基于月球动力学演化的地质年代划分

月球地质年代表将月球的地层按形成的时间顺序划分为不同的时代,能够清晰地表达月球的整体演化历史.在地基望远镜观测和阿波罗时代早期,由于当时所用数据的空间覆盖度和分辨率有限,所建立的月球地质年代划分存在部分缺陷.在阿波罗时代结束以来的几十年里,人类对月球进行了更广泛的研究,拓展了对全月地质演化的认识和理解.基于对月球动力学演化的综合性分析,本文对当前的月球地质年代表进行了更新,特别考虑了内动力地质作用和外动力地质作用在月球早期演化中所发挥的作用.首先,根据内动力和外动力在不同时期对月球改造的效应,提出了三阶段月球动力学演化模型,并建立了三个相应的“宙/宇”级别的年代及地层单元.其次,为了更清晰地反映月球的演化历史,以南极-艾肯(SPA)盆地的形成为界线将前酒海纪划分为了岩浆洋纪和艾肯纪,其中较年轻的艾肯纪是以SPA盆地的形成为起点.本文识别了SPA盆地的溅射物地层,即达斯建造,其沉积在月球的原始月壳上,是岩浆洋结束后保存下来的最古老的外动力成因地层.更新的月球地质年代表系统综合了阿波罗时期以来月球探测和研究的成果,构建了一个描述月球演化历史的系统框架,能够更方便地开展月球地质研究,对其他类...     

基于量子计算机的海洋环流模拟算法

对海洋环流进行准确且高效的模拟是海洋科学的一个基本任务,也是一个众所周知的难点,因为它涉及求解多变量的非线性偏微分方程组.本文首次提出一种基于量子计算机的海洋环流模拟算法,可以提供指数级的量子算力加速.本文算法从海洋动力学原始方程出发,经过空间和时间离散化得到若干具有稀疏系数矩阵的线性方程组,然后利用变分量子线性方程求解器求解,从而使算法更容易在近期量子计算机上运行.这一算法属于量子-经典混合算法,为此我们发展了一套基于量子存储器和l_∞范数态层析的数据流控制方案,以完成量子计算机与经典计算机之间的数据交互.我们在MATLAB、量子虚拟机和真实量子计算机等多种计算平台上验证了算法的有效性,并讨论了测量次数和量子门噪声等因素对算法输出结果准确性的影响.结果表明,误差缓解技术可以有效提高输出解的精度.我们的算法是利用量子计算机模拟海洋环流这一挑战性问题的一个重要进展,随着量子计算科技的迅速发展,它有望在不久的将来获得应用,从而有力地促进海洋科学的发展.     

预测区域尺度深层土壤有机碳的方法

深层土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)在陆地生态系统碳循环中发挥着重要作用,对其准确估算是科学认识土壤碳汇潜力的基础.然而,如何准确估算区域尺度深层土壤SOC一直是亟需解决的难题.文章建立了基于深度分布函数的预测区域深层土壤SOC的经验方法,利用全球4个不同区域的土壤剖面SOC数据库对该方法的适用性进行评估,并验证了该方法在中国黄土高原地区的应用.结果表明,在本研究所选择的深度分布函数中,负指数函数对土壤剖面SOC的模拟效果最佳,其参数C_e和k分别与0～20cm土层SOC含量和0～40cm土层SOC变化率呈现显著的线性关系.基于这些关系,建立了预测区域尺度负指数函数C_e和k的经验方程.结合负指数函数与经验方程,形成了预测区域尺度深层土壤SOC的经验模型.该模型能准确预测黄土高原样点和区域尺度500cm土层土壤SOC.因此,本研究提出的方法可简单、快速、准确地预测区域尺度深层土壤SOC.     

