北大西洋涛动和北极涛动与新疆河川径流变化

分析了冬季北大西洋涛动(NAO)和北极涛动(AO)与新疆天山南北不同流域河川径流变化的关系.结果表明:影响北半球气温、降水等气候驱动因子的NAO和AO同样与新疆河川径流的变化具有显著的遥相关.在年际变化上,NAO和AO的强弱分别与径流变化的相关性具有明显的区域性差异;在年代际尺度上,NAO和AO有超前于新疆河流年径流5 a的显著相关,相关关系分别超过了95%和99%置信水平.NAO和AO变化对预测新疆河川径流的变化有很好的实际意义.     

基于机器学习方法重建的过去1000年北半球环状模（NAM）指数

基于机器学习方法重建的过去1000年北半球环状模受限于观测资料的短缺,关于北半球主要大气环流模态（Northern Annular Mode,简称NAM）的演变规律和机理还很不明确。运用树轮、冰芯、沉积物等代用指标重建时间序列更长的NAM指数有助于加深对其演变规律和驱动机制的认识。本文通过评估多种机器学习模型在古气候重建中的适用性,基于PAGES 2k的气候代用指标重建了过去1000年高分辨率（1年）的NAM指数。研究结果表明相比普通线性回归模型和随机森林等模型,CatBoost、极端随机树和主成分回归模型可以有效地避免过拟合,模型具有更高的稳定性和可靠性,其中CatBoost模型的重建结果与器测时段内NAM指数的相关系数最高（R=0.93,p < 0.01）,能够更好地拟合NAM指数的量级和峰谷变化。分析过去1000年NAM指数的变化特征,发现NAM具有显著的百年际周期（167.5年）和多年代际周期（32.3年）波动,1950~2000年NAM由负位相转向正位相的速率在过去1000年中前所未有。进一步探究NAM与温度和海冰的关系发现,1850年之前,暖期对应NAM增强,冷期对应NAM减弱;而在1850年之后NAM的多年代际变化与巴伦支-喀拉海海冰范围的变化趋于一致,1950年之后NAM向正位相快速转变可能是温度和北极海冰异常共同影响的结果。

     

中全新世和末次盛冰期北大西洋涛动变化及其与亚洲降水的联系:基于MPI-ESM模拟试验

本文利用古气候模式比较计划第三阶段(PMIP3)中MPI-ESM模式模拟输出, 采用主分量分析、回归分析、多窗谱分析等方法, 探讨了中全新世(MH)和末次盛冰期(LGM)北大西洋涛动(NAO)变化及其与亚洲降水的关系。结果表明:MH冬季NAO较现代有轻微增大, 南部高压中心东移; 而LGM冬季NAO明显减弱, 南北气压活动中心转为西南-东北走向。MH冬季强NAO信号可通过海洋记忆效应持续至夏季, 并以准静止Rossby波形式传至东亚地区, 导致乌拉尔山和鄂霍次克海阻高增强、贝加尔湖低压加深, 这种倒"Ω"流场增强有利于冷空气南下, 并通过热成风原理使得副热带西风急流增强, 急流南侧产生上升异常, 有利于该区降水产生; 而LGM时NAO减弱引起夏季倒"Ω"流场减弱, 冷空气南下弱于现代, 使得副热带西风急流减弱, 其南侧产生下沉异常, 最终抑制降水。因此, MH和LGM两阶段的NAO引起大气环流的变化可能对亚洲夏季降水产生影响。     

基于LMR的中国石笋氧同位素记录在过去千年气候同化中的应用初探

本研究利用中国石笋氧同位素记录填补了LMR(Last Millennium Reanalysis)的代用资料数据库在中国东部的空白,并分析了代用资料库优化后LMR对中国降水的同化能力。结果表明,中国石笋氧同位素记录的添加提升了LMR对中国东部36°N以南和西北地区降水的同化能力,能较好再现过去530年两个地区发生的旱涝事件。同化数据表明过去530年中国东部发生了干旱和雨涝事件各5次,西北地区发生了5次干旱事件和4次雨涝事件。其中中国东部1470~1526年、1918~1940年干旱事件和1877~1889年、1896~1914年雨涝事件可能主要受北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和大西洋多年代际振荡(AMO)共同作用,当AO、NAO和AMO处于显著正位相则中国东部易发生干旱事件,负位相则易发生雨涝事件;1808~1826年干旱事件和1827~1837年、1941~1950年和1977~2000年雨涝事件则主要受太平洋年代际振荡(PDO)影响,当PDO处于显著负位相则中国东部易发生干旱事件,正位相则易发生雨涝事件;1689~1781年干旱事件主要受PDO负位相、AO和NAO正位相影响;而1579~1607年干旱事件与大气涛动间的联系并不密切。在中国西北地区,18世纪末期之后接连发生的降水异常事件可能与AO、NAO和AMO的位相转变存在联系。

