中间层顶重力波耗散引起钠原子输送的激光雷达观测研究

利用中国科学院国家空间科学中心廊坊站（40.0°N,116.3°E）钠荧光多普勒激光雷达2011年至2013年共约82 h的钠原子数密度和垂直风观测数据,分析了廊坊地区中间层顶区域大气重力波耗散引起的钠原子输送特征.分析得到,90~100 km处重力波耗散引起的平均钠原子垂直通量整体为负,钠原子向下输送,在93 km处达到最大负值-1.47×10⁸m^-3 m·s^-1,85~90 km处平均钠原子垂直通量为正,钠原子向上输送,但通量值随高度递减.钠原子垂直通量方向在90 km处发生转变,垂直通量随高度的变化造成钠原子汇聚,汇聚效应引起的平均钠原子产生率最大值在91 km处达到了1.40×10⁸ m^-3/h,该值超过了相同高度上模式计算流星烧蚀注入引起的钠原子产生率峰值,说明重力波耗散对钠层结构的形成具有重要影响.与美国SOR和Maui观测结果相比,平均钠原子产生率峰值大小相近,但出现高度不同,说明大气重力波耗散引起的物质输送具有显著的地域变化特征.研究结果可为大气物质输送理论的完善以及大气金属层物理模式的改进提供观测事实参考.

     

海面动量、感热和水汽输送的动力学分析

基于大气边界层动量、感热和水汽通量的基本方程,定量地计算了波动海面的动量、感热和水汽通量。首先,应用Prandtl的混合长概念,推导出贴海面大气层中风速、位温和比湿的涡动交换率及其贴海面层厚度,并且证明了波面上位温或比湿贴海面层厚度与速度贴海面层厚度的比值,和平面上的相应比值完全相等。随后,利用空气动力学理论讨论了贴海面动量、感热和水汽输送的参数化问题。最后,对现有五种理论模式进行了比较说明。     

海面动量、感热和水汽输送的动力学分析

基于大气边界层动量、感热和水汽通量的基本方程,定量地计算了波动海面的动量、感热和水汽通量。首先,应用Prandtl的混合长概念,推导出贴海面大气层中风速、位温和比湿的涡动交换率及其贴海面层厚度,并且证明了波面上位温或比湿贴海面层厚度与速度贴海面层厚度的比值,和平面上的相应比值完全相等。随后,利用空气动力学理论讨论了贴海面动量、感热和水汽输送的参数化问题。最后,对现有五种理论模式进行了比较说明。     

基于OH全天空气辉成像仪观测的中国低纬地区的重力波传播统计特征

利用位于海南富克(19.5°N,109.1°E)和广西桂平(23.4°N,110.1°E)两个台站两年多的OH全天空气辉成像仪观测数据,对中国低纬地区的重力波传播统计特征进行了研究.从富克和桂平的气辉成像观测中, 分别提取了65和86个重力波事件.研究结果表明,观测水平波长,观测周期和水平相速度分别集中分布在10~35 km, 4~14 min和20~90 m·s-1范围.重力波传播方向,在夏季表现出很强的东北方向传播.然而,在冬季主要沿东南和西南方向传播. 同时,结合流星雷达风场观测和TIMED/SABER卫星的温度数据,也发现在中层-低热层中传播的大多数重力波表现为耗散传播.且低层-中层大气中背景风场的滤波作用和多普勒频移可能对纬向方向传播的重力波产生的各向异性起到重要的调制作用.然而,经向方向传播的重力波产生的各向异性可能同时被低层大气中波源的非均匀分布以及潮汐变化所影响.     