我国各大流域复合高温干旱事件变化趋势与归因分析

受全球气候变化影响,复合高温干旱事件呈现增加趋势.通过构建表征复合高温干旱重现期变化的全微分方程,提出了一种复合高温干旱变化的归因方法,并利用1921～2020年月气温和月降水观测资料,分析中国夏季复合高温干旱事件时空分布特征及变化趋势,量化降水变化、气温变化和降水-气温相关关系变化这三种驱动因子在中国夏季复合高温干旱事件变化中的贡献.结果表明:近年来中国大部分地区夏季复合高温干旱事件呈现出明显的增加趋势,气温变化、降水变化、降水-气温相关关系变化对干旱高温复合事件变化的贡献依次递减.气温变化幅度最大、影响范围最广,在长江中上游地区以外的区域均导致复合事件增加,是最主要的驱动因子之一;降水变化是中国西部特别是新疆北部、青海和甘肃地区复合事件减少的重要原因;降水-气温关系则与其他驱动因子一起导致了在华南地区复合事件重现期的缩短和华东、西北部分地区复合事件重现期的增加.与此同时,降水和气温的均值趋势与离散程度的变化均可能导致复合高温干旱事件重现期的变化.     

海洋三维大地电磁的两步反演法:模型测试

大地电磁(MT)响应的反演已被广泛用于探索地球内部的电导率分布.因为大多数三维反演方法的反演结果都会受到初始模型的影响,因此在三维大地电磁反演中,使用好的初始模型非常重要.尽管均匀初始模型广泛用于三维反演,但一维的初始模型也是个不错的选择,因为一维模型较均匀模型可以更恰当地描绘地球内部的实际电导率变化.本研究提出了一种分两步进行的三维反演方法,该反演方法尤其适用于海洋大地电磁研究.该方法首先反演得到一维初始模型,进而依此反演三维电导率结构,并且这两次反演中均考虑了表层三维地形变化.该方法测试了含有不同地形变化(凹陷、平滑变化、槽形和方形高原地形)和不同三维棋盘类型异常(尖锐或平滑横向电导率变化)的三维电导率模型.文章比较了基于所提出方法获得初始模型和基于地形校正方法得到的初始模型,还对基于本研究方法得到的三维反演结果与基于不同的均匀初始模型得到的反演结果进行了比较.利用新引入的模型矢量参数的方向信息讨论了这些反演的结果,验证了该方法的性能和有效性.文章还揭示了新引入的模型向量参数可用于显示反演的收敛性,将有助于选择合适的反演模型.     

青藏高原地形重力波对东亚春季降水的重要作用

春季持续性降水是东亚夏季风爆发前的主要雨季,对东亚地区乃至全球水循环都具有深刻影响.过去研究揭示了青藏高原大尺度地形的动力和热力作用对东亚春季降水的重要影响,但青藏高原小尺度地形的作用尚不明确.本研究发现,副热带西风流受青藏高原小尺度地形扰动激发的地形重力波,同样对东亚春季降水具有重要贡献.垂直传播的地形重力波在对流层中层发生破碎,产生纬向拖曳,从而驱动跨越青藏高原的经向环流.在青藏高原南侧,经向环流上升支的动力抽吸作用使得对流层低层气压减弱,从而增强经向气压梯度力和西南季风,将更多水汽输送至下游东亚地区,最终导致春季降水的增多.该研究有助于更加全面地理解青藏高原多尺度地形对东亚春季降水的影响,为西风-季风协同作用提供了新的视角.     

深时镁同位素风化指标的验证与新解释

沉积岩碎屑组分镁同位素被广泛应用于恢复深时大陆风化强度.现有深时镁同位素风化指标基于风化残余物镁同位素随化学风化强度提高的一阶段风化模式.但是,近期实验与现代风化剖面研究发现了优先利用轻镁同位素的次生黏土矿物,挑战了深时镁同位素指标的理论基础.本研究测试了华南地区晚古生代沉积岩与中国南海沉积物样品的矿物、元素与镁同位素组成.通过对比深时镁同位素风化指标与化学蚀变指数(CIA)、镁损失量和矿物组成等风化指标来验证深时镁同位素风化指标.结果表明,在较高风化强度下镁同位素随风化强度提高而降低,而在较低风化强度下镁同位素随风化强度的提高而增加.该结果表明在不同风化强度下存在不同的镁同位素行为,以往的一阶段镁同位素风化模式无法准确追踪大陆风化强度的变化.结合深时样品数据、现今风化剖面与实验研究,我们建立了三阶段的镁含量-镁同位素风化模型.在风化初期,原生矿物的溶解与次生黏土矿物的形成造成镁含量的快速降低与镁同位素轻微提高.转换阶段土壤底层绿泥石、蛭石等富镁黏土矿物大量生成造成镁含量和镁同位素的跃升.在进阶风化阶段中,具有较重镁同位素的富镁黏土矿物优先风化,造成镁含量与镁同位素的同步降低.     

