Investigation of Arctic and Antarctic spatial and depth patterns of sea water in CTD profiles using chemometric data analysis

In this paper we examine 2- and 3-way chemometric methods for analysis of Arctic and Antarctic water samples. Standard CTD (conductivity–temperature–depth) sensor devices were used during two oceanographic expeditions (July 2007 in the Arctic; February 2009 in the Antarctic) covering a total of 174 locations. The output from these devices can be arranged in a 3-way data structure (according to sea water depth, measured variables, and geographical location). We used and compared 2- and 3-way statistical tools including PCA, PARAFAC, PLS, and N-PLS for exploratory analysis, spatial patterns discovery and calibration. Particular importance was given to the correlation and possible prediction of fluorescence from other physical variables. MATLAB's mapping toolbox was used for geo-referencing and visualization of the results. We conclude that: 1) PCA and PARAFAC models were able to describe data in a satisfactory way, but PARAFAC results were easier to interpret; 2) applying a 2-way model to 3-way data raises the risk of flattening the covariance structure of the data and losing information; 3) the distinction between Arctic and Antarctic seas was revealed mostly by PC1, relating to the physico-chemical properties of the water samples; and 4) we confirm the ability to predict fluorescence values from physical measurements when the 3-way data structure is used in N-way PLS regression.     

南极冰