扰动位能在东亚夏季风变化中的作用研究现状及展望

东亚夏季风变化对中国气候有显著影响,从能量学角度探讨季风环流的动能来源对认识季风变率及其机制至关重要。在回顾传统有效位能理论的相关研究的基础上,阐述了其在应用于区域环流有效能量转换问题分析上的局限性,介绍了适用于研究区域环流能量循环和转换的大气环流扰动位能(PPE)理论,阐述了PPE理论在研究非绝热加热和局地动能转化的优越性,总结了PPE在区域环流异常与能量转换及其在夏季风变化中的作用相关研究进展,并指出未来利用PPE研究东亚夏季风变化的重要科学问题:东亚季风区季节—年际尺度上PPE的时空变化特征、主导模态及其与东亚夏季风及下垫面强迫的关系;如何建立以PPE为纽带的东亚夏季风环流变化的能量学理论;下垫面加热如何通过PPE转换为东亚夏季风环流的扰动动能;寻找东亚夏季风的前期PPE信号,解释相关机制,探讨可预报性等。     

热带准40天振荡的现象、成因及其与热带外环流的遥相关

该项目的研究工作主要取得以下三方面成果: 一、进一步揭示了准40天振荡的基本特征。 (1)发现准40天周期的低频振荡(下简称LFO)在赤道纬圈剖面内向东向上传播。赤道印度洋地区低频扰动动能向扰动位能转换,该地区扰动的维持必须依靠侧向能量输送。LFO导致西风动量向下输送,其动力学特性与开尔文波明显不同。(2)指出夏季120°E高空(低空)副热带地区有一个纬向风(径向风)传播的分离带(汇合带),其两侧的LFO的特性有显著     

盾构隧道施工土体扰动范围研究

盾构隧道施工,隧道周边土体应力场发生改变,临近隧道土体因应力扰动出现塑性区,塑性区的分布范围与注浆压力、注浆量等注浆参数密切相关。塑性区被认为是施工扰动比较严重的区域,为分析盾构施工扰动范围,基于小孔扩张理论研究了注浆压力、注浆量对土体扰动塑性区的影响,推导了塑性区与注浆压力和注浆量之间的函数关系。在定义扰动评价标准基础上,提出应用有限元计算盾构施工塑性区和扰动范围的一种简捷实用的数值方法。最后采用静力触探现场测试盾构施工扰动范围,并与理论公式及有限元方法进行比较,理论公式、有限元及现场测试三者取得了较为一致的结果,验证了推荐方法的有效性。其研究结果可对盾构施工注浆参数的正确选择提供理论支持。     

基于能量原理的露天矿边坡开挖稳定性突变研究

基于边坡系统能量的原理,借助FLAC3D有限差分法内嵌FISH语言进行了三维露天矿边坡模型在开挖过程中能量计算的二次开发。将能量与突变理论相结合,以边坡系统的总耗散能作为状态变量,构建了边坡系统的能量耗散突变判别准则。以大孤山露天矿西北帮边坡为例,通过能量耗散突变分析、塑性区演化分析、安全系数变化分析及关键点位移分析可知,以上分析得到的边坡稳定性演化规律具有一致性,验证了提出的突变判别准则的适用性,研究结果表明：能量突变特征值 是露天矿边坡在第ki步开挖后发生失稳的充要力学条件;当进行至第6～8步开挖时,边坡局部岩体系统发生了失稳,且第7、8、9三个台阶受开挖扰动的影响较为严重,与现场的实际开挖情况相符,为预防露天矿边坡在开挖扰动过程中的局部围岩系统失稳提供了一定的理论支持。     

干旱区陆面过程和大气边界层研究进展

干旱区陆面过程和大气边界层不仅与气候、生态、水资源密切相关,而且影响我国气候格局和东亚大气环流,是一个十分重要的研究领域,近20多年已取得了比较系统的研究进展.从干旱区陆面热力和水分过程特征、干旱区大气边界层结构特征、干旱区陆面过程参数及其参数化公式、非均匀下垫面大气边界层理论、干旱城市大气边界层特征与污染机理等方面归纳总结了干旱区陆面过程和大气边界层领域取得的部分研究进展.并且,认为科学试验的代表性、复杂下垫面的影响、尺度转化、地表能量不平衡、极端天气过程的相互作用、水分过程的复杂性等问题是干旱区陆面过程和大气边界层研究领域的突出问题和未来研究重点.     

