张衡地动仪（4）：复原研究

鉴于张衡地动仪在世界文化中的地位,各国学者开展了复原研究,但复原模型一直处于绘制图样和展品阶段。近几十年,中国学术界在有关的史料、考古和历史地震学研究中都取得了新进展,为建立新的复原模型打下了良好的工作基础,新的模型不仅更加符合史料,而且首次具有了验震功能。本文将从科学思路、结构复原、造型复原和科学检验四方面予以介绍。     

新的张衡地动仪复原课题初步工作完成

已失传十几个世纪的张衡地动仪．有望在国内地震学家和历史学家的联合攻关下，经过重新复员，展示在世人面前。复原涉及原理复原、力学试验和模型制造3个步骤。4月份，复原工作的第一步——原理复原已经完成。     

中国地震考古研究概述

为了客观地概述中国地震考古研究现状,对地震和考古两大文献系统中的有关研究论文。进行了收集、归类、分析。本文以具体实例阐述了考古学在历史地震研究和古地震研究中的应用、以及考古学在评估地震灾害和了解古代建筑抗震性能等方面的重要意义。总的看来,中国地震考古研究在70年代中期才起步,迄今尚未趋于完全成熟。随着近代地震科学技术的发展,地震考古研究手段可望在今后得到更为极积的应用。     

对张衡地动仪的重新复原

张衡在公元132年创制的地动仪是人类在地震学的首创仪器,复原工作被国内外学术界和社会大众所重视.中国历史博物馆1951年展出的王振铎地动仪复原模型,其原理因袭了日本萩原尊礼1937年的直立杆推测,外形参照了服部一三1875年的部分设计.该模型曾赠送给联合国世界知识产权组织,至今与美国赠送的月球石头并列展示在日内瓦,地位很高.但随着国内外的广泛知晓,模型复原中的偏谬日渐突出.问题不仅在于模型没有做过理论计算和仪器鉴定,而且50多年间国内没有一件(包括模型原件)验震的实例,加之日本在1939年的地震观测中得到了否定的结论.国际上对该模型的公开否定和批评已经见诸于正式的学术刊物和专著中,少数学者误以为这是中国研究的定论结果,继而认为地动仪不属于真正的科学,失传的根本原因是没有达到科学的要求,甚至认为中国人把张衡地动仪视为"国宝",更多地象征着一个民族的想往,而不是代表一个完满的现实,还出现了完全否定张衡地动仪在科学发展中起过重要作用的观点.     

汉长安城的千年兴衰

正汉长安城是举世公认的丝绸之路起点、发源地、决策地,是与古罗马城并称的世界上最早的国际化大都市,史称"东长安、西罗马"。汉长安城是当时世界上规模最大的城市,也是中国古代使用时间最长、定都朝代最多、遗迹最丰富的都城遗址。上千年的都城史孕育了完璧归赵、张骞通丝路、貂蝉美人计、武则天削发为尼、元宵节起源等历史文化故事。不久前,国家文物局公布了第三批国家考古遗址公园名单,西安市汉长安城未央宫遗址成功入选国家考古遗址公园。     

中国采矿史简析

正在考古遗物中发现,中国古代勤劳的先民很早就学会了勘探和开采有利用价值的矿物,明显领先于世界其他地区的文明。在辽宁抚顺煤田的废墟中,发现有古代的玉石雕刻,经测定其年龄大约是距今6000年(新石器时代)前的产物。中国北方最早的铜器是新石器时代的青铜器皿,曾被商代(16至公     

