estimations obtained by inverting the full micortremor H/V spectral ratio. N2 - Oberflächennahe Sedimente wirken oft als Verstärker für einfallende seismische Wellenfelder. Im Rahmen meiner Doktorarbeit konzentriere ich mich auf die Eigenschaften des oberflächennahen Untergrundes von einigen zehn bis zu hundert Metern Sedimentabdeckung. Dabei leite ich Tiefenprofile (1D) der seismische Scherwellengeschwindigkeit (Vs) und wenn möglich auch der Kompressionswellengeschwindigkeit (Vp) aus seismischen Daten ab. Diese Informationen sind nicht nur für jede Erdbebenrisikobewertung, Geotechnik- oder Mikrozonierungsaktivität erforderlich, sondern sind auch für die seismische Erkundung und globale Seismologie von Bedeutung, da Standorteffekte in seismischen Wellenformmodellierungen oft vernachlässigt werden. Zuerst wird die herkömmliche Frequenz-Wellenzahl (f - k) Technik verwendet, um die Dispersionskurven der Phasengeschwindigkeit von Oberflächenwellen abzuleiten. Die zugrundeliegenden Daten stammen von Seismometerarrays in unterschiedlichen 1D- und 2D-Konfigurationen. In einem weiteren Schritt wird die Green’s Funktion zwischen verschiedenen Empfängerpaaren aus den Daten des seismischen Arrays geschätzt. Dabei wird die Kreuzkorrelationstechnik verwendet. In einem virtuellen 1D Experiment der aktiven Seismik werden die abgeleiteten Green’s Funktionen der Interstationsdistanz nach geordnet. Dann wird die f-k Technik verwendet um wiederum Dispersionskurven abzuleiten. Dieser integrierte Ansatz ermöglicht die Analyse einer grösseren Bandbreite für die Dispersionskurven und daher eine verbesserte Auflösung des 1D Tiefenprofils der Scherwellengeschwindigkeit (Vs). In einem zweiten Schritt wird ein neuer Ansatz, basierend auf der diffusen Wellenfeldannahme (engl., Diffuse Field Assumption, DFA), zur Interpretation beobachteter horizontal zu vertikalen Spektralamplitudenverhältnissen (H/V-Spektralverhältnisse), die aus allgemeiner Bodenunruhe abgeleited wurden,genutzt. Diese Theorie wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit erweitert, um nicht nur an der Oberfläche gemessene H/V- Spektralverhältnisse interpretieren zu können sondern auch Messungen in der Tiefe (Bohrloch) und in mariner Umgebung (Ozeanboden). Eine Modellierung und Inversion von synthetischen HV- Spektralverhältnissen für vordefinierte, einfache geologische Strukturen zeigt eine nahezu perfekte Identifikation/Rekonstruktion der Modellparameter (im wesentlichen Vs und in geringerem Maße Vp), wenn die zusätzliche Information von HV- Spektralverhältnissen eines Empfängers in der Tiefe bei der Inversion berücksichtigt wird. Letztlich wurden (i) Phasengeschwindigkeiten von Rayleighwellen, die aus einem Arraydatensatz geschätzt wurden, mit (ii) H/V-Spektralverhältnissen einer Einzelstation kombiniert invertiert, um Tiefen-profile seismischer Geschwindigkeiten (Vs, Vp) zu bestimmen. Die Ergebnisse deuten daraufhin, dass sich mit einer kombinierte Inversion seismische Geschwindigkeiten bis in größere Tiefen bestimmen lassen, verglichen mit der Inversion von nur Phasengeschwindigkeiten allein. Die geschätzte Gesamtmächtigkeit von Oberflächensedimenten aufgrund der kombinierten Inversion ist vergleichbar mit der, abgleitet von nur H/V-Spektralverhältnissen. KW - active seismic KW - passive seismic KW - virtual active seismic KW - dispersion curves KW - inversion KW - Vs profiles KW - inverse theory KW - interferometry KW - site effects KW - aktive Seismik KW - passive Seismik KW - virtuelle aktive Seismik KW - Dispersionskurven KW - Inversion KW - Vs Profile KW - Inversionstheorie KW - Interferometrie KW - Standorteffekte Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103807 ER - TY - THES A1 - Samaras, Stefanos T1 - Microphysical retrieval of non-spherical aerosol particles using regularized inversion of multi-wavelength lidar data T1 - Retrieval der Mikrophysik von nichtkugelförmigen Aerosolpartikeln durch regularisierte Inversion von Mehrwellenlängen-Lidardaten N2 - Numerous reports of relatively rapid climate changes over the past century make a clear case of the impact of aerosols and