行星边界下的可持续食物系统评估及策略研究进展

以资源环境可持续的方式满足日益增长的食物需求是一项全球性挑战,行星边界概念框架的提出从土地利用变化、淡水利用、氮磷循环和温室气体排放等维度为可持续食物系统研究提供了科学参考.本文在全球和中国尺度,总结了行星边界框架在可持续食物系统研究中的阈值应用;基于以上阈值,评估了食物系统在耕地、淡水、氮、磷等资源利用和氮磷损失、温室气体排放等环境影响的可持续状况;梳理了改变饮食结构、改进技术和管理水平、减少食物损失浪费、优化农业生产布局等单一和综合管理策略在食物系统可持续方面的作用;最后,提出了未来可持续食物系统研究的发展方向,包括加强食物系统中各行星边界要素之间相互作用机制的研究、加强食物系统中各行星边界在国家和区域等的降尺度研究以及加强中国可持续食物系统政策制定的合理性等.本文能够为全球和中国未来可持续食物系统和农业土地利用管理提供理论基础和策略依据.     

基于黏弹模型的鲜水河断裂震间闭锁状态研究

断层滑动速率和闭锁状态是定量评估区域地震危险性的关键依据,然而相对于同震破裂或震后余滑来说,断层闭锁引起的地表变形较弱,利用地壳变形资料获取可靠的断层闭锁状态具有一定的挑战性.本文考虑地震周期过程中的黏弹松弛效应和其他模型参数(如块体内部应变等)的影响,融合了新增的13个近场GPS测站和区域内已有测站的观测资料,研究了鲜水河断裂的滑动速率和闭锁状态.结果显示,弹性模型会显著高估断层的闭锁深度,导致地震矩的积累速率被明显高估;同时,弹性模型得到的断层滑动速率(8.9～9.9mm a^-1)略低于黏弹模型的结果(10.5～11.6mm a^-1),与理论模拟结果一致.根据获取的鲜水河断裂的闭锁强度,沿断层走向圈定了四个潜在的凹凸体.重要的是,圈定的凹凸体与断层上历史地震的破裂分布存在明显的空间相关性,暗示凹凸体的空间特征可能控制了地震的破裂范围和震级.另外,发现2022年M6.8泸定地震仅破裂了一个潜在凹凸体的部分区域,未破裂区域积累的能量相当于一个M_w6.9的地震,潜在的地震危险性值得重点关注.     

多区域海洋M3分潮的观测与验证

M₃海洋分潮(三阶潮或一日三次周期潮汐)经常受到忽视,因而对M₃分潮进行更精确的分析研究,可以提高潮汐预测、海洋数值模拟、大地测量的准确度.尽管M₃分潮在整体潮汐所占比例较小,但由于陆架共振及其他影响,某些沿海地区M₃潮可大大增强.本文使用157个验潮站的数据,以及9年时间窗口,对水位变化进行了潮汐谐波分析.本文还分析了太阴M₃潮,将这些结果与全球同化的模型数据(TPXO9v5a)进行了比较,重点研究了西太平洋和欧洲陆架地区.与验潮站数据相比,大部分区域TPXO9v5a导出的M₃潮振幅和相位滞后表现良好,但在沿海和地形复杂的区域,其结果误差较大.在欧洲陆架海域使用了一个浅水数值模型(MARS),该模型在某些地区优于TPXO的结果.在欧洲陆架海域的五个子区域中, TPXO在三个地点的M₃振幅及相位滞后预测的均方根误差(RMSE)更小.而在其他子区域, MARS模拟结果更为准确.本文发现一些地点的M₃振幅有着显著长周...     

