气候模式模拟中海量数据的并行抽取与可视化分析诊断

在地球动力学和气候模拟等领域, 数值模拟产生的数据规模达到Tb至Pb量级。 实现这些海量数据的实时可视化和实时诊断分析面临很大的困难, 时空多尺度数据抽取可以解决这一瓶颈。 高精度数据的可视化结果展示需要高分辨率的显示设备, 并行的大屏幕显示技术是解决这一问题的有效手段。 地球科学数值模拟、 并行数据抽取和高分辨率显示都需要搭建高性能计算机集群。 本文在基于Lagrange插值的多维度、 多尺度、 多分辨率并行数据抽取算法的同时, 利用并行计算节点及LCD显示器, 基于Rocks cluster系统搭建起一个176核, 4×10×1024×1280分辨率的高性能计算模拟、 数据抽取和并行显示输出的集成平台, 并将该平台成功应用到气候模式模拟产生的海量数据的并行抽取和并行显示。     

卫星跟踪卫星测量模式中星载加速度计高低灵敏轴分辨率指标优化设计论证

本文利用改进的能量守恒法开展了GRACE星载加速度计与K波段星间测速仪及GPS接收机精度指标之间的匹配模拟论证. 结果表明：（1）采用GRACE公布的其他载荷精度指标,当加速度计分辨率指标设计为ACC_X=(1～10)×10^-9m/s², ACC_Y,Z=(1～10)×10^-10m/s²时,在120阶处恢复累计大地水准面的精度为19～80 cm,恢复1.5°×1.5°累计重力异常的精度为0.3～1.3 mGal;(2)建议我国将来卫星重力测量计划中星载加速度计三轴分辨率指标设计为ACC_X=(1～5)×1010^-9m/s²,ACC_Y,Z=(1～5)×10^-10m/s²较合适,与GRACE其他载荷精度指标基本匹配.     

三维地震动场数值模拟并行计算系统

并行计算系统是进行三维复杂场地地震动场数值模拟的基础。本文作者利用10台微机构建了一套并行计算集群(常称为Beowulf系统),节点微机上运行Windows2000操作系统,采用MPI标准的MPICH1．2．4版本作为并行计算的支撑环境,并以100M bps高速交换式以太网作为互连网络。利用编制的并行计算程序对该并行计算系统性能进行了测试。结果表明：该系统能够达到非常高的并行加速比和并行效率。该系统将用于三维地震动场数值模拟研究。     

用MATLAB实现波动方程多核并行计算

波动方程数值模拟在油气勘探中发挥着重要作用,如何提高它的计算效率一直是人们研究的课题.目前多核计算机已非常普及,而现有程序基本都是采用MPI实现并行计算的.这种进程级粒度的并行计算方式在PC-Cluster之类的分布式计算机上效果很好,可是在单个节点上却受内存限制,往往只能使用少数几个甚至单个计算核心,多核处理器的效能难以得到有效发挥.本文基于MATLAB科学计算平台构建波动方程数值模拟算法,将占主要计算量的波场外推式计算分解为矩阵-向量乘法、向量对应元素相乘或相减运算,通过MEX文件机制,在MATLAB中引入了OpenMP多线程并行计算,解决了MPI进程级并行在内存使用受限的情况下,多核利用效率低的问题.在四核计算机上测试表明,右端项计算平均加速3.37倍,解对角线方程平均加速1.66倍,波场外推式的计算平均加速3.11倍,使正演计算的总体计算速度提高了近3倍,有效提高了计算效率.     

青藏高原中东部地区土壤湿度模拟性能评估以及误差分析

土壤湿度不仅是地表水循环的重要组成部分,而且对天气和气候也有重要影响,它的模拟误差严重阻碍了人们对水循环的认知.本文首先评估了1°×1°水平分辨率的全球陆面数据同化产品(Global Land Data Assimilation System,GLDAS)对青藏高原中部那曲地区和东部玛曲地区土壤湿度的模拟性能;鉴于GLDAS较粗的分辨率无法精细描述分析区域土壤湿度空间分布特征,于是我们基于通用陆面过程模式(Community Land Surface Model,Version 4.5),开展了高分辨率0.1°×0.1°的模拟,并对高分辨率模拟土壤湿度误差的原因进行了深入分析.结果表明:(1)GLDAS陆面数据同化产品和高分辨率陆面模式模拟结果都可以反映出土壤湿度的季节变化特征,但在非冻结期均存在不同程度的干偏差,尤其是在玛曲地区;(2)对比观测和模拟的土壤湿度发现,观测数据表现出强烈的空间异质性,而模拟结果呈现出的是空间均一性.按照模拟误差进行归类分组,对比模拟性能优劣的两组站点发现,模式物理过程不是模拟性能差异的主要因素,而两组站点间地表特征参数中的土壤质地和地形参数,以及驱动数据均没有体现出空间异质性,这可能是土壤湿度模拟结果没有表现出空间异质性的原因.     