堆积物古DNA揭示西藏廓雄遗址的食物构成

动物考古和植物考古是重建古代食谱的重要手段.对出土动植物遗存的种属鉴定是动植物考古研究的基础,但其鉴定效率严重依赖于动植物遗存的保存状态.沉积物古DNA(sedimentary ancient DNA)是一种新兴的技术手段,可以从数十万年以来的沉积物中提取出古代动植物和微生物的遗传信息,进而恢复当时生态环境中的物种组成.但目前将沉积物古DNA技术应用于旷野遗址的研究还鲜有报道.本文尝试将沉积物古DNA技术应用于西藏廓雄遗址(3160～2954cal a BP)的调查剖面,并与出土的动植物遗存进行对比.结果发现,在大麦(Hordeum vulgare)和绵羊(Ovis aries)等农作物与家养动物的鉴定上,两种方法可以互相印证,但遗址堆积物古DNA中还检测到大植物遗存中没有发现的粟(Setaria italica),以及多种与农作物伴生的微生物.本研究通过动植物常规鉴定方法与沉积物古DNA分析,揭示了廓雄遗址先民的部分食物组成,其中包括:粟类、麦类等谷物,绵羊、黄牛等家养动物,以及渔猎的野生动物等.本项研究表明,沉积物古DNA技术具有通过旷野遗址文化堆积物复原其中动植物种属信息的潜力,...     

基于微焦点CT与数据约束模型的古代家猪牙齿显微结构研究

本文对一例考古发掘出土的古代家猪下颌骨及牙齿进行了微焦点CT成像,通过加置滤波片有效减弱了线束硬化对CT图像的影响。基于数据约束模型（DCM）对样品三维结构进行了定量计算,获取了包含小于CT图像体元尺寸在内的样品跨尺度结构信息。对样品中孔隙及高吸收组分的联通特性进行了跨尺度计算,得到这两种组分的三维团簇分布。与常见的图像阈值分割法相比,DCM模型有效减弱了部分体积效应对图像分析的影响。本文研究结果为考古样品的内部形态测量、结构分析提供了数据基础,为考古样品的数字建模存档提供一种新的方法。      

马鞍山旧石器时代遗址古人类行为的动物考古学研究

贵州马鞍山旧石器时代遗址的上、下文化层出土了大量动物碎骨.利用动物考古的量化单元对两个文化层动物骨骼组合的种属丰度和骨骼单元分布进行了量化,并观察、分析了骨骼表面痕迹的出现情况,复原了上、下文化层沉积时期马鞍山遗址远古人类的狩猎和处置猎物的行为,发现早晚两期的远古人类除了对猎物的选择有所不同,在搬运、处理和消费猎物的行为上也存在着不同,总体上讲,晚期远古人类比早期远古人类对猎物资源开发得更彻底.通过对动物群组成、年代、环境和文化遗物的综合分析,推测环境变化、人群迁移或者人口的激增可能是导致上述不同产生的原因.这一研究通过动物考古学方法复原了马鞍山遗址远古人类的猎食行为及其变化情况,为探讨中国晚更新世末人类的生存行为和演化特征提供了重要的研究材料和数据.     

张衡候风地动仪的原理复原研究

候风地动仪复原研究的分歧源于工作原理不清，影响到外形复原的合理性和对地动仪科学地位的公正评价。针对百年来悬垂摆和直立杆这两种基本原理的猜测，作者从现代地震学的角度出发，对验震器的特点、《后汉书》的记载、都柱结构与运动、陇西历史地震、洛阳的烈度以及洛阳地震台的现代地震记录图等进行了研究。认为候风地动仪的工作原理是悬垂摆，触发地动仪运动的是瑞利面波，共振起到放大作用。长期流行的直立杆原理(曾一度被误称为“倒立摆”)是不合理的。     

各向异性TI介质qP反射波走时层析成像

地震走时层析成像是反演地层各向异性参数分布的有效方法,但是关于地震各向异性介质走时层析成像的研究并不多,其技术远远没有达到成熟的阶段.在野外数据采集时,地表反射波观测方式相对井间和垂直地震剖面观测方式的成本更低,利用qP反射波走时反演各向异性参数具有更加广泛的实用价值.本文实现的TI介质地震走时层析成像方法结合了TI介质反射波射线追踪算法、走时扰动方程和非线性共轭梯度算法,它可以对任意强度的TI介质模型进行反演,文中尝试利用qP反射波走时重建TI介质模型的参数图像.利用qP反射波对层状介质模型和块状异常体模型进行走时反演,由于qP波相速度对弹性模量参数和Thomsen参数的偏微分不同,所以可以分别反演弹性模量参数和Thomsen参数.数值模拟结果表明:利用qP反射波可以反演出TI介质模型的弹性模量参数与Thomsen参数,不同模型的走时迭代反演达到了较好的收敛效果,与各向同性介质走时反演结果相比较,各向异性介质走时反演结果具有较好的识别能力.     