青藏高原植被物候对不同强度极端温度和降水的差异化响应

量化气候因素如何影响植被物候对于理解全球变化背景下气候-植被相互作用以及碳水循环至关重要.然而,不同强度的极端气候事件对青藏高原植被物候的影响尚不明确.利用长期日光诱导叶绿素荧光遥感,研究了2000～2018年青藏高原植被物候对不同强度极端温度和降水事件的响应.研究发现,随着温度梯度的增加,最高温度暴露天数(Maximum temperature exposure days, TxED)和最低温度暴露天数(Minimum temperature exposure days,T_nED)均导致春季物候(Start of the growing season, SOS)由延迟转为提前.然而, T_xED和T_nED对秋季物候(end of the growing season, EOS)的影响随着温度梯度的增加由提前转为延迟,直到达到温度阈值.超过该温度阈值将会对植被生长产生不利影响,引起EOS提前结束.具体而言,对应的最高和最低温度阈值分别为10.12℃和2.54℃.对于累积降水(Cumulative precipitation...     

中国328个城市的植被覆盖度长期变化特征及其驱动因子

城市绿地有助于促进城市居民健康,增强城市生态系统生物多样性,减轻环境污染,缓解城市热岛效应.然而城市植被盖度异质性高,量化难度大.本文利用30m分辨率的陆地卫星数据,研究了1990～2022年间我国328个城市植被覆盖度的变化.结果显示, 1990～2005年,由于城市内建筑容积率和不透水表面的增加,全国平均城市植被覆盖度由0.38降至0.35.此后,城市植被覆盖度开始逆转,到2022年增长至0.45,这种增长趋势在新建城区最明显. 2005年以前,平均城市植被覆盖度的降低主要是低植被覆盖区域的扩张造成的;此后,城市植被盖度的增加则表现为高植被覆盖区域的扩张.城市植被覆盖度变化趋势的转折与2004年以后国家陆续出台政策要求增加城市绿地覆盖度有关,城市国内生产总值与城市植被覆盖度变化呈现最高相关性.对于大城市和中等规模城市,影响植被覆盖度的前三个因子分别为国内生产总值、城市人口和气温.但对于干旱/半干旱地区的城市,植被覆盖度变化对气候因素(如降水)的敏感度更高.尽管近年来中国城市的总体植被覆盖度显著增加,但在小城市和大城市老城区的城市绿地仍有改善空间.     

致密砂岩油运聚动力学机制及含油饱和度预测的数值模拟

定量刻画致密砂岩油运聚是油气勘探领域的研究前沿.本文设计了包含多种基本地质要素的概念模型,构建了致密砂岩油运聚的非线性渗流数值模型.研究了滑移效应、超压驱动力、浮力、毛管力对致密油运聚的影响规律,模拟结果表明:(1)致密储层和常规储层的石油运聚差异体现在饱和度的增长方式、油水分布特征、地层倾角影响等方面;(2)平均孔喉半径小于150nm时滑移效应影响较大,超压驱动力和毛管力是控制致密砂岩油运聚的主要力学机制,浮力、毛管力和超压驱动力耦合作用控制致密砂岩含油饱和度上限和下限.最终,本文形成了快速预测致密砂岩含油饱和度的有量纲和无量纲图版,并通过实测数据进行了检验.研究结果为分析致密砂岩油运聚机理提供了基础,并且为其含油饱和度预测提供了一种新的途径.此外,本文还发展了运聚结果的数字化和可视化分析方法,充实了油气成藏动力学的表达方式.     

全球变暖背景下中国森林春季木质部物候提前的模拟证据

植被物候对当前和未来全球气候变暖的响应,直接影响森林生态系统初级生产力的变化.然而,由于树木木质部物候的监测数据十分稀少,学界较少关注树木木质部物候的变化,这阻碍了对森林大空间尺度碳收支的评估和预测.本研究使用基于生理生态过程的树轮生长模型(Vaganov-Shashkin模型)模拟1962～2016年中国森林站点春季树木木质部物候(木质部生长季开始时间)的时空变化.使用实测树轮宽度序列(70条)对树轮生长模型模拟结果进行校正,校正后的模拟结果与已有独立的微树芯监测结果显著相关.模拟结果发现,全球变暖背景下春季木质部物候在1962～2016年期间显著提前,其提前速率在20世纪90年代后显著增快,平均每年提前0.25天.生长季前的日均温与大多数站点(71%)的生长季开始时间显著相关,表明其可能是中国树轮站点春季木质部物候的主要气候驱动因子.春季增暖的气温允许树木生长的热量需求更早达到,因此导致春季木质部物候显著提前.生长季前日均温每升高1℃,春季物候提前6～7天,这将有益于偏冷湿环境下树木的径向生长.模拟的春季树木木质部物候与遥感物候间存在显著正相关,表明全球增暖背景下树木初生生长和次生...     

