卫星观测到的全球闪电活动及其地域差异

闪电活动在时间和空间尺度上都有很大的可变性. 本文利用热带降水测量计划（TRMM）卫星上携带的闪电探测系统获取的闪电定位资料首次对一些典型地区的闪电活动进行了对比分析. 研究发现不同地区的闪电活动无论在闪电频数或放电强度方面都有很大的差别，海洋上的闪电活动频数与陆地上的闪电活动频数可相差几十倍；不同地区闪电活动的多少不仅取决于该地雷暴日数的多少，更重要的还取决于该地每次雷暴过程闪电频数的多少；不同地区的闪电放电强度有随闪电频数增加而减小的趋势. 进一步研究还表明，不同地区闪电光辐射能的不同可以用对流最大不稳定能量（ECAPE）来解释，闪电放电强度与ECAPE之间存在非常好的线性正相关；而闪电活动频数对ECAPE的响应则与闪电光辐射能不同，二者之间没有发现明显的相关.     

雷暴云底部正电荷区对闪电类型影响的数值模拟

在经典的雷暴云三极电荷结构的假定下结合已有的随机放电参数化方案,进行了二维高分辨率闪电放电的模拟实验,定量的探讨了雷暴云底部正电荷对闪电类型的影响．结果表明：（1）雷暴云底部正电荷对负地闪和反极性云闪的产生起了关键作用,随着底部正电荷区的电荷密度大小或分布范围的增大,闪电类型依次从正极性云闪向负地闪再向反极性云闪变化;（2）相对于电荷区分布范围而言,底部正电荷区的电荷密度大小对闪电类型的影响起主导作用．只有当雷暴云底部正电荷区的最大电荷密度取值在一定范围内时,才会出现负地闪,并且负地闪的发生概率相对固定;（3）在该范围内,负地闪的发生由底部正电荷区的电荷密度大小以及分布范围共同决定,且其与云闪触发条件之间存在一个线性边界;（4）底部正电荷区的电荷密度大小以及分布范围的共同效果是改变底部正位势阱的分布,当闪电启动参考电位接近0MV时生成反极性云闪,而当其远小于0MV时则更容易形成负地闪．     

安宁河-则木河断裂带断层活动特征及其与地震活动的关系

利用安宁河-则木河断裂带上的跨断层流动形变资料,计算了断层活动累积量,定量研究了断层在不同时间段内的活动特征,然后采用断层活动总体状态参量R(t)值对断层总体活动特征进行了综合分析,探讨了其与地震活动的关系。结果表明:安宁河-则木河断裂带在观测期内以左旋走滑活动为主,兼具逆冲活动;断层总体活动状态参量R(t)显示,断层整体活动的不稳定性与强震有关,断层活动不稳定时,地震活动也较强烈。     

基于云南3次震例对地震灾害区域等级评估方法的探讨

介绍了“灾害等级”这一概念的发展演化及研究现状.选取云南省的3次震例,计算每个震例受灾程度影响因子及综合灾害指数.通过对这3次震例的计算,总结了现行灾害区域等级评估方法的不足,并对实际操作过程中的可改进之处提出建议.     

层状介质中有限震源引起的地面运动的计算——对点源情形的拓展

从分层均匀介质中地震波传播的基本理论出发,参考已有的利用广义反射透射系数矩阵方法计算分层均匀介质中点源引起的地面运动的方法和程序,考虑了任意几何特征的有限震源及有限震源的震源机制随时间和空间发生变化的可能性,并考虑了并行计算的发展方向,本文对点源情况下的计算流程进行了改进,重新设计编写了计算程序GRTMatSyn,使其不但适应于点源的情形,也适应于任意几何形状的、有限的、震源机制随时间和空间变化的有限震源的情形.为了验证该程序的可靠性和计算效率,设计了必要的有限震源模型和观测点分布,计算了地面运动,并与已有的被广泛认可的计算有限平面断层引起的地面运动的程序CompSyn的计算结果进行了对比分析.结果表明,GRTMatSyn的计算结果可靠、计算效率较高.     