基于中国东港台站的OH气辉成像观测数据对重力波波源的事件分析

利用东港（40°N,124°E）台站于2013年9月15—16日的OH气辉成像观测数据报告了两个重力波事件（1和2）.同时,结合北京十三陵（40.3°N,116.2°E）台站的多普勒流星雷达风场数据和位于39.4°N,130.6°E位置处的SABER/TIMED卫星的温度参数分析发现,观测的两个重力波事件于2013年9月15—16日02:00—03:00 LT时间段,和70~110 km高度是自由传播的.利用反射线追踪方法分析表明,重力波事件1和事件2分别产生于（39.3°N,117.2°E）和（47.1°N,121.3°E）.且事件1的波源位置与对流活动和大气向上向下运动过程中产生的不稳定性吻合较好.然而,通过ECMWF再分析资料和MTSAT卫星观测数据分析表明,事件2可能由对流活动或大气向上运动过程中可能产生的不稳定性导致.利用MERRA自地面到约70 km高度的风场数据分析表明,观测的重力波事件1和事件2的水平相速度分别是83.5 m·s^-1（事件1）和80.1 m·s^-1（事件2）,均大于低层-中层大气风速-10~45 m·s^-1.因此,观测的两个重力波事件是可能从低层大气传播到中层-低热层大气的.

     

Field observations of the vertical distribution of sand transport characteristics over fine,medium and coarse sand surfaces

The vertical distribution of sand transport characteristics is an important issue in aeolian research. Surface characteristics affect sand transport processes, but their effects are not yet fully understood. To provide more data on this subject, we observed sand transport in 16 field experiments above surfaces covered by fine, medium and coarse sand. The sand transport rate over relatively coarser‐grained medium and coarse surfaces could be expressed as a Gaussian peak function: q _z = a + b exp (?0.5[(|z – C _h|)/d ]^e), where q _z is the measured sediment transport at height z above the bed and a , b , C _h, d , and e are regression coefficients. The measured sand transport flux peak values (H _h) were linearly related to C _h, and both values were significantly related to the mean surface grain size. However, for the relatively finer‐grained medium and fine sand surfaces, the sediment transport could be expressed as an exponential function. The cumulative sand transport below 0.1 m was directly related to the mean surface grain size, and the relationship could be expressed as the following exponential function: C _z = f + g exp –M _z/i , where C _z is the cumulative sand transport at height z above the bed, M _z is the mean grain size and f , g , and i are regression coefficients. Above 0.1 m, there were no significant relationships between the cumulative sand transport and the mean surface grain size. The mean grain size decreased with increasing height below the peak height and then increased with increasing height. The surface grain size distribution and proportions of the particles in different grain size categories controlled the mean grain size as a function of height. The observed changes in the sand transport rate and grain size with height will provide support for sand disaster mitigation, numerical modelling and studies of dune formation. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

南海北部陆坡块体搬运沉积体系的地震响应与成因机制

块体搬运沉积体系是一种重力作用下形成的深水沉积体系,在全球大陆边缘沉积体系中扮演着重要角色.块体搬运沉积作用不仅造成危害极大的深水地质灾害,而且与海洋天然气水合物和深水油气的形成过程与富集有密切联系.根据新获得的海底地形地貌资料和地震资料,揭示了块体搬运沉积体系识别特征,明确了其分布范围.这些块体搬运沉积体系具有明显的滑坡形态和沉积构造;头部表现张性断裂构造,内部有旋转断块和流动构造,趾部表现为挤压和逆冲构造.块体搬运沉积体系表现出不同的成因类型.通过白云凹陷天然气水合物的分布模式和白云块体搬运沉积体系有限元数值模拟研究,认为白云块体搬运沉积体系与天然气水合物分解密切相关,进一步给出6种水合物分解模型情况下海底稳定性的安全因子,随着水合物分解量的增加,斜坡的稳定性逐渐减弱,当水合物的分解达到一定数量时,就会发育海底块体搬运沉积体系.     

四川南部中强地震震源区三维密度结构特征对比分析

近年来, 在四川南部地区相继发生了2019年6月17日的长宁M_S6.0地震、2021年9月16日的泸县M_S6.0地震.本文结合研究区陆地实测重力数据与WGM2012布格重力异常模型获得融合布格重力异常, 以已有的速度结构模型为参考, 利用贝叶斯原理构建密度参数的后验分布模型, 通过MCMC方法提取后验样本, 获得该区域的地壳三维密度结构.在反演结果的基础上, 对比了1936年马边M_W6.7和M_W6.8双震、1974年大关M_S7.1地震与长宁、泸县两次地震的震源区深部物性结构特征, 发现马边和大关两次地震震源区深部密度结构不均匀性较强, 长宁地震震源区深部具备一定的不均匀性, 但在泸县地震震源区深部没有发现明显的密度异常体.研究认为: 相比于马边、大关这类构造地震, 长宁地震具有类似的地震深部构造物性特征, 而泸县地震此类特征不明显.