基于张衡一号电磁卫星的夏季磁静日新疆区域上空电离层电子密度变化特征

采用张衡一号电磁卫星朗缪尔探针(Langmuir Probe, LAP)载荷原位电子密度对夏季磁静日时段新疆区域(30°～55°N, 70°～100°E)的顶部电离层N_e进行分析。通过分析日侧和夜侧的数据变化曲线：40°～55°N范围内N_e数据变化平稳，日侧N_e值平均高于夜侧N_e值的2倍，其中夜侧N_e值稳定在0.5×10¹⁰ cm^-3～1.0×10¹⁰ cm^-3,日侧N_e稳定在1.0×10¹⁰ cm^-3～1.5×10¹⁰ cm^-3;而30°～40°N范围上N_e数据波动较大。根据地方时特征分析结果表明：无论是夜侧还是日侧，随着纬度的降低N_e值逐渐增大，N_e值最大达到5.25×10¹⁰ cm^...     

利用TOPEX卫星测高资料研究全球海面高周年和半周年波动传播规律

自1992年8月10日TOPEX/POSEIDON卫星发射成功以来,其海面高观测数据已累积近10年,产生了空间分辨率为0.5°×0.5°、时间分辨率为10天的二级数据产品和空间分辨率1°×1°、时间分辨率为5天的三级数据产品.本文利用1992年10月～2002年8月TOPEX卫星测高时间序列数据,通过数据处理和小波分析获取了1°×1°网格全球SSHA升高及周年和半周年波动变化信息,并分析了全球以及各个洋面区域的SSHA波动规律.分析结果表明,全球海平面在1992年10月～2002年8月升高了24.2 mm,其中南半球升高26.9 mm,北半球升高19.0 mm;全球SSHA周年变化项振幅的平均值是28.8 mm,半周年项振幅平均值为8.8 mm,周年项运动明显大于半周年项的运动.北半球SSHA周年变化项平均振幅为40.3 mm,南半球为21.1 mm,北半球SSHA半周年变化项平均振幅为10.9 mm,南半球为7.3 mm.同时还发现在太平洋和大西洋南北赤道暖流区的周年波动存在位相突变现象.     

顾及远区影响的向下延拓实用算法

向下延拓是Stokes边值解算中必不可少的环节.为了研究向下延拓的远区影响,本文在泊松实用公式的基础上给出了顾及远区影响的向下延拓算法的推导过程.对4°×4°实验区内5'×5'分辨率模型扰动重力的向下延拓结果表明:对于地面重力数据的向下延拓,积分半径为1°、2°时,顾及远区影响的算法可将精度分别提高0.36 m Gal、0.17 m Gal;对于4000 m航高的重力数据的向下延拓,积分半径为1°、2°时,该算法可将精度分别提高1.40 m Gal、0.67 m Gal.延拓高度越高,积分半径越小,顾及远区影响的算法对精度的改善效果越明显.     

中国碳酸盐岩地区岩溶无机碳汇格局及影响因素

碳酸盐岩化学风化碳汇降低了大气CO₂浓度上升和全球变暖的速率,然而,其碳汇通量(CCSF)的估算结果仍存在不确定性,并且气候变化和生态修复对CCSF的贡献率尚不清晰.为此,本文汇编了中国不同流域离子浓度站点数据,并采用经典热力学溶蚀模型,重新评估了中国1991～2020年CCSF的潜力和时空格局,并定量分析了温度(MAT)、降水(MAP)、蒸散发(ET)、土壤水(SM)和归一化植被指数(NDVI)等因子对CCSF的贡献率.结果发现:(1)中国CCSF为22.76t CO₂km^-2a^-1,高于全球平均水平(15.77t CO₂km^-2a^-1);总量(CCS)为4772.67×10⁴t CO₂,以252.98×10⁴km^-2的碳酸盐岩面积贡献了全球14.91%的CCS.(2)中国CCSF由东南向西北逐渐减少,其中南方岩溶区、青藏岩溶区和北方岩溶区CCS...     