斜压基本气流对东亚夏季风区气旋扰动低频发展影响的数值模拟研究

本文将夏季气候平均的基本气流分解为正压和斜压分量,使用一个线性斜压模式,研究了不同斜压基本气流对热带西北太平洋地区初始气旋性环流扰动低频发展演变的重要作用.其中,控制试验较好地模拟出初始气旋扰动向西北方向传播、在西北太平洋季风槽附近停滞增强、在东亚地区出现经向波列和在南海到海洋大陆地区形成西北—东南向波列等特征.改变斜压分量的敏感性试验结果表明,正压基流不能为西传的初始扰动供给足够的能量;海陆热力差异引起东亚地区的纬向温度梯度和北风垂直切变,是东亚太平洋型经向波列形成和维持的重要因素;当基本气流中的斜压纬向偏差部分线性增大时,扰动的能量会呈e指数迅速增强,提示在气候变化的背景下,基本气流微小的改变可能带来天气或季节内扰动强度的剧烈响应.     

中国21kaBP气候模拟的初步试验

本文使用含有陆面过程的９层大气环流谱模式（ＡＧＣＭ＋ＳＳｉＢ）,在地球轨道参数和下垫面边界条件驱动下,对２１ｋａＢＰ的气候进行模拟试验。结果表明,２１ｋａＢＰ时中国东部干旱,西部和青藏高原湿润,全国普遍降温。该模拟结果基本捕捉了由古湖泊资料和孢粉资料重建的气候特征。对模式输出的大气环流场和降水场的分析揭示出,２１ｋａＢＰ东亚夏季风环流明显减弱,而青高原夏季风环流增强;冬季风环流较现在略有增强。该模     

物理模型超声CT图像代数法重建和结构识别

本文采用木板、有机玻璃板制作二维物理模型,并在模型中加入三个大小不一、位置各异、用石膏充填的方洞。对两个物理模型布置相同的观测系统,形成相同的射线方式,在等间距矩形像素条件下,每条射线的积分步长（射线穿过单个像素的射线段长度）皆为常数。由超声仪器沿指定射线采集各条透射波射线的走时数据（即Radon变换线积分的“观测值”）。应用“代数重建法”（ART加法修正迭代法）求解Radon变换的离散化方程组,重建二维物理模型的CT数字图像。在重建的模型CT数字图像中,能够有效地识别出“石膏洞”的存在和位置,验证了“代数重建法”CT成像技术及其对模型结构识别的有效性。本文是ART加法修正迭代的基础性应用工作,可为有关部门提供“代数重建法”CT成像实际应用参考。      

Spatiotemporal sunspot impulses and reversal of the polar magnetic field on the sun

The spatiotemporal organization of sunspots in the form of activity impulses (according to Gnevyshev’s terminology) is considered as a source of poleward magnetic surges of new polarity. Polar fields in the northern and southern hemispheres have been reconstructed from 1875 to 2012. An increase in the tilt angle of magnetic bipoles with latitude is a crucial parameter in the proposed model to reverse the polar field on the Sun. The role of the surface meridional flow forming magnetic surges of new and old polarities is discussed. It is shown that the velocity and the latitudinal profile of the flow influence the modeled polar field.     

Climate change analysis on historical watershed‐scale precipitation by means of long‐term dynamical downscaling

A methodology based on long‐term dynamical downscaling to analyse climate change effects on watershed‐scale precipitation during a historical period is proposed in this study. The reliability and applicability of the methodology were investigated based on the long‐term dynamical downscaling results. For an application of the proposed methodology, two study watersheds in Northern California were selected: the Upper Feather River watershed and the Yuba River watershed. Then, precipitation was reconstructed at 3‐km spatial resolution and hourly intervals over the study watersheds for 141 water years from 1 October 1871 to 30 September 2012 by dynamically downscaling a long‐term atmospheric reanalysis dataset, 20th century global reanalysis version 2 by means of a regional climate model. The reconstructed precipitation was compared against observed precipitation, in order to assess the applicability of the proposed methodology for the reconstruction of watershed‐scale precipitation and to validate this methodology. The validation shows that the reconstructed precipitation is in good agreement with observation data. Moreover, the differences between the reconstructed precipitation and the corresponding observations do not significantly change through the historical period. After the validation, climate change analysis was conducted based on the reconstructed precipitation. Through this analysis, it was found that basin‐average precipitation has increased significantly over both of the study watersheds during the historical period. An upward trend in monthly basin‐average precipitation is not significant in wet months except February while it is significant in dry months of the year. Furthermore, peak values of basin‐average precipitation are also on an upward trend over the study watersheds. The upward trend in peak basin‐average precipitation is more significant during a shorter duration. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

