深入探索全球变化机制——国家自然科学基金委重大研究计划的战略研究

全球变化作为历史上第一个由科学界提出的全球性政治问题,强有力地推动着学科发展.同时,国际主流意识在全球变暖问题上几十年来的巨大变化和当前面对的剧烈争论,反映出全球变化理论认识上的不成熟性.当前,我国全球变化研究已获得国家重大科学研究计划的支持,国家自然科学基金委可以集中力量支持变化机制基础理论的深入探索,从地球系统科学的高度、在更大的时空范围内研究变化机理,力争在基础理论上有所突破.全球变化的机制,主要涉及温室气体的气候效应、CO2与生源要素循环和气候系统中的水循环三大基础科学问题.建议我国针对基础问题,结合本身特色,聚集力量采取以下举措:(1)开展长期观测—科学和技术的结合;(2)穿越时空尺度—不同过程的辨识;(3)促进学科交叉—发展比较行星学等学科;(4)设置大型计划—发挥我国自然条件的优势.藉以揭示地球系统的运行机制,促使我国的相应学科尽早实现从跟踪到创新、从"原料输出型"到"深加工型"的转变.     

中国湖泊生态系统突变时空差异

人类活动的加强导致湖泊生态系统发生"突变",造成生物多样性下降、藻类暴发、水质恶化等等环境和生态问题.中国许多湖泊已经发生"突变"或面临着突变风险.获悉湖泊生态系统发生突变的时空差异对于区域湖泊的保护,预防湖泊突变的发生以及制定合适的修复策略至关重要.本研究收集了中国55个不同区域湖泊的古湖沼学数据,探讨了湖泊突变的区域特点.研究确定了湖泊生态系统发生突变时间和区域差异,并揭示了空间差异的原因.结果表明,中国湖泊生态系统突变时间的区域分异特征为:长江中下游湖泊最早出现突变;东部和东北湖区湖泊突变时间明显早于西南、内蒙古和新疆湖泊;各湖区内,城郊湖泊突变时间早于乡村湖泊.人类活动强度是造成湖泊突变时空差异的主要驱动力.研究认为,区域人类活动强度影响了湖泊生态系统的演化进程,造成了中国湖泊生态系统突变的区域差异.本研究从生态系统突变的角度,利用古湖沼学综述了中国湖泊生态系统在人类活动下的演化进程,更深刻地认识了中国湖泊现状,为湖泊保护提供了有力的科学依据.     

洪泽湖水质的时空相关性分析

时空相关性分析方法在生态环境空间分异笥以及湖泊湿地自然保护区建设等方面的研究上,具有重要的应用价值。将湖泊水质监测数据与空间数据结合,建立了具有时空特征的洪渗湖水质数据库。基于相关系数矩阵,利用GIS和Origin等分析软件,对洪泽湖水质的时空相关性及其时间和空间分布规律进行了研究。结果表明,洪泽湖水质存在着时空相关性,目前这种时空相关性已受到人类活动的强烈干扰,因此,建议洪泽湖湿地自然保护区应该选择在时空间相关性小,具有一定离群性的“岛屿”区域。     

地理信息科学:地理学的核心或是外缘?

地理信息科学作为具有外缘特征的交叉学科,传承了地理学的空间分析传统,并与信息地理学其他方向一起,将其他学科的技术方法(如大数据和人工智能)与地理空间特性相结合,探讨地理规律在普遍性和特殊性之间的平衡.同时,它处在地理学学科体系中的核心地位,从"夯实理论基础"以及"提升技术并推动应用"两方面使地理学更强大.     