20世纪90年代中国大中城市建设用地扩张及其对耕地的占用

界定了城市建设用地范围, 利用中国科学院资源环境数据中心的两期土地利用图, 提取城市建设用地及其周围耕地的图斑. 运用GIS技术和数理统计方法, 分析了20世纪90年代城市建设用地面积最大的145个城市的扩张特点、对耕地的占用及其影响因素. 结果显示, 这145个城市建设用地总体扩展较快, 但区域差异性明显. 东部地区城市建设用地扩展最快, 中部地区扩展最慢, 中部并出现城市人均用地大幅度下降的“不正常”现象. 城市建设用地扩展占用地耕地比例大, 且主要为生产力较高的优质耕地. 研究认为, 城市在职职工的工资总额增长对中国城市建设用地扩张区域差异的解释力最强, 建设用地和耕地高邻接度的空间格局以及城市在空间上的摊饼式发展是导致城市扩展占用耕地比例大的直接原因.     

水体富营养化改善过程中浮游植物群落对非生物环境因子的响应:以武汉东湖为例

针对武汉东湖存在营养状态梯度的5个子湖（郭郑湖、汤菱湖、团湖、庙湖、水果湖）,结合"空间换时间"理论,研究湖泊富营养状况改善过程中浮游植物群落对环境因子的响应.全年调查期间,各子湖综合营养状态指数分布范围为45.4~76.8,浮游植物密度及生物量变化范围分别为2.03×10⁶~245×10⁶ cells/L和0.819~19.9 mg/L.冗余分析结果显示,浮游植物的物种分布与水温、总氮、透明度、总溶解性固体、氨氮呈显著相关.采用多元逐步回归分析构建浮游植物密度、生物量与环境因子之间的最优响应方程,结果显示,总氮、水温是影响浮游植物密度的主要因子;对于浮游植物生物量而言,总磷、总氮浓度降低能够降低浮游植物生物量.通过对富营养程度改善进程中浮游植物群落组成的动态变化进行分析,发现浮游植物密度及生物量显著下降,但物种组成及生物多样性并未发生明显转变.此外,浮游植物物种多样性与水体富营养水平梯度并不呈现简单的线性相关.因此,在对富营养化湖泊进行修复时,应制定短期修复与长期维护双重措施,同时应重视生物多样性的重建,进而达到理想的修复效果.     

电离层赤道异常对返回散射电离图的影响

本文给出了太阳黑子高年冬季跨电离层赤道异常区传播试验的高频返回散射电离图.经过分类研究,指出了有一类双回波区组合型P ′（f）返回散射电离图是一种新的形态.通过射线追踪合成技术分析,表明了这类型实验返回散射电离图是沿探测路径存在双峰电子浓度分布的反映,时序电离图的变化特征显示了赤道异常区的电子浓度变化规律,因而证明了高频返回散射技术在研究赤道异常区电离层峰运动的可能性及其潜力.     

电离层赤道异常对返回散射电离图的影响

本文给出了太阳黑子高年冬季跨电离层赤道异常区传播试验的高频返回散射电离图.经过分类研究,指出了有一类双回波区组合型P ′（f）返回散射电离图是一种新的形态.通过射线追踪合成技术分析,表明了这类型实验返回散射电离图是沿探测路径存在双峰电子浓度分布的反映,时序电离图的变化特征显示了赤道异常区的电子浓度变化规律,因而证明了高频返回散射技术在研究赤道异常区电离层峰运动的可能性及其潜力.     

静止卫星闪电探测中云影响研究

相对已经在轨运行的极轨卫星,搭载在静止卫星上的闪电成像仪能够提供全天候、无间断的闪电探测,是目前全球卫星闪电探测的方向.本文分析云不同特性对云顶闪电信号的影响,以及云高对静止卫星闪电定位的订正分析,将对静止卫星闪电成像仪的研发及其业务化运行提供技术支撑.研究中,通过建立云中闪电传输模型,模拟云中闪电传输.由于云粒子散射,云的体积、光学厚度和形状,以及闪电在云中发生的深度,都影响云中或云间闪电信号传输到云顶的能量衰减和持续时间,其持续时间可能超过已知静止卫星闪电成像仪假设的2 ms成像积分时间间隔,这样不能保证所有的闪电信号在一帧图像内探测到.但是,云粒子散射对云顶闪电的水平位置影响不大,闪电成像仪定位的云顶闪电可代表云中或云间的闪电位置.同时,在传统静止卫星图像定位模型的基础上,建立了闪电定位的云高订正模型.根据该模型,当云顶高度为10 km,云高所引起的闪电定位最大误差达到经向0.5379°、纬向0.2273°,超过已知静止卫星闪电成像仪假设的地面探测单元大小,有必要进行订正.     