一种局部海域扰动重力数据反演海底地形的非线性序列相关方法

在不考虑地壳均衡条件下,从重力场基本理论出发推导了重力异常/扰动与海深信息之间的近似解析关系,其中扰动重力反演海底地形的模型较之重力异常更加简洁.通过对反演模型级数展开式的深入分析表明,在重力数据分辨率数值小于海深分辨率时并不明显收敛,因此在用重力数据反演高分辨率海底地形时应顾及展开级数的高阶项并采取相应处理方法.在大量统计分析基础上,构建了局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形的非线性序列相关方法,该方法利用少量船测重力/水深测线数据获取非线性相关参数,而后利用卫星测高重力数据按非线性相关函数模型反演海底地形.试验分析表明,2次非线性相关函数反演效果表现较优,对于海底地形平缓海域,1°×1°区域内单条船载测线数据获得的相关参数即可达到2%相对精度.对于海底地形复杂海域,论文方法适用范围应该尽量缩小,30′×30′区域范围基于单条船载测线数据反演的相对精度可优于7%.从论文试验结果分析,海底地形与重力数据之间存在2次非线性相关函数特征,且这种特征在高分辨率情况下仍然适用,利用非线性函数模型并结合稀疏船载测量数据、密集卫星测高重力数据可为局部海域高分辨率海底地形反演提供一种可行的解算方...     

2005~2015年青藏高原多年冻土稳定性制图

连续性分类系统的适用性与数据匮乏是过去青藏高原多年冻土制图的两个主要问题.文章基于高海拔多年冻土稳定性分类体系,在模型对比基础上,利用支持向量回归模型集合模拟了划分多年冻土稳定性的年平均地温,生产了空间分辨率为1km的青藏高原多年冻土稳定性分布图.制图中使用了青藏高原2005~2015年间共237个钻孔年平均地温(年变化深度处温度)观测数据,利用统计学习方法融合了地面观测与遥感冻结指数、融化指数、积雪日数、叶面积指数、土壤容重、高程和高质量的土壤水分再分析资料.该图显示,青藏高原多年冻土面积约115.02(105.47~129.59)×10⁴km²,其中,极稳定型(?0.5℃)多年冻土面积分别为0.86×10⁴、9.62×10⁴、38.45×10⁴、42.29×10⁴和23.80×10⁴km²,分别占青藏高原多年冻土的0.75%、8.36%、33.43%、36.77%和20.69%.以模拟的多年冻土稳定性分布图为基础,定义了划分多年冻土稳定型的遥感年平均地表温度和冻结数标准,这两个标准对于多年冻土稳定型的划分结果一致性分别达到69.6%和75.3%,对于多年冻土范围划分的一致性分别达到了90.1%和91.8%.     

利用Lg波Q值反双台层析成像方法研究青藏高原南部地区的地壳衰减

首次基于2017—2019年西藏自治区区域台网27个宽频带固定台站记录的757次地震的波形资料,利用反双台法开展了青藏高原南部地区1 Hz的Lg波Q值层析成像研究。研究中采用3.5—2.4 km/s的速度窗截取了1 981条Lg波,计算得到13 543条路径上的Q值,测试了1°×1°和0.5°×0.5°网格下的棋盘格恢复情况,得到了0.5°×0.5°分辨率的Lg波Q₀值层析成像。反演结果显示:青藏高原南部地壳整体的Lg波呈高衰减、低Q值,与P波速度负异常、地热分布及东部的两条裂谷系对应良好,因此推断青藏高原南部地壳存在广泛的熔融物质;两条可能存在的流体-熔融物质通道中,主通道位于亚东—谷露裂谷与桑日—错那裂谷之间,副通道沿雅鲁藏布江缝合带分流而出。此外,还对亚东—谷露裂谷两侧熔融物质的分布差异予以分析,结果表明,印度板块与欧亚板块碰撞前端存在不同的动力学演化模式,亚东—谷露裂谷以西符合缩短增厚理论,以东符合“水泵”模式。      