太阳平静期地磁场与电离层时空变化相互作用分析

作为地球空间环境的重要组成部分,地磁场和电离层是地球物理研究中的重要方向.新的观测数据和处理方法为人们更加深入地认识地磁场和电离层时空变化之间的相互作用发挥了巨大的促进作用.本文利用欧洲轨道测定中心(CODE)提供的全球电离层垂直总离子浓度地图(GIM)数据和Swarm卫星的观测数据,基于数据统计的方法,对太阳平静期不同纬度地区地磁场和电离层时空变化之间的相互作用进行了分析.从地磁场对电离层时空变化的作用来看,本文利用Swarm卫星数据发现电离层电子浓度在赤道地区呈"马鞍"形分布,在高纬度地区变化剧烈,验证了因地磁场对电离层时空变化影响导致的电离层赤道异常和极盖吸收等现象的存在,同时利用GIM数据通过张量秩-2分解和主成分析发现沿地磁场方向电离层的空间变化更加迅速,体现出地磁场对电离层时空变化的约束作用.从电离层对地磁场时空变化的作用来看,基于CHAOS-5模型对地磁内源场和磁层环电流磁场的预测,本文从Swarm卫星磁测数据中分离出电离层中电流体系的磁效应,其中包括赤道电集流、中纬度地区的Sq电流体系和极区电集流的磁效应,为进一步反演电离层电流体系奠定了基础.     

1999年11月29日辽宁岫岩5.4级地震序列的破裂过程研究a

众所周知 ,对地震破裂过程的研究不仅会深化对地震发生过程的认识 ,同时也有助于攻克地震预测这一世界性科学难题 .对这方面的研究一直受到国内外地震学家的重视 .从 2 0世纪 90年代初 ,他们开始着眼于研究主震发生过程中的主破裂时空过程的研究 .这方面的研究通常是利用数字化地震观测波形资料 ,借助于反演方法 ,反演出地震的震源破裂过程 .通过对地震破裂时空进程成像 ,发现了地震破裂过程的复杂性 .地震破裂不但在空间上是非均匀的 ,而且在时间上也是错综变化的 ,这些成果使我们对地震的发生过程有了更加深入的认识 (Chen etal.,1 996;…     

穿凿地球系统的时间隧道

地球系统科学的重要进展在于拓宽了视域,在空间域里向更深、更宏观和更微观的领域推进,加深了对圈层相互作用的理解.由于固体与流体地球科学发展的起点在时间尺度上并不相同,也由于在时间上穿越能力的限制,地球系统科学的发展在时间域里遇到的障碍比空间域里大.然而地球系统运行机制的探索,只有穿越不同的时间尺度才能成功.本文回顾了地球系统科学在空间和时间两方面所取得的进展,讨论了地球过程在时间尺度上的复杂关系,提出从建立时间序列、改变思想方法和研究计划入手,穿越时间尺度、打通古今界限,穿凿地球系统时间隧道的建议.     

旋转时空双变网格有限差分地震波场正演模拟

在交错网格有限差分算法中,模型网格剖分原则与正演计算效率密切相关.当模型存在小型非均质体或者低降速层等情况,为保证精度,满足稳定性条件,需缩小网格步长,导致局部过采样,计算效率低下.为保证模拟精度的同时保持高计算效率,通常采用变化的空间网格与时间步长相结合的高阶有限差分模拟方法对波场进行模拟.然而,时空双变算法存在着交错网格固有缺点,在模拟非均匀性较强的复杂介质波场传播时,需对介质参数进行平均或内插.同时,该算法在空间与时间上的变网格实现极为复杂.为压制变网格引起的虚假反射,提升模拟精度和计算效率,本文在时空双变网格算法的基础上,采用旋转差分角度的方式,提出了旋转时空双变交错网格算法.该方法既保留了旋转网格和双变网格的优势,又简化了时空双变算法流程,更利于推广和应用.     

基于流域的我国生态功能区划方法研究

生态功能区划是我国正在开展的一项关于资源与环境管理的重大基础性工作.生态功能区划的理论和方法是当前生态学、环境科学、地理学等学科面临的一项新的热点课题.本文首先讨论了生态功能区划的概念,从认识区划看,生态功能区划属于生态系统区域划分的范畴,从实践的角度,则强调人文活动对生态系统可持续能力产生的影响,指出自然生态区不是生态功能区,生态功能区须反映人类的利用和价值判断.生态功能区划,不单是以自然要素或自然系统的"地带性分异"为基础,更是以生态系统的等级结构和尺度原则为基础,用生态系统完整性的评价测量人类活动对生态系统的影响,将生态功能区划的科学基础落在"基于生态系统的管理"平台上.文章提出了基于流域的我国生态功能区划的初步思想,讨论了区划的原则和方法,建立了生态系统完整性评价和功能区划分的指标体系.其基本内容是,认识并按照生态系统的自然边界划分生态系统单元;进行生态系统完整性评价;在此基础上划分不同的生态功能区,确定主导生态功能.     