基于TEROS的自然闪电X射线暴观测研究

本文报道了国内首个自然闪电高能辐射(Lightning Energetic Radiation, LER)多点观测结果. 基于自主研发的雷暴高能辐射观测系统(Thunderstorm Energetic Radiation Observation System, TEROS), 在2021年夏季观测期成功捕获3次自然LER事件, 结合闪电定位、低频快电场变化、回击峰值电流等其他资料, 对3次事件的高能辐射特征进行研究. 分析发现: 3次LER事件均于负地闪下行先导的最后阶段被探测到, 是典型的X射线暴, 且均具有MeV能量的单光子, 最大能量超过2.2 MeV; 伴随梯级先导出现的X射线暴持续时间为数百μs, 伴随不规则直窜先导的X射线暴持续时间为数十μs, 主要与先导发展速度有关; 相应回击峰值电流最大的1次事件具有最高的单光子能量、最大的单位面积沉积总能量和最多的爆发过程数量, 随着接近回击时刻, 该事件还表现出与电场变化一致的增强趋势, 表明先导头部电场是影响高能辐射产生的重要因素; 随到达强度降低, 高能辐射信号逐渐由束流模式向单光子模式转变, 呈现出与地球伽马射线闪类似的现象学特征, 更多乃至所有的爆发过程无法被探测到, 高能辐射可能是闪电发展过程中的普遍现象.

     

利用COSMIC掩星资料研究对流层/下平流层大气比湿对ONI指数的响应

本文利用2006年6月至2014年6月COSMIC掩星观测的水汽廓线, 分析了对流层/下平流层(TLS)比湿信号对ENSO的响应.在数据处理中, 将COSMIC掩星水汽廓线计算得到的全球比湿数据内插为1000~30 hPa区间水平分辨率为5°×5°的三维格网, 在各等压面上求取各格网点去除年/月际信号后的比湿月异常值.然后在对比湿月异常时间序列低通滤波的基础上, 进行经验正交分解(EOF)得到比湿主成分, 并对该主成分信号进行二项式平滑; 接下来将平滑后的主成分信号与反映ENSO活动的ONI指数进行相关处理, 得到各等压面主成分信号相对于ONI指数的相关系数及对应的时间延迟.论文分析了包括Niño-3.4的5个代表性区域的TLS比湿异常主成分信号, 结果表明:在各区域, 采用本文先低通滤波再EOF分解的处理方法获得的TLS比湿异常主成分信号与ONI指数均有很强相关性, 对流层相关系数绝对值达0.8以上, 低平流层高于0.7, 在300~200 hPa的上对流层达到峰值; 各等压面上比湿异常主成分信号相对于ONI指数的时间延迟不尽相同, 在对流层中比湿异常主成分信号普遍滞后于ONI指数1~6个月; 在各区域, 比湿异常主成分与ONI指数相关系数绝对值达到最大的等压面都接近250 hPa, 最大相关系数绝对值均达到0.9以上.进一步对全球250 hPa等压面比湿异常主成分与ONI指数相关性的分析表明:两者强相关的区域主要集中在热带; 在这些强相关区域, 比湿异常主成分相对于ONI主要表现为滞后, 且相关系数越大, 相应的时间延迟越短.

     

基于微震特性的相对震级技术研究及应用

随着非常规气藏的开采开发, 微地震监测成为压裂效果评估的关键技术.四川盆地非常规油气藏开采开发处于早期, 井网密度极低导致在压裂井附近难以找到匹配深井作为观测井, 而地面、浅井等替代观测方式面临无法有效探测微地震信号的风险.微地震事件能量弱和辐射的方向性使得观测方位预判及有效监测距离的评估成为微地震监测成败的关键因素.本文提出一种基于压裂微地震能量辐射模式和地层传播特征的相对震级计算技术, 模拟微地震事件能量辐射模式及在地层传播过程中的动力学特征, 达到评估微地震相对震级与检波器方位、地层传播距离的非线性关系的目的.通过理论分析和实际微地震监测资料验证, 该方法能有效地解决微地震监测最佳观测方位的优选和有效传播距离的评估问题.     

Aridity/humidity status of land surface in China during the last three decades

To understand regional status and differences is groundwork for researching environmental change, such as regional response to global change, land use/land-cover change, land desertification, and sand/dust storms. At present, geographers are search- ing for driving forces of environmental change and making efforts to reflect human actions on these changes[1―4]. To recognize regional difference, most researches focus on single factor, such as temperature, precipitation, soil and vegetation. Ho…     

气候变化和人类活动对鄱阳湖水龄影响的定量区分

在气候变化和人类活动的双重影响下,湖泊内部的水动力条件正发生重大的变化,进而影响到湖泊水环境的变化.水龄是颗粒物从入口传输到指定点的时间,可以定量反映水体的运动和交换程度以及滞留情况.如何定量区分人类活动与气候变化对水龄的影响程度,对湖泊水资源科学管理和水环境的治理有着重要的科学意义.本文耦合了深度学习网络和传统二维水...     