     

夏季青藏高原地区近地层水汽进入平流层的特征分析

青藏高原为亚洲季风区的典型代表区域,研究其水汽进入平流层的过程和机理对认识全球气候和大气环境变化具有一定的现实意义. 本文基于中尺度气象模式(WRF)的模拟输出结果(2006年8月20日至8月26)驱动拉格朗日大气输送模式FLEXPART,通过追踪并解析气块的三维轨迹以及温度、湿度等相关物理量的相关变化特征,初步分析了夏季青藏高原地区近地层-对流层-平流层的水汽输送特征. 研究结果表明,源于高原地区近地层的水汽在进入平流层的过程中受南亚高压影响下的大尺度环流和中小尺度对流的共同影响.首先,在对流抬升作用下,气块在短时间内(24 h)可抬升到9~12 km的高度,然后在南亚高压闭合环流影响下,相当部分气块在反气旋的东南侧穿越对流层顶进入平流层中,并继续向低纬热带平流层输送,进而参与全球对流层-平流层的水汽循环过程. 在对流抬升高度上气块位置位于高原的西北侧,然而气块拉格朗日温度最小值主要分布于高原南侧,两个位置上气块的平均位温差值可达15~35 K,这种显著的温度差异将导致气块进入平流层时"脱水". 比较而言,夏季青藏高原地区近地层水汽进入平流层的多寡主要和大尺度汽流的垂直输送有关,而深对流的作用相对较弱.     

邯郸-邢台地区尾波衰减特征研究

利用红山数字地震台和邯郸数字台网记录到的2001年3月~2006年7月近震波形资料,采用Aki的尾波单次散射模型计算了邯郸—邢台地区不同尾波窗长的Qc值,窗长为20s时该区域的平均值为Qc=78f0.92,40s时Qc=144f0.88。在研究范围内呈现出北高南低的态势。     

我国南方夏季低频雨型的季节内水汽输送特征

利用1962～2006年NCEP/NCAR再分析资料,采用对历史个例进行合成分析的方法,研究了异常降水中心分别位于长江以南区域的江南型和长江-淮河流域的江淮型低频雨型的季节内水汽输送特征.研究表明,江南型的总水汽输送主要来源于孟加拉湾,并经中南半岛和南海输入江南区域;江淮型的总水汽输送主要直接来源于南海,但水汽源地主要为印度季风区.对于水汽输送异常,江南型和江淮型具有明显不同的特征.江南型的水汽输送异常主要来源于热带西太平洋-南海,中纬度西风带和中高纬度南下的水汽输送异常的贡献次之;而江淮型的水汽输送异常主要来源于热带和副热带西太平洋,中纬度西风带水汽输送异常的贡献次之.另外,水汽输送异常对江南型的区域总水汽收支的贡献约为50%,而对江淮型的区域总水汽收支的贡献高达70%左右.因此,虽然总水汽输送主要取决于气候平均水汽输送,但是,水汽输送异常与气候平均水汽输送对江南型和江淮型的水汽供应具有相同甚至更为重要的贡献.特别是对于江淮型,区域总水汽收支主要取决于水汽输送异常的贡献,而水汽输送异常的变化较平均水汽输送更为复杂,这有可能是江淮流域汛期降水预报较为困难的原因之一.     

Heuristic numerical and analytical models of the hydrologic controls over vertical solute transport in a domed peat bog,Jura Mountains,Switzerland