地球节律的成因

地球节律主要受地球内部能量间歇性的释放所控制。旋转系统有不同于非旋转系统的位能，热能和旋转能的相互转换方式。在重力分异和热对流过程中，地核不仅有巨量热能，而且有巨量的旋转能和放射性蜕变能。     

变刚度混合型有限元

介绍了一般弹性体变比例混合能量型变分原理.该变分原理的特点是其泛函中包含一个被称为分裂因子的参数,通过改变分裂因子的值可以调整泛函中位能和余能的比例,以该泛函为基础建立了变刚度混合型有限元模型.研究了选择分裂因子的方法,讨论了降低刚度矩阵的条件数、改善解的精度以及克服病态问题的方法.最后,从理论上分析了其能够克服各类有限元病态问题的机理.     

当今中国大陆地壳移动的动力

地幔圈形状周期性变化使地壳产生势能(位能)力导致地壳运动。当地幔圈由圆相对变扁,南、北半球的高纬度区地壳向低纬度区对挤;当地幔圈由扁相对变圆,恢复等位面平衡,南、北半球低纬度区的地壳区分别向高纬度区挤压。当今中国大陆地壳移动的动力是由于西部地区的地幔还在继续进行恢复等位面平衡产生的。     

上层海洋-低层大气科学研究计划

海洋和大气是地球系统的重要组成部分，其在全球气候变化中具有重要作用。上层海洋与低层大气研究（SOLAS）作为IGBPII第一个新的核心计划，以海洋中深度在100 m以上的水层和 1 000 m以下的大气边界层为主要研究对象，通过多学科的交叉研究，以揭示海洋与大气相互作用的物理和生物地球化学过程耦合及其在气候变化中的作用。SOLAS科学计划得到了世界各国的积极响应，已有16个国家向国际SOLAS科学委员会提交了SOLAS进展状况的国家报告。我国也制定了自己的科学研究计划重点研究中国近海的大气物质入海、海洋温室气体排放、海-气界面上的物质和能量交换过程及其对气候和环境的影响和反馈。     

狭窄煤柱冲击地压失稳的突变理论分析

本文用突变理论研究了狭窄煤柱冲地压失稳过程的机制。导出了失稳的充要力学条件判据及突变时煤柱的突跳量与释放能量的简单表达式，提出了刚度效应－扰动触发响应失稳新理论。本文的讨论，从整体上深化了对部地压失稳机制的认识。     

On the Role of Perturbation Potential Energy in Variability of the East Asian Summer Monsoon: Current Status and Prospects

The East Asian Summer Monsoon (EASM) exerts considerable influences on the climate in China. Studying kinetic energy sources of monsoon circulation from the perspective of energetics is critical important to understand monsoon variability and relevant mechanism. The traditional theory of Available Potential Energy (APE) and relevant studies were reviewed, and some limitations of the APE theory in studying regional effective energy cycle and transformation were discussed. A new theory of Perturbation Potential Energy (PPE) of atmospheric circulation, which can be applicable to the study of energy cycle and transformation of regional circulation systems,was introduced. The advantage of the PPE theory in studying regional effective energy cycle and conversion was discussed, and some advances in the role of the PPE in variability of the EASM were further reviewed. At the end, some important scientific open questions about the application of the PPE to investigations of EASM variability in future were summarized as follows: spatial-temporal characteristics and dominant modes of PPE at seasonal-interannual timescale over the EASM region, and their relationships with the EASM and lower boundary forcings; the physical processes and relevant mechanisms on how lower boundary forcings affecting the kinetic energy of EASM circulation through the key link of PPE; the preceding PPE signals associated with EASM variations, relevant underlying mechanisms, and predictability of the preceding PPE signals as well.     