     

大高加索山南部大气降水氧同位素的气候意义

大高加索山脉位于黑海和里海之间,是欧洲与亚洲的分界线,该区域气候受到北大西洋涛动 (North Atlantic Oscillation, NAO)的强烈影响。为了对该区域的大气降水δ18O (δ18OP) 与NAO的关系有更加深入的认识,本文利用大高加索山以南6个全球降水同位素监测网(Global Network of Isotope in Precipitation, GNIP)站点的δ18OP数据,分析该区域δ18OP 的季节变化规律,以及δ18OP与温度和降水量等气象要素及大气环流之间的关系。得到以下主要认识：① 在月时间尺度上,δ18OP与月平均温度之间有着显著的正相关关系(p<0.01),表明该区域δ18OP主要受当地温度控制,表现出“温度效应”。② 北大西洋涛动通过改变西风的强度和位置从而影响δ18OP 的变化：当NAO呈现负相位时,此时西风输送较弱,使得来自地中海的富含18O的水汽能够达到大高加索山以南,该地区δ18OP偏正。而当NAO正相位时,西风急流输送较强,从北大西洋穿越黑海带来更多的δ18OP 偏轻的降水。因此,NAO所导致的水汽输送路径的变化可能是影响大高加索山以南地区δ18OP的重要因素,这一研究结果为利用该地区地质记录中的δ18O记录来重建过去的NAO变化提供了前提。     

NAO在末次冰盛期和全新世对AMOC影响的对比研究

大西洋经向翻转环流(AMOC)的年代际变率对气候变化起着重要的调制作用。在现代气候背景下, 北大西洋涛动(NAO)加强能使AMOC增强, 但这种关系在更长时间尺度上是否成立尚不清楚。本研究利用TraCE-21ka模拟资料, 对比分析末次冰盛期(LGM)和全新世时期NAO对AMOC影响的异同。结果表明, LGM时期较全新世时期经向温度梯度偏强, NAO位置偏南, 这导致NAO与AMOC关系的不同: NAO的增强在LGM时期可以使AMOC增强, 而在全新世使AMOC减弱。具体地, 在LGM时期NAO的加强使北大西洋副极地气旋性环流增强, 其南支导致向北的高盐海水输送增加, 从而使北大西洋副极地区域密度升高, AMOC增强。与此同时, NAO正位相还能在中纬度激发异常的Ekman下沉流使AMOC加强。相反, 在全新世时期, NAO正位相导致北大西洋副极地地区气旋性环流减弱, 这导致中纬度向高纬度输送的高盐度海水减少, AMOC减弱。本研究表明NAO与AMOC的关系在很大程度上取决于不同气候背景下NAO的位置。

     

2000-2020年格陵兰冰盖夏季表面温度变化及其对物质平衡的影响北大核心CSCD

基于MODIS温度产品,着重分析了2000-2020年格陵兰冰盖夏季表面温度和表面融化范围的年际变化趋势;联合IMBIE(冰盖物质平衡对比实验)数据分析表面温度对于冰盖物质平衡的影响;进一步讨论了大气环流对于格陵兰冰盖表面温度变化的影响。结果表明:格陵兰冰盖夏季表面温度和融化范围趋势较为一致,2000年初期呈现出显著的上升趋势,2012年达到峰值,随后波动下降;整个研究阶段北部区域是增温速率最大的区域,高于其他任何区域两倍,东南部和西南部是温度最高的区域却具有最小的增长率;格陵兰冰盖夏季表面温度、融化范围以及物质平衡之间都具有显著的相关性,同时格陵兰冰盖夏季表面温度每上升1℃,会导致其物质损失增加74.29Gt·a;最后,经过对北大西洋涛动(NAO)和格陵兰阻塞指数(GBI)指数的分析得到,格陵兰冰盖夏季表面温度受到GBI的影响要强于NAO的影响,冰盖夏季表面温度和NAO呈现出负相关(r=-0.64,P<0.05),和GBI呈现出正相关(r=0.77,P<0.05)。     