利用中国北部连续重力站资料评估全球潮汐模型精度

为评估全球潮汐模型在我国潮汐改正中的适用性,本文首先对10个重力站2016—2018年的观测数据进行了精度评定,而后基于均方根、和方根、纬度依赖关系以及重力残差等指标对7个全球潮汐模型进行了精度评定。结果表明:10个重力站的一些评价指标达到甚至超越了早期超导重力仪,例如M₂波潮汐因子的中误差普遍小于0.000 70,其中最高精度约为0.000 14,5个主要潮波的稳定度均≤0.001 5。在10个观测模型和7个全球潮汐模型中,DDW-NHi和M2001模型考虑了地球扁率的影响,基于这两个模型计算的和方根较其它模型所得的和方根均小,约为0.288×10?8 m/s2。基于最高精度的乌什站数据对Molodensky, DDW-NHi,M2001与观测模型的改正精度的对比显示,DDW-NHi模型改正计算的重力残差（±0.4×10?8—±1.0×10?8 m/s2）不及观测模型（±0.1×10?8—±0.5×10?8 m/s2）,但依然优于M2001模型（±0.7×10?8—±1.4×10?8 m/s2）,且DDW-NHi模型改正获得的残差比传统的Molodensky模型所得残差（±0.5×10?8—±1.5×10?8 m/s2）小1×10?8—2×10?8 m/s2.      

基于下一代三向车轮双星编队改善地球重力场空间分辨率研究

由于当前GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)串行式编队存在"南北向条带误差"等缺陷,因此本文基于星间速度插值法开展了利用下一代三向车轮双星编队ACR(Along-Cross-Radial)-Cartwheel提高地球重力场空间分辨率的可行性研究论证.第一,采用GRACE卫星轨道参数和关键载荷精度,利用三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演了120阶地球重力场.结果表明:基于ACR-Cartwheel-A/B双星编队反演地球重力场的模拟精度较德国波茨坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测精度平均提高2.6倍,从而检验了基于下一代三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演地球重力场精度优于当前GRACE串行式双星编队的可行性.第二,通过星间速度插值法,采用卫星轨道参数(初始轨道高度350km、平均星间距离100km、初始轨道倾角89°、初始轨道离心率0.0046)、卫星关键载荷精度指标(星间速度10-7 m·s-1、轨道位置10-3 m、轨道速度10-6 m·s-1、非保守力10-11 m·s-2)、观测时间30天和采样间隔10s,基于经向车轮双星编队Lo-AR(Longitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B、纬向车轮双星编队La-AR(Latitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B和三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B,分别反演了120阶地球重力场;在120阶处,累计大地水准面精度分别为5.115×10-4 m、4.923×10-4 m和3.488×10-4 m.结果表明:(1)由于La-AR-Cartwheel-A/B编队的轨道稳定性优于Lo-AR-Cartwheel-A/B编队,因此基于La-AR-Cartwheel-A/B编队反演重力场精度高于Lo-AR-CartwheelA/B编队;(2)由于ACR-Cartwheel-A/B编队可以同时获得轨向、垂向和径向的重力场信息,卫星观测数据具有各向同性优点,因此ACR-Cartwheel-A/B编队是建立下一代高精度和高空间分辨地球重力场模型的优化选择.     

淡水沉积物环境质量基准差异分析

对现有淡水沉积物环境质量基准进行了分类比较,通过对各种基准不同污染物的基准低值、基准高值以及灰色区域的对比分析,探讨现有基准间存在的差异以及造成差异的原因.结果表明,现有各基准低值和高值问分别存在2倍到15倍,4倍到29倍的较大差异,各基准均存在较大的灰色区域.造成差异的原因主要是影响污染物生物有效性因素的复杂性,以及基准建立方法的不确定性等.     

基于图像信息方法的日本东北MW9.0地震回溯性预测研究

以日本局部地区(32.0°~46.0°N, 136.0°~148.0°E)为研究区域, 应用图像信息方法, 选用8 a滑动预测窗长, 1°×1°网格为主要计算参数, 系统计算了研究区域内2000年以来的“地震热点”(显著异常地区)并获得了区域内7级以上大震特别是2011年日本东北M_W9.0地震的热点演化图像。 结果表明: ① 包含M_W9.0地震的预测时间窗内, 其震中的邻近网格持续有热点出现, 并且其中有4个连续滑动的窗口中该地震震中所在网格亦存在热点。 ② 在回溯时间段内发生的21个M≥7.0地震中, 除2004年9月5日发生于日本近畿南岸近海的M7.1地震前无地震热点外, 绝大多数在震前皆有热点出现。 ③ 与其他M≥7.0地震相比, M_W9.0地震前热点图像分布范围更广, 稳定性更好, 持续时间更长。     