喜马拉雅降水势能与剥蚀强度时空对应的定量研究

在活动造山带的研究中,剥蚀作用被认为与大气降水有着密切的关系,并且越来越 多的研究证据发现,气候因子在山脉的演化中承载了重要的影响力,降水被认为是活动造山 带剥蚀作用的动因。研究者用降水量和剥蚀强度的对应来阐释气候对山脉演化的制约。然而 也有学者提出反面例证来否定降水量与山脉剥蚀强度之间的耦合关系,进而否定气候因子在 活动造山带构造演化中的影响。由此而提出的科学问题是：降水究竟与剥蚀强度有没有关 联？降水怎样影响剥蚀强度,遵循怎样的机理？在详细分析活动造山带剥蚀作用过程和机理 的基础上,本文提出了降水势能的概念,在校验和整合TRMM 降水量数据与Etopo1 数字地貌 数据体之后,计算了喜马拉雅造山带的降水势能空间分布。同时,收集整理了喜马拉雅造山 带内已公开发表的磷灰石裂变径迹（AFT）年龄数据,以此为数据库获取了喜马拉雅剥蚀强度 时空分布格局。通过这两个数据体的定量分析,研究发现,喜马拉雅造山带内,剥蚀强度与 降水势能之间有很好的空间耦合性。这说明, 在喜马拉雅构造带, 现今的AFT 年龄空间分 布,是受气候作用主导的。进一步的研究发现,喜马拉雅带大约2.8 Ma 以来的AFT 年龄与现 今的降水势能秩相关性显著,且有局部最优的线性相关性,说明喜马拉雅带的剥蚀空间分布 受第四纪以来很年轻的地质历史时期的地表降水过程所控制。最新的气候样式决定了现今的 降水过程,控制了造山带剥蚀强度的空间分布。     

Summary and Prospects of Numerical Simulation Research of the Atmospheric Boundary Layer

As an important bridge between the underlying surface and the free atmosphere, the atmospheric boundary layer is not only closely related to the development of various weather processes, but also plays a key role in local and regional weather and climate changes. In view of the complexity of the atmospheric boundary layer, the numerical simulation of the atmospheric boundary layer has always been a hotspot and difficulty in the numerical simulation research of the atmosphere. In this paper, the three numerical model development stages of the atmospheric boundary layer in recent decades were summarized and the important advances in arid and semi-arid areas, Tibet Plateau, urban complex underlying surface, and special typhoon boundary layer were reviewed. At present, there are still five scientific problems to be solved urgently, including cloud and boundary layer interaction, boundary layer parameterization, model resolution, boundary layer data assimilation and boundary layer development mechanism. Moreover, it was pointed out that in this field we need to strengthen the understanding of different types of atmospheric boundary layer processes, boundary layer bottom and top interface exchange, boundary layer development mechanism in special regions, improve boundary layer parameterization scheme and give full play to the advantages of LES in boundary layer simulation.     

京津冀区域大气霾污染研究意义、现状及展望

频发的霾污染是目前京津冀最严重的环境问题。如何协调区域经济合理快速发展与防止大气环境恶化,已经成为公众关注的焦点,也是各级政府亟待解决的问题之一。对国内外典型大气污染事件的产生及治理历程进行了简要回顾;结合我国当前霾污染问题产生的特殊性,分析了京津冀区域霾污染研究对经济和社会发展、气候和环境变化、人体健康和区域和谐发展的现实意义;阐述了京津冀霾污染现象频发的主要客观要素和内在原因,并分析了当前研究工作中的不足。最后,在全球气候变化的大背景下,推测了京津冀及东亚地区未来大气污染的发展趋势。     