1890—2020年伊朗MS≥6.8地震时空对称性及趋势分析

探寻区域地震的时空规律并进行趋势判断对防震减灾有重大的现实意义.选取1890—2020年伊朗 M_S≥6．8地震数据,采用可公度方法、三性法和蝴蝶结构图等方法研究区域地震的时空对称性,并结合太阳黑子数、地球自转速度变化对发震的物理机理进行探讨.研究结果表明(1)伊朗的强震具有良好的可公度性,从时间趋势判断上看,2022年伊朗发生 M_S≥6．8地震的信号最强, 2024年次之,并且通过三性法得知发生在2022年底的可能性更大.(2)从空间对称性上看,根据历史地震的经纬度迁移和震中三角迁移规律,下一次地震发生在32°N,54°E东南方区域内的可能性较大.(3)伊朗 M_S≥6．8地震多发生在太阳黑子的极值年和下降段;同时,强震多发生在地球自转减速期和日长极值年及其附近,这在一定程度上佐证了灾害时空对称方法的可靠性.本研究进一步深化了对地震的规律认识,同时对三性法在区域上的应用有一定探索意义.     

试论中国海的地球物理监控

构筑中国海地球物理三维立体监控体系,建立海防的"千里眼"和"顺风耳",实现基于地球物理的监控、预警与预测的战略部署与方法研究,是海洋军事地球物理的重要组成部分.海洋强,国则强.要建设海洋强国,首先要"知海、懂海".只有认识海洋,才能从战略上部署好海洋,才能因势利导,走向海洋,开发海洋.推动海洋地球物理场的研究,拥有详细...     

华北地区强震前Ms≥5地震平静和信号震的预测意义

华北地区是一个地震多发地区,许多人研究了该地区地震活动强弱、密集-平静的韵律交替变化,提出了随时间的周期轮回过程.笔者发现,1900以来华北地区曾出现多次Ms≥5地震平静的现象,其后有相应的强震发生,而且强震的发生具有成组、成丛的连发特征.许多人也都曾注意到了华北地区强震前在震中附近发生的具有前兆特征意义的信号震,有人将其称为逼近地震,尽管各自的解释和定义有所不同,但对这种地震的前兆意义都是肯定的.信号震的发生,在时空上都有逼近主震的含义,从时间上确定了强震预测的中期时段转折,在空间上缩小了预测区域,是"源"区开始进入失稳状态的重要信息.本文从华北地区Ms≥5地震平静异常和信号震发生的时空特征出发,利用空间图像方法,探讨强震前的"场-源"关系,从而分析华北地区Ms≥5地震平静异常和信号震对强震的预测意义.     

RIS时空分布特征及其与库区地质构造环境的关系

在广泛收集了国内外水库诱发地震震例资料的基础上,利用统计学的方法,进行了水库诱发地震空间分布与时间响应特征及其与库区地质构造环境关系的研究,结果表明:①在空间分布上,诱发地震主要集中在水库周缘10 km范围之内,并局限于特定的库段丛集分布,当库区具备一定的地质构造与水文地质条件时,诱发地震活动会随着水库蓄、放水过程中的水位变化而发生迁移;②对于不同地区或不同水库,诱发地震活动的时间响应存在着差异,总体上:在水库蓄水后1年以内,初次响应占据一定的优势,而绝大部分诱发主震活动发生在水库初始蓄水1年以后。对长时间的水库蓄水历程而言,"混合响应"是水库诱发地震活动表现形式的主体,而"快速响应"和"滞后响应"仅是在一定的时间段内反应的阶段性现象;③诱发地震响应与水库水位变化的关系十分复杂多样,既存在正相关关系,又有负相关性,同时在某种程度上表现出了较高震级的水库诱发地震对水位变化速率的依赖;④水库诱发地震时空分布受发震库区地形地貌与局部地质构造条件、岩性条件、水文地质条件等方面的先存内因的控制,事实上,它们对水库诱发地震时空分布的控制作用并不是截然分开的,其间存在着相互依存、辩证统一的关系。     

地震危险性分析中的二项式模型

围绕对地震活动时间和空间不确定性的不同认识和处理方法,分析了地震区划中现有的确定性方法和概率分析方法的不足.分析、总结了地震之间相互关系随时间、空间和震级的变化特征,认为时间和空间不确定性是相互联系、相互制约的,并用最多地震数来反映这种变化特征,进而推导出二项式模型.二项式模型能够反映不同程度的时间和空间不确定性认识.分析了二项式模型与确定性方法和概率分析方法中泊松模型的异、同之处,指出确定性方法和泊松模型分别是二项式模型的两个极限,在时间和空间不确定程度极小和很大两种情况下,二项式模型分别趋近于确定性方法和泊松模型.给出了一种估算隐含概率的方法,具体分析了1977年全国烈度区划图中华北地区5个高烈度区隐含概率的上限值.      