识别液态和固态水的四波段水指数及其在咸海流域的应用

虽然已有许多水指数被运用于咸海和咸海流域的水域面积分析,然而已有研究尚存在很大的不确定性.由于所使用水指数存在水体误识别的问题,导致不同研究得出的结论差异很大.此外,各种研究采用的咸海流域面积也差异很大,流域面积从约1百万km²到2百万km²不等.因此,我们首先界定咸海流域、锡尔河和阿姆河流域以及它们的上、中、下游的边界,然后提出可识别液态水和固态水的四波段指数(ILSW),以解决传统水指数的误别偏差问题. ILSW基于绿色、红色、近红外和热红外波段反射值,是归一化差异水指数(NDWI)和地表温度(LST)的合成.验证结果显示, ILSW水指数在咸海流域的准确性远远超过其他指数.研究结果表明,南咸海的水域面积平均每年缩小963km²,而北咸海几乎没有变化;由于气候变暖,咸海流域上游常年冰雪面积有大幅度退缩趋势,阿姆河上游和锡尔河上游常年冰雪的退缩速率分别为年均6233和384km²/a.气候变化和人类活动引起了严重的水亏问题.自20世纪90年代以来,水亏呈增长趋势,平均每年增长3.778亿m     

2022年1月15日汤加火山海啸对中国沿海的影响分析

2022年1月15日12:15(北京时间),汤加附近的洪阿-汤加-洪阿哈派(Hunga Tonga-Hunga Ha′apai)火山喷发,造成了剧烈的气压扰动并激发了大气兰姆波,后者通过海气界面引发了胁振水波.胁振波与兰姆波以约306m/s的平均速度在洋盆传播,自由海啸波以速度较慢的重力波速度跟随其后.中国沿岸26个验潮站水位显示,台湾岛东部验潮站在15日约20:00记录到了与大气兰姆波几乎同时到达的胁振波;然而,大陆验潮站在兰姆波到达至少2h之后,才监测到海啸波.理论分析和数值试验表明,在胁振波从琉球群岛和吕宋海峡外侧入射大陆沿海的过程中,面对逐渐变浅且宽广的陆架,胁振波逐渐与兰姆波相位分离,演变成了浅水重力波.后续到达的自由海啸波与演变的浅水重力波叠加,造成中国沿海超过36h的水位波动.台湾岛东部监测到的最大波幅为乌石站44cm,大陆东部沿海和华南沿海最大波幅分别为石浦站22cm和珠海站13cm.采用谱方法对波能进行分析,结果显示,影响台湾岛东部的海啸主成分为自由海啸波;而对大陆沿海而言,演变的重力波与自由海啸波能量几乎相当,这是由于前者周期更长,能量更加不易耗散,浅水效应也更加显...     

季节补偿效应导致2015/2016厄尔尼诺期间北半球未发生明显的碳汇降低

厄尔尼诺事件通常在北半球导致广泛的植被生长下降和碳汇降低.然而,基于遥感观测、全球陆地生态系统模型模拟及大气CO₂反演多套数据,本研究表明在2015/2016厄尔尼诺成熟阶段,北半球(主要为热带之外的区域)植被普遍持续增绿,陆地碳汇未见减弱.研究结果发现,春季植被生长增强对随后的夏季和秋季植被生长有明显的补偿效应,这种补偿效应维持了夏季植被增绿,并导致2015年春季、夏季及2016年春季陆地碳汇略有增加,特别是在生长季前期(前一年的11月至当年的3月)水分供应增加的北半球热带之外的区域.两套独立数据集结果表明,相对于厄尔尼诺事件发生前5年均值, 2015年春季和夏季陆地碳汇分别平均增加23.34%和0.63%, 2016年春季平均增加6.82%.同时,相较于1997/1998厄尔尼诺事件,更强的季节补偿效应有效地缓解了2015/2016年厄尔尼诺事件对植被生长的不利影响.本研究进一步明确,生长季前期的供水对后续植被生长的遗留效应能够持续约6个月.该研究结果凸显了季节补偿效应在应对偶发性极端厄尔尼诺事件时对植被生长和陆地碳汇的调节作用.     

