Statistical analysis of three-dimensional run-up heights using Gaussian process emulator of particle method
Statistical analysis of three-dimensional run-up heights using Gaussian process emulator of particle method
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利用粒子法高斯过程模拟器进行三维助跑高度统计分析
DOI：
10.1007/s40571-021-00426-w
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发表时间：
2021
影响因子：
3.3
通讯作者：
Koshizuka Seiichi
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Mizuno Yoshiki;Shibata Kazuya;Koshizuka Seiichi
这项研究提出了一个粒子方法的仿真器有可能被应用于海啸助跑现象的统计分析。仿真器遵循高斯过程来模拟粒子方法，该方法专门用于估计地面上建筑物前海啸的波高。一般来说，高斯过程具有设计统计仿真器以减少仿真器所需的计算成本的优点。虽然使用计算模型的统计分析需要大量的模拟，但高斯过程模拟器可以解决这一挑战。相比之下，粒子方法是有利的模拟自由表面流动问题，包括海啸助跑。无网格方法与网格方法不同，它不需要网格生成，可以对Navier-Stokes方程和连续性方程进行离散，因此可以模拟海啸在地面建筑物附近的行为。在这项研究中，我们简化海啸助跑的三维溃坝问题的水柱由于重力的崩溃在斜坡上移动，并影响到两个建筑物。虽然这些问题并不完全是海啸助跑现象，这项研究的目的是显示应用高斯过程模拟器的可能性，这样的现象。利用仿真器进行了波高的敏感性分析，观察了水柱初始尺寸对爬高的影响。最后，根据初始设定值预测了波浪高度的变化趋势，验证了该仿真器在波浪爬高分析中的有效性。此外，本研究也显示了近地面建筑物上升高度的频率和四分位数，可应用于海啸疏散规划。
This study presents that an emulator of a particle method has the potential to be applied for the statistical analysis of tsunami run-up phenomena. The emulator follows a Gaussian process to model a particle method specifically for estimating wave heights of tsunami run-up in front of buildings on the ground. In general, Gaussian processes have the advantage of designing statistical emulators to reduce the computational cost required by simulators. Although statistical analysis using computational models requires a considerable number of simulations, Gaussian process emulators can address this challenge. In contrast, particle methods are advantageous for simulating free-surface flow problems including tsunami run-up. The mesh-free methods discretize the Navier–Stokes and continuity equations without mesh generations as opposed to mesh methods, and thus they can simulate tsunami behaviors near ground buildings. In this study, we simplify tsunami run-up as three-dimensional dam-break problems where the collapse of a water column owing to gravity moves in a slope and impacts on two buildings. Although these problems are not exactly tsunami run-up phenomena, the study intends to show the possibility of applying the Gaussian process emulator for such phenomena. The sensitivity analysis of the wave heights is carried out using the emulator to observe how the run-up heights are influenced by the initial size of the water column. Consequently, it predicts the tendency of the wave heights based on the initial settings and demonstrates the effectiveness of the emulator for the run-up analysis. In addition, this study illustrates the frequency and quartiles of the run-up heights near ground structures, which can be applied for tsunami evacuation planning.
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