Evaluation of multidecadal and longer-term temperature changes since 850 CE based on Northern Hemisphere proxy-based reconstructions and model simulations

The temperature variability over multidecadal and longer timescales(e.g., the cold epochs in the late 15 th, 17 th, and early 19 th centuries) is significant and dominant in the millennium-long, large-scale reconstructions and model simulations;however, their temporal patterns in the reconstructed and simulated temperature series are not well understood and require a detailed assessment and comparison. Here, we compare the reconstructed and simulated temperature series for the Northern Hemisphere(NH) at multidecadal and longer-term timescales(30 years) by evaluating their covariance, climate sensitivity and amplitude of temperature changes. We found that covariances between different reconstructions or between reconstructions and simulations are generally high for the whole period of 850–1999 CE, due to their similar long-term temporal patterns. However,covariances between different reconstructions or between reconstructions and simulations steadily decline as time series extends further back in time, becoming particularly small during Medieval times. This is related to the large uncetainties in the reconstructions caused by the decreased number of proxy records and sample duplication during the pre-instrumental periods.Reconstructions based solely on tree-ring data show higher skill than multiproxy reconstructions in capturing the amplitude of volcanic cooling simulated by models. Meanwhile, climate models have a shorter recovery(i.e., lag) in response to the cooling caused by volcanic eruptions and solar activity minima, implying the lack of some important feedback mechanisms between external forcing and internal climate processes in climate models. Amplitudes of temperature variations in the latest published tree-ring reconstructions are comparable to those of the multiproxy reconstructions. We found that the temperature difference between the Medieval Climate Anomaly(950–1250 CE) and the Little Ice Age(1450–1850 CE) is generally larger in proxybased reconstructions than in model simulations, but the reason is unclear.     

Pg回折波的上地壳三维层析成象

提出利用人工地震Ｐｇ回折波走时重建区域上地壳三维速度分布的方法。正问题利用经典最小二乘迭代求解垂向速度梯度模型的参数值及相应走时残差。反问题采用泛函空间的最小二乘准则来实现。对速度不需要预先进行参数化处理，可以计算反演区内任意点的速度值。数值计算结果表明了该方法的可靠性。处理了滦县地震区人工地震Ｐｇ走时资料，获得了该区上地壳顶部的三维速度分布。     

ICT切片重构模型的剖切及应用

在ICT切片重构模型的可视化中,为了分析重构模型的任意截面形状,并且观察该截面的内部结构,需要对重构模型进行剖切.本文针对剖切提出一种简单方法,该方法利用剖切面对重构模型所在的立方体图像空间进行剖切,生成交点集合,然后将空间剖切平面映射到二维图像平面上,最后计算空间剖切平面图像的灰度值,得到剖面图像.通过剖面图像,可以直观地看到内部结构形状,为后续无损检测奠定基础.     

A multivariate non‐parametric model for synthetic generation of daily streamflow

A p‐order multivariate kernel density model based on kernel density theory has been developed for synthetic generation of multivariate variables. It belongs to a kind of data‐driven approach and is able to avoid prior assumptions as to the form of probability distribution (normal or Pearson III) and the form of dependence (linear or non‐linear). The p‐order multivariate kernel density model is a non‐parametric method for synthesis of streamflow. The model is more flexible than conventional parametric models used in stochastic hydrology. The effectiveness and satisfactoriness of this model are illustrated through its application to the simultaneous synthetic generation of daily streamflow from Pingshan station and Yibin‐Pingshan region (Yi‐Ping region) of the Jinsha River in China. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.