地震活动时空分布序列的分形自组织算法实现

地震在空间域和时间域上的分布是复杂而不规则的.过去,我们总是把这种不规则分布加以规则化处理,从而用适当方法讨论地震活跃时段和平静时段,地震密集区和稀疏区的相互联系、并已做了大量有意义的工作.然而,随着认识的深入,我们开始把地震的复杂时空分布当着非平衡系统中的自组织现象加以研究.地震按时空分布的不规则性否定了存在着简单周期自组织.     

汶川M_S8.0地震前后中国强震时空关联特征研究

本文根据2008年汶川MS8.0地震的发生对我国强震活动产生的影响,从强震诱发和成组孕育理论出发,并结合并行计算和动态跟踪的方法,讨论了该地震发生后全国强震活动形势。后续实发的强震活动验证了该方法在中国内陆强震形势分析上的实效性。文章最后从大震孕育机理的角度对汶川地震前时空关联特征参数(At值)的空间分布特征做了一定的解释。     

洪泽湖叶绿素a浓度的时空变化特征

叶绿素a浓度是衡量藻类生物量及评价水体营养状态的重要指标.基于洪泽湖2012年12月至2013年11月的水质监测数据,利用统计手段分析湖区叶绿素a浓度的时空变化规律,并进一步探究叶绿素a浓度与各项水质理化因子的响应关系.从时间维度上看,洪泽湖叶绿素a浓度季节变化规律在不同湖区有所差异,东部湖区叶绿素a浓度随季节变化曲线呈"双峰型",分别在3月和8月达到峰值.北、西部湖区叶绿素a浓度在春季变化平缓,并在秋季达到峰值.从空间维度上看,3个湖区之间叶绿素a浓度在春、冬两季存在显著差异,其余季节差异不显著.典范对应分析表明洪泽湖不同月份、不同湖区叶绿素a浓度与水质理化因子之间存在不同的响应关系.本研究为探究洪泽湖藻类时空异质性原因、宏观掌控其营养状态以及制定相应水质改善措施提供参考依据.     

西南省域地震灾害耦合因素分析

利用西南震害资料,对西南省域(云南、四川、重庆、西藏、贵州)在一定时空尺度上M≥5.0历史地震事件活动水平及震害特征进行系统分析,找出地震灾害(包括人员伤亡、经济损失、次生灾害等)的时间发展特征、空间分布特征和强度分级特征;研究地震灾害与西南区域人口分布、经济水平、地形地貌、人文因素之间的耦合关系,为进一步减轻、减少地震灾害应急处置的不确定性和风险性提供有效建议。     

西南省域地震灾害耦合因素分析

利用西南震害资料,对西南省域（云南、四川、重庆、西藏、贵州）在一定时空尺度上M≥5．0历史地震事件活动水平及震害特征进行系统分析,找出地震灾害（包括人员伤亡、经济损失、次生灾害等）的时间发展特征、空间分布特征和强度分级特征;研究地震灾害与西南区域人口分布、经济水平、地形地貌、人文因素之间的耦合关系,为进一步减轻、减少地震灾害应急处置的不确定性和风险性提供有效建议。     

不尽的黄河 奔流的艺术——以晋陕峡谷黄河沿线艺术为例

《地球》杂志希望在自然科学与人文科学之间打通,实现一定意义上的"互动",让科学与艺术相映生辉,这是一种顺应时代潮流的办刊努力。科学与艺术,从知识的角度讲,貌似井水不犯河水,互不搭界,随着学科与艺术的各自发展和不断细化,相互间的隔膜也愈来愈深。今天,再想出现文艺复兴时期那些既是艺术家又是科学家的人物,似乎已不大可能。