大气数值模式中城市效应参数化方案研究进展

介绍了对城市效应影响大气运动的物理过程,以及在不同尺度大气模式中如何合理考虑这些物理过程,对进一步发展完善城市效应参数化方案中亟待解决的问题及困难作了论述,并着重强调了不同城市冠层参数化方案的优缺点。结论认为,随着城市的扩张,城市效应对大气运动的影响是数值模拟研究中一个不可或缺的物理过程,城市冠层模式的引入可以有效地提高数值模拟效果。对于不同尺度的数值模拟研究工作,应该采取不同的城市效应影响方案。目前,由于冠层模式中涉及的物理过程十分复杂,冠层模式还有待进一步完善,此外冠层方案的验证工作,尤其是应用城市地表能量平衡观测资料进行的验证工作还应该进一步深入开展。     

关于秦皇岛既有建筑节能工作的几点思考

以秦皇岛建筑节能办公室在推进既有建筑节能工作过程中的遇到的问题及实际经验为基础。结合当前国家形势,重点分析了秦皇岛既有建筑存在的能耗问题及产生原因,并从技术上提出了节能改造的方案,论证了节能改造潜力及困难。     

大气水文模式耦合研究综述

首先阐明大气水文模式耦合的必要性,总结作为二者耦合的共同界面——陆面模式的发展过程。在此基础上,从耦合研究方法和目的出发,分4个类别详细论述当前国内外大气水文模式耦合研究的现状。指出了单向耦合不足和进行双向耦合所面临的几个关键问题包括：尺度问题、次网格分布非均匀性、降水模拟等。未来要求充分利用“3S”、四维变分同化等新技术和新方法,加强多学科的联合研究,深入开展大气水文模式的双向耦合试验和敏感性分析,研究大气—植被—土壤—水文系统的交互影响,从根本上提高大气和水文模式的模拟和预报水平。     

Characterisation of aerosol from Santiago,Chile: an integrated PIXE–SEM–EDX study

Santiago de Chile is a big city with huge air quality problems, being one of the most polluted cities in the world. This is aggravated during winter by the topography and meteorological conditions of the city. Although public policies have been developed to minimise the atmospheric aerosol pollution, there is a lack of adequate knowledge and poor characterisation of these aerosols (in its PM_2.5 and PM₁₀ fractions). In this study we sampled atmospheric particles during winter in two distinct areas of Santiago: downtown (Teatinos Street) and in a more residential area (Macul). Major (Si, Al, Fe, Ca and K) and some trace element (S, Cl, Ti, P, Cr, Cu and Zn) compositions were obtained by proton-induced X-ray emission (PIXE). Morphological, type and chemical characterisation was also performed using scanning electron microscopy (SEM) coupled with an energy dispersive X-ray microanalysis system (SEM–EDX). Besides the carbon particles, the contribution of which can be quite important in the atmospheric aerosol, especially in downtown, unambiguously lithogenic (i.e. of geological origin) particles and elements are the second highest contributors. Enrichment factor calculation, together with particle identification and element correlation allow the origin of some elements and particles to be traced, revealing anthropogenic origins for some of them that are specific to the Santiago area.     

海上大气波导研究进展

大气波导是对流层中具有异常大气折射率梯度的大气层,对于评估和预测电磁波传播和海上探测通信系统等具有重要的科学意义和应用价值.以海上发生的大气波导类型为线索总结了与大气波导相关的研究方法.在蒸发波导研究中以相似理论为基础,开发蒸发波导诊断模型为重点,开展区域海域适应性研究;海上悬空波导和表面波导从早期的定性分析到目前精确定量研究过程中,中尺度数值模式逐渐成为极其重要的研究手段,不仅提高了特定天气过程中大气波导模拟预测精度,而且在此基础上开展区域大气波导环境研究,分析其出现规律、气候原因等.针对海上大气波导研究现状,借鉴气象上的手段和技术,开展海上水文气象调查和电波传播实验,结合中尺度数值模式和海气耦合模式,采用同化技术和集合预报等手段,提高海上低空大气波导量化精度.