clouds, identified as sources of largest uncertainty in climate projections. Earth’s radiation balance is altered by aerosols depending on their size, morphology and chemical composition. Competing effects in the atmosphere can be further studied by investigating the evolution of aerosol microphysical properties, which are the focus of the present work. The aerosol size distribution, the refractive index, and the single scattering albedo are commonly used such properties linked to aerosol type, and radiative forcing. Highly advanced lidars (light detection and ranging) have reduced aerosol monitoring and optical profiling into a routine process. Lidar data have been widely used to retrieve the size distribution through the inversion of the so-called Lorenz-Mie model (LMM). This model offers a reasonable treatment for spherically approximated particles, it no longer provides, though, a viable description for other naturally occurring arbitrarily shaped particles, such as dust particles. On the other hand, non-spherical geometries as simple as spheroids reproduce certain optical properties with enhanced accuracy. Motivated by this, we adapt the LMM to accommodate the spheroid-particle approximation introducing the notion of a two-dimensional (2D) shape-size distribution. Inverting only a few optical data points to retrieve the shape-size distribution is classified as a non-linear ill-posed problem. A brief mathematical analysis is presented which reveals the inherent tendency towards highly oscillatory solutions, explores the available options for a generalized solution through regularization methods and quantifies the ill-posedness. The latter will improve our understanding on the main cause fomenting instability in the produced solution spaces. The new approach facilitates the exploitation of additional lidar data points from depolarization measurements, associated with particle non-sphericity. However, the generalization of LMM vastly increases the complexity of the problem. The underlying theory for the calculation of the involved optical cross sections (T-matrix theory) is computationally so costly, that would limit a retrieval analysis to an unpractical point. Moreover the discretization of the model equation by a 2D collocation method, proposed in this work, involves double integrations which are further time consuming. We overcome these difficulties by using precalculated databases and a sophisticated retrieval software (SphInX: Spheroidal Inversion eXperiments) especially developed for our purposes, capable of performing multiple-dataset inversions and producing a wide range of microphysical retrieval outputs. Hybrid regularization in conjunction with minimization processes is used as a basis for our algorithms. Synthetic data retrievals are performed simulating various atmospheric scenarios in order to test the efficiency of different regularization methods. The gap in contemporary literature in providing full sets of uncertainties in a wide variety of numerical instances is of major concern here. For this, the most appropriate methods are identified through a thorough analysis on an overall-behavior basis regarding accuracy and stability. The general trend of the initial size distributions is captured in our numerical experiments and the reconstruction quality depends on data error level. Moreover, the need for more or less depolarization points is explored for the first time from the point of view of the microphysical retrieval. Finally, our approach is tested in various measurement cases giving further insight for future algorithm improvements. N2 - Zahlreiche Berichte von relativ schnellen Klimaveränderungen im vergangenen Jahrhundert liefern überzeugende Argumente über die Auswirkungen von Aerosolen und Wolken auf Wetter und Klima. Aerosole und Wolken wurden als Quellen größter Unsicherheit in Klimaprognosen identifiziert. Die Strahlungsbilanz der Erde wird verändert durch die Partikelgröße, ihre Morphologie und ihre chemische Zusammensetzung. Konkurrierende Effekte in der Atmosphäre können durch die Bestimmung von mikrophysikalischen