钱塘江河口过江隧道河段极端洪水冲刷深度的预测

钱塘江河口为强冲积性河口,在洪潮水流共同作用下河床冲淤剧烈,极端洪水条件下河床的冲刷深度是过江隧道工程的关键问题之一。基于河床演变分析、动床数值模拟和动床物理模型等研究手段,建立了钱塘江河口过江隧道河段洪水冲刷深度的预测模型,分别经钱塘江河口的典型实测地形、水流泥沙及河床冲淤等实测资料进行验证。在此基础上预测了某过江隧道河段在极端洪水作用下河床最大冲刷深度,三种研究方法所得的结果定性定量基本合理,且与后来地质详勘的沉积分析成果基本一致,进一步表明了预测模型的可靠性,预测的最大冲刷深度可为过江隧道的合理埋设提供科学依据。     

关于测量大口径HDD环空泥浆固结特性新方法的研究

水平定向钻进（HofizontNDirecfionl Drilling,简称HDD）是采用安装于地表的钻孔设备。对于大直径管道来说,工程竣工后在钻孔和管道之间要留下300mm-400mm的环状间隙。要对泥浆固结后进行应力应变的分析,前提是要知道环空泥浆的固结时间。而传统测量环空泥浆的固结时间的方法存在着很多问题与缺陷,这也导致了时间检测上面误差较大,从而耽误了研究泥浆固结后受力分析的最佳时间。因此,弄清泥浆固结时间的变化规律非常必要,而目前国内在判定泥浆固结时间的方法上仍处于空白阶段。针对这一状况．本人设计采用两种方法进行固结时间的判定,通过湿度传感器测量环空泥浆间隙的水蒸气含量进行泥浆固结时间的判定。     

Analysis of the Modes of Aggregation of Scientific Data and Proposals for its Development in China

Scientific data are strategic resources, and the aggregation of scientific data is an important method to seize the upstream and competitive highlands of scientific data. Notably, it is challenging to grasp the international situation and the scientific laws concerning the mode of scientific data aggregation; exploring the modes and methods of scientific data aggregation that are suitable for China's national conditions is also difficult. This paper investigated and analyzed the modes of scientific data aggregation both at home and abroad from the viewpoints of international organizations, international scientific programs, government agencies, and professional data centers. Five modes of scientific data aggregation were summarized, including scientific research projects converging to designated data centers/repositories, scientific research projects dispersing to data centers/repositories, individual scientists submitting datasets to data centers/repositories with published papers, scientific research projects/individual scientists sharing directories/networks, big data computing/processing platform, and citizen science models of open and public convergence. This paper analyzed each mode and the corresponding cases. On this basis, the paper put forward six suggestions for the reasonable aggregation of scientific data in China, including the implementation of the “Measurement of Scientific Data Management”, certification of data aggregation centers, scientific data collection and publishing in journals, construction of data aggregation networks, aggregation of international resources, and construction of the whole data aggregation chain.     

全球季风和季风边缘研究

全球卫星探测和观测资料的积累,使以南海季风、亚洲季风为代表的季风研究兴起了一波研究热潮。区域季风认识的深入,推动了全球季风认识的发展,全球季风概念在20世纪末被提出来,并在21世纪初成为热点研究方向。季风边缘是与全球季风密切相关的概念,东亚夏季风北边缘的近期演变与全球季风过去几十年的减弱有关。全球季风的演变表现为分布全球的大气活动中心和季风槽的活动,[JP2]这些成员组成了一个完整的全球季风系统。按照上述季风研究的发展脉络,系统地总结全球季风和季风边缘研究的进展,并提出未来季风研究的方向会把全球大气活动中心与全球气候槽,包括全球季风槽联系起来,即从季风系统着手研究全球季风的年代际和世纪尺度变率。     