基于供需分离加剧的近30年来中国谷物碳排放转移时空演变

食物系统是人为温室气体排放的重要来源之一,在“双碳”背景下由于食物生命周期生产和消费分离加剧引发的碳排放转移对整体食物系统温室气体减排的影响还尚不明确.本研究初步构建了水稻、小麦、玉米三类谷物生产阶段生命周期的排放清单,分析了谷物供需关系的时空演化特征.引入空间均衡模型,模拟了中国1990～2018年不同类型谷物的区域间流动并核算由此产生的碳排放转移及其效率与特征.研究发现:(1)谷物供需不均衡程度加剧,供给和消费的重心距离扩大了3.2倍,谷物供需分离导致全国谷物区域内自给能力减弱.(2)水稻和小麦区域内供给增多导致排放转移总量逐渐减少,玉米跨区域供给增多导致排放转移总量逐渐增加.(3)谷物整体的空间排放转移效率较高,小麦和玉米的排放转移引起了全局高效减碳,而水稻的排放转移相对低效增碳.(4)全国各省份谷物生产碳足迹呈下降趋势,但由于谷物供需分离加剧导致部分粮食主产区表现为低效增碳.本研究建议:基于“双碳”治理目标,进一步优化种养空间结构,加强区域内谷物供给,结合分区治理策略加强低碳生产结构优化与耕地利用结构调整.     

植物根系碳输入对非根际土壤碳库贡献的全球定量研究

植物根系碳输入(I_root)是土壤碳的主要来源.一部分I_root进入土壤后会通过根际微生物呼吸、淋溶和动物啃食等过程迅速离开土壤(I_loss),从而限制I_root对土壤固碳的贡献.然而,全球尺度上鲜有针对I_root和I_loss的定量研究.通过整合三套全球观测数据集(包括土壤放射性碳同位素¹⁴C、植物地上和地下净初级生产力以及植物根系生物量垂直分布,共计2,034个站点),文章估算了I_root和I_loss及其全球分布格局.结果表明,全球0～200cm土壤中,I_root平均为3.5Mg ha^–1a^–1,其中约80%为I_loss.I_root随土层深度增加指数减少,全球0～200cm土壤中超过60%的I_root集中在表层0～20cm;I_loss的绝...     

热带海表面温度及中纬度大气环流对青藏高原9月降水异常的共同影响

由于青藏高原独特的地理位置,其降水受到热带和中纬度异常环流系统的共同影响.利用观测、再分析和CMIP6模式数据,本文揭示了印度洋偶极子(IOD)和丝绸之路遥相关(SRP)对青藏高原9月降水年际变率的单独和联合影响.当IOD处于正位相,热带印度洋异常纬向海温梯度激发一个Gill响应,在印度次大陆和孟加拉湾低层产生异常反气旋.其北侧的异常西风在青藏高原南坡形成浅槽,相关的异常西南风向青藏高原东南部输送水汽,导致东南部降水增加.同时,北大西洋的西风急流扰动能够激发一个SRP遥相关波列,在印度北部产生一个倾斜的斜压结构,即中西亚对流层高层为异常反气旋,而印度北部对流层低层为异常气旋.异常气旋东侧的西南风向东南部青藏高原输送大量水汽,并造成降水增加. IOD和SRP的联合影响可以解释将近52%的青藏高原降水异常,远超过IOD(19%)和SRP(27%)的单独贡献.本文强调了考虑热带和中纬度驱动因子共同作用的必要性,这为更准确地模拟和预测青藏高原降水提供了线索.