We report the results of numerical and analytical simulations to test the hypothesis that downward vertical flow of porewater from the crests of domed alpine and kettle bogs controls vertical porewater distributions of major solutes such as Ca and Mg. The domed Etang de la Gruère bog (EGr), Switzerland, characterized by a vertical downward gradient of 0·04 and stratified layers of peat, is chosen as a field site for the model calibration and evaluation. The middle 4‐m section of the 6·5 m thick bog peat is heavily humified and has a hydraulic conductivity of ～10^?5·6 cm s^?1. Above and below, peat is less humified with a hydraulic conductivity of ～10^?3 cm s^?1. Heuristic finite difference simulations, using Visual MODFLOW, of the bog hydraulics show that the higher conductivity peat at the bog base is critical to create the observed deep, local flow cells that substantively recharge porewater. Model results and Peclet number calculations show that before ～7000 ¹⁴C yr BP diffusion of solutes from underlying mineral soils controlled the vertical distribution of porewater chemistry. From 7000 to ～1250 ¹⁴C BP the porewater chemistry was probably controlled by both upward diffusion and downward advection, and after ～1250 ¹⁴C yr BP porewater chemistry was probably controlled by downward advection. Concentrations of conservative major solutes in the porewaters of alpine, ombrotrophic bogs are the net effect of both downward vertical porewater movement and upward vertical diffusion, the magnitudes of which are delicately poised to the configuration of the bog water table over time and subsurface peat stratigraphy. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

琼东南盆地块体搬运沉积区多类型水合物赋存特征与数值模拟

南海北部琼东南盆地陵水凹陷的钻探、三维地震与地球化学分析表明, 该区域发育热成因气控制的呈烟囱状反射特征的裂隙充填型和薄砂层的孔隙充填型水合物.不同站位水合物富集程度、厚度与赋存形态不同, 这种复杂水合物富集成藏的控制因素还有待进一步明确.本文利用宽频处理三维地震与随钻测井资料, 精细识别了裂隙充填型水合物发育的空间分布, 分析了断层与块体搬运沉积物对水合物赋存的影响, 通过建立重烃气体影响的Ⅱ型水合物稳定带底界, 并结合数值模拟方法, 定量模拟了多类型水合物形成与富集的控制因素.结果表明: 起源于基底隆起的断层连通了深部气源与浅部水合物稳定带, 控制着深部热成因气向上运移, 发育的多期块体搬运沉积内局部裂隙及下部的有利砂层, 使水合物在垂向上呈多层叠置分布特征.

     

北京城区大气混合层内臭氧垂直结构特征的初步分析——基于臭氧探空

本文利用2013年6月至2015年10月北京南苑观象台两年多午后臭氧探空资料,初步分析了北京城区大气混合层内臭氧浓度的垂直分布规律以及典型天气条件下大气边界层臭氧的变化特征.主要结果有：（1）季节平均而言,地表至对流层中部（8 km）的臭氧浓度在夏季最高,冬季最低,相差50~130 μg·m^-3,最大差异在边界层.总体而言,对流层臭氧浓度随高度有比较缓慢的增加,但是边界层内臭氧浓度的垂直结构随季节有比较大的差异：夏季混合层中部存在一个臭氧浓度极大值,这与夏季比较强的光化学生成臭氧有关;而在冬季地面臭氧浓度很低,平均值小于40 μg·m^-3,说明冬季地面是臭氧很强的汇.（2）臭氧浓度季节内变率的季节差异也十分明显,夏季最大、冬季最小.季节内变率在从边界层向自由对流层过渡区域最小（夏季为24 μg·m^-3,冬季仅为10 μg·m^-3）,在边界层内变率较大,夏季可达64 μg·m^-3（冬季为30 μg·m^-3）,这也说明边界层化学过程明显影响臭氧浓度的变化.（3）我们从所有白天样本中严格筛选了部分混合层样本,并把臭氧浓度在由混合层向自由大气过渡时的垂直分布分成了三类,即臭氧浓度随高度增大（Ⅰ型）、减小（Ⅱ型）以及基本稳定不变（Ⅲ型）;臭氧垂直结构类型有明显的季节特征,夏季主要是Ⅱ型,而冬季则以Ⅰ型为主.（4）此外,我们还针对一些典型天气过程（强风、静稳雾天和PM_2.5污染）边界层内臭氧的变化特征进行了分析,结果表明：强风切变产生的机械对流引起的充分混合,有利于高层臭氧向低层输送,使得混合层内臭氧浓度的垂直梯度明显减小,同时混合层高度较高,达3 km以上;在高湿度静稳天气控制下,大气混合层较稳定,对北京上空污染物的垂直扩散十分不利：颗粒物浓度升高,削弱到达近地层的太阳辐射,从而降低臭氧的生成效率,混合层内臭氧浓度与混合层厚度都处于较低水平.