陕西重力网优化改造及监测能力评估

陕西重力网监测范围由关中盆地扩大到覆盖了鄂尔多斯块体南缘、关中盆地、秦岭山地及陕南、关中主要活动断裂带,同时与豫西、晋南、宁夏区域重力网实现了联网,测网监测能力由原来只具备对网内5级地震的监测提升到具备对发生在网内6级地震的监测。基于3个绝对重力基准约束下的重力观测平差结果表明,测网单位权中误差为7.7×10~(-8)m·s~(-2),平均点值中误差7.9×10~(-8)m·s~(-2),当以2.5倍中误差作为限差时,可以识别发生在监测区域内40×10~(-8)m·s~(-2)左右的重力相对变化,为研究鄂尔多斯块体南缘重力场变化提供依据。     

全球陆表水体高分辨率遥感制图

陆表水体是地表覆盖的重要组成之一,是气候变化研究、生态环境评估和宏观调控分析等不可或缺的重要基础信息.本文介绍了全球地表覆盖遥感制图项目中陆表水体总体研制情况.项目通过收集、处理美国陆地卫星Landsat TM/ETM+、国产环境减灾星(HJ-1)等影像,实现了2000年、2010年两个基准年度的全球30 m分辨率多光谱影像的有效覆盖,影像纠正精度满足1:20万制图要求,两期影像配准中误差控制在1个像元以内.根据30 m分辨率尺度的水体光谱特征与几何形态,合理地设计提取指标,结合基于像元分类法简单易操作、面向对象分类法可综合利用各种规则知识的优势,开展水体信息的精细化提取,最后利用人机交互来进一步优化完善分类结果,实现全球水体的高精度遥感制图.完成的全球陆表水体数据成果GlobalLand30-water 2000和GlobalLand30-water 2010,属目前全球尺度下最高分辨率的分类成果,自评估总体精度为96%.该数据是开展全球陆表水体空间分布格局分析、揭示地域差异、研究时空波动规律以及进行生态环境健康诊断等相关研究工作的重要基础数据.     

利用GPS数据研究南北地震带北段近期地壳水平形变特征

采用中国地震局"陆态网络"GPS基准站和流动站观测数据,利用MIT的开源软件GAMIT/GLOBK解算南北地震带北段(33°~42°N,97°~110°E),特别是六盘山地区、祁连地块、银川地堑1999年以来在欧亚框架下、以鄂尔多斯块体作为参考的GPS速度场。计算南北地震带北段5条断裂两侧50~350km范围内各站垂直/平行于断裂走向的速度投影,以及14个基准站18条基线2010年以来的长度时间序列,试图进一步估计关心区域的应力积累情况,探索断层闭锁段。结合地震活动性,认为南北地震带北段未来50年有发生M8地震的可能性;该段1900年以来的第4个M6、M7地震活跃期可能已经拉开序幕,未来2年有发生M7以上地震的可能性;祁连断裂带、海原断裂、西秦岭北缘地震带具备发生M6和M7地震的优先条件,尤其是海原断裂。     

东北亚地区Ms5.0以上地震前后空间电场时空演化特征研究

本文利用2005年1月—2009年12月DEMETER电磁卫星观测的极低频/甚低频(ELF/VLF)39 Hz~6 kHz频段电场功率谱密度(PSD)观测量, 将研究频段划分为5个子频段对东北亚地区(38°N~58°N; 105°E~145°E)内发生的8个M_S≥5.0地震前后空间电场时空演化特征进行研究。 研究发现同一地震不同频段异常扰动区域并不完全在同一位置, 且同一地震的不同频段地震前后扰动形态也并不一致; 8个地震40次统计中有25% 的统计数据虽然基本在地震前后所有时间段都超过阈值2σ, 但未见明显扰动规律, 其余75%的统计数据中发现其扰动特征可以归纳为3类: 52%的统计数据在震前扰动幅度增大, 达到最大时发震, 震后持续降低; 7.5%的统计数据在震前扰动幅度达到高值, 而后下降过程中发震; 15%的统计数据在震前扰动幅度一直在增加且绝大部分时间低于2σ, 直至震后超过2σ, 且出现这种类型的异常均为震例的第五频段演化特征。 异常扰动区域主要集中在震中±4°以外的区域。