Partikeleigenschaften weiter untersucht werden, was der Fokus der vorliegenden Arbeit ist. Die Aerosolgrößenverteilung, der Brechungsindex der Partikeln und die Einzel-Streu-Albedo sind solche häufig verwendeten Parameter, die mit dem Aerosoltyp und dem Strahlungsantrieb verbunden sind. Hoch entwickelte Lidare (Light Detection and Ranging) haben die Aerosolüberwachung und die optische Profilierung zu einem Routineprozess gemacht. Lidar-Daten wurden verwendet um die Größenverteilung zu bestimmen, was durch die Inversion des sogenannten Lorenz-Mie-Modells (LMM) gelingt. Dieses Modell bietet eine angemessene Behandlung für sphärisch angenäherte Partikeln, es stellt aber keine brauchbare Beschreibung für andere natürlich auftretende beliebig geformte Partikeln -wie z.B. Staubpartikeln- bereit. Andererseits stellt die Einbeziehung einer nicht kugelförmigen Geometrie –wie z.B. einfache Sphäroide- bestimmte optische Eigenschaften mit verbesserter Genauigkeit dar. Angesichts dieser Tatsache erweitern wir das LMM durch die Approximation von Sphäroid-Partikeln. Dazu ist es notwendig den Begriff einer zweidimensionalen Größenverteilung einzuführen. Die Inversion einer sehr geringen Anzahl optischer Datenpunkte zur Bestimmung der Form der Größenverteilung ist als ein nichtlineares schlecht gestelltes Problem bekannt. Eine kurze mathematische Analyse wird vorgestellt, die die inhärente Tendenz zu stark oszillierenden Lösungen zeigt. Weiterhin werden Optionen für eine verallgemeinerte Lösung durch Regularisierungsmethoden untersucht und der Grad der Schlechtgestelltheit quantifiziert. Letzteres wird unser Verständnis für die Hauptursache der Instabilität bei den berechneten Lösungsräumen verbessern. Der neue Ansatz ermöglicht es uns, zusätzliche Lidar-Datenpunkte aus Depolarisationsmessungen zu nutzen, die sich aus der Nicht-sphärizität der Partikeln assoziieren. Die Verallgemeinerung des LMMs erhöht erheblich die Komplexität des Problems. Die zugrundeliegende Theorie für die Berechnung der beteiligten optischen Querschnitte (T-Matrix-Ansatz) ist rechnerisch so aufwendig, dass eine Neuberechnung dieser nicht sinnvoll erscheint. Darüber hinaus wird ein zweidimensionales Kollokationsverfahren für die Diskretisierung der Modellgleichung vorgeschlagen. Dieses Verfahren beinhaltet Doppelintegrationen, die wiederum zeitaufwendig sind. Wir überwinden diese Schwierigkeiten durch Verwendung vorgerechneter Datenbanken sowie einer hochentwickelten Retrieval-Software (SphInX: Spheroidal Inversion eXperiments). Diese Software wurde speziell für unseren Zweck entwickelt und ist in der Lage mehrere Datensatzinversionen gleichzeitig durchzuführen und eine große Auswahl von mikrophysikalischen Retrieval-Ausgaben bereitzustellen. Eine hybride Regularisierung in Verbindung mit einem Minimierungsverfahren wird als Grundlage für unsere Algorithmen verwendet. Synthetische Daten-Inversionen werden mit verschiedenen atmosphärischen Szenarien durchgeführt, um die Effizienz verschiedener Regularisierungsmethoden zu untersuchen. Die Lücke in der gegenwärtigen wissenschaftlichen Literatur gewisse Unsicherheiten durch breitgefächerte numerische Fälle bereitzustellen, ist ein Hauptanliegen dieser Arbeit. Motiviert davon werden die am besten geeigneten Verfahren einer gründlichen Analyse in Bezug auf ihr Gesamtverhalten, d.h. Genauigkeit und Stabilität, unterzogen. Der allgemeine Trend der Anfangsgrößenverteilung wird in unseren numerischen Experimenten erfasst. Zusätzlich hängt die Rekonstruktionsqualität vom Datenfehler ab. Darüber hinaus wird die Anzahl der notwendigen Depolarisationspunkte zum ersten Mal aus der Sicht des mikrophysikalischen Parameter-Retrievals erforscht. Abschließend verwenden wir unsere Software für verschiedene Messfälle, was weitere Einblicke für künftige Verbesserungen des Algorithmus gibt. KW - microphysics KW - retrieval KW - lidar KW - aerosols KW - regularization KW - ill-posed KW - inversion KW - Mikrophysik KW - Retrieval KW - Lidar KW - Aerosole KW - Regularisierung KW - schlecht gestellt KW - Inversion Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396528 ER -