Joint probability density function of the stochastic responses of nonlinear structures

The joint probability density fimction （PDF） of different structural responses is a very important topic in the stochastic response analysis of nonlinear structures. In this paper, the probability density evolution method, which is successfully developed to capture the instantaneous PDF of an arbitrary single response of interest, is extended to evaluate the joint PDF of any two responses. A two-dimensional partial differential equation in terms of the joint PDF is established. The strategy of selecting representative points via the number theoretical method and sieved by a hyper-ellipsoid is outlined. A two-dimensional difference scheme is developed. The free vibration of an SDOF system is examined to verify the proposed method, and a flame structure exhibiting hysteresis subjected to stochastic ground motion is investigated. It is pointed out that the correlation of different responses results from the fact that randomness of different responses comes from the same set of basic random parameters involved. In other words, the essence of the probabilistic correlation is a physical correlation.     

月球表层及月壳物质密度分布特征

月球表层与月壳岩石密度的横向与径向的变化,反映了月表及内部成分以及月球演化等特征.本文利用月球勘探者号伽马射线谱仪探测的月表Fe, Th与Mg元素分布数据,依据前人给出的元素含量与岩石类型的关系,对月球表层进行了岩性填图,并结合岩石样品与陨石的密度测试数据建立初始密度模型,采用铁元素与岩石密度的关系对其进行修正,从而建立了月表物质密度分布模型.基于嫦娥一号激光测高数据和日本SELENE计划发布的月球重力模型,计算出月球布格重力异常,进而反演得到月壳0~40 km深度范围内岩石平均密度分布模型.分析表明,大部分区域上,月壳至少月壳上部岩石成分主要以轻质的富含铝、钙、镁质的硅酸盐类岩石为主.由此推测,原始月壳极有可能是由轻质的、富含钙、镁质硅酸盐类岩石构成的全球性月壳.现今的玄武岩与克里普岩只是覆盖于原始的月壳之上的岩层,且厚度不大.     

Simulated watershed responses to land cover changes using the Regional Hydro‐Ecological Simulation System

In this work, we used the Regional Hydro‐Ecological Simulation System (RHESSys) model to examine runoff sensitivity to land cover changes in a mountain environment. Two independent experiments were evaluated where we conducted simulations with multiple vegetation cover changes that include conversion to grass, no vegetation cover and deciduous/coniferous cover scenarios. The model experiments were performed at two hillslopes within the Weber River near Oakley, Utah watershed (USGS gauge # 10128500). Daily precipitation, air temperature and wind speed data as well as spatial data that include a digital elevation model with 30 m grid resolution, soil texture map and vegetation and land use maps were processed to drive RHESSys simulations. Observed runoff data at the watershed outlet were used for calibration and verification. Our runoff sensitivity results suggest that during winter, reduced leaf area index (LAI) decreases canopy interception resulting in increased snow accumulations and hence snow available for runoff during the early spring melt season. Increased LAI during the spring melt season tends to delay the snow melting process. This delay in snow melting process is due to reduced radiation beneath high LAI surfaces relative to low LAI surfaces. The model results suggest that annual runoff yield after removing deciduous vegetation is on average about 7% higher than with deciduous vegetation cover, while annual runoff yield after removing coniferous vegetation is on average as about 2% higher than that produced with coniferous vegetation cover. These simulations thus help quantify the sensitivity of water yield to vegetation change. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

From surface acidity to surface reactivity; inhibition of oxide dissolution

Paul Schindler's early work on the acid-base chemistry of oxides was instrumental for the development of the concept of surface complexation. This approach has not only been important in establishing a theory on the adsorption of metal ions and ligands as a function of pH and solution variables, but has become essential in establishing surface speciation (coordinative structural and electronic arrangement at the solidwater interface) which in turn determines surface reactivity. The factors that affect dissolution of Fe(III) (hydr)oxides and inhibition of dissolution are discussed. A few examples for the inhibition of reductive and ligand-promoted dissolution by binuclear complexes of oxoanions (phosphate, borate) and of protonpromoted dissolution by Cr(III) are given.