高端计算机网络共享系统支撑的科学和工程革新

科学和工程研究被计算、信息和通讯技术的持续进步推动着，被今天自身研究增加的复杂性、范围和尺度的挑战拉动着。数字计算、数据、信息和网络以及计算机模拟技术的应用，正在形成替代和拓展理论/分析、实验/观察2个经典的研究方法去创建新的学科的趋势。近来多种趋势表明一个如何创造、传播和存储科学和工程知识更伟大、更迅速的真正变革即将到来，美国应当把握这个机遇、承担责任，去整合和拓展数字革命的成果，服务于下一代的科学和工程研究及相关教育。高端计算机网络共享系统的关键在于将数据、信息、工具、仪器，包括超级计算、存储以及交流等综合性的知识资源完全服务于具体的研究群体，提供新的途径，使研究人员在发现和探索研究上获得更多更好的信息，使得研究小组跨时间、区域、部门甚至学科间实现共享和协作。坚持美国学术研究团体所使用的高端科学计算必须是最先进的，国际科学基金会与其它适当团体机构间的合作应该为创造和维持现代数据驱动科学研究所必需的重要数据资料档案库负主要责任2个原则，并通过建立NSF内部组织、科学和工程组织来保障系统的实施。这是美国国家科学基金会(NSF)信息基础设施（Cyberinfrustructure）高级咨询组的报告《通过信息基础设施促进科学和工程的革命》的主要内容。      

Review of the Global Monsoon and Monsoon Marginal Zones

全球卫星探测和观测资料的积累,使以南海季风、亚洲季风为代表的季风研究兴起了一波研究热潮。区域季风认识的深入,推动了全球季风认识的发展,全球季风概念在20世纪末被提出来,并在21世纪初成为热点研究方向。季风边缘是与全球季风密切相关的概念,东亚夏季风北边缘的近期演变与全球季风过去几十年的减弱有关。全球季风的演变表现为分布全球的大气活动中心和季风槽的活动,这些成员组成了一个完整的全球季风系统。按照上述季风研究的发展脉络,系统地总结全球季风和季风边缘研究的进展,并提出未来季风研究的方向会把全球大气活动中心与全球气候槽,包括全球季风槽联系起来,即从季风系统着手研究全球季风的年代际和世纪尺度变率。     

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。     

对流层大气氧化性研究进展

对流层大气氧化性是对流层大气自我清洁能力的一个重要指标,对流层中大多数痕量气体都是通过氧化过程清除的.回顾近半个世纪以来对流层大气氧化性的研究历史,对流层大气氧化性的研究无论是从测量技术还是模式研究方面都已取得了一定的进展.工业革命以来,由于人类活动的影响,CO、NOx和碳氢化合物等大气污染物排放增多,使得全球对流层大气OH浓度呈下降趋势,未来对流层大气氧化性的变化很大程度上也取决于这些气体的排放情况.利用全球三维大气化学传输模式MOZART研究中国地区对流层大气OH自由基的分布和变化趋势表明,与全球OH自由基变化趋势不同,近10年来中国东部地区OH自由基浓度趋于增加.未来对流层大气氧化性研究的关键问题仍是OH自由基测量技术的提高问题,OH自由基观测结果是完善对流层光化学机制和改进大气化学模式的先决条件.     

美国科学基金会地球科学远景报告介绍

21世纪地球科学已经发展成为结合与联系了生物科学、社会科学、计算机科学、物质科学和工程科学等许多学科在内的真正跨学科科学。地球科学面临新的挑战和发展机遇,为了更深入地理解地球及其内部的相互作用,要求地球科学必须应用整体系统性分析方法,探索应用来自所有科学与工程学科的最新知识和技术。美国科学基金会(NSF)地球科学咨询委员会(AC-GEO)针对地球科学面临的新挑战,指导"地球科学远景工作组"(GEO Vision Working Group)制订了地球科学未来发展的新的规划:《地球科学远景(GEOVISION)——通过地球科学揭示未被拆散的地球的复杂性》,强调从整体系统角度来迎接地球科学未来面临的挑战。主要介绍《地球科学远景报告》的主要观点,AC-GEO提出的地球科学面临的3大挑战、5个重大科学问题,以及迎接挑战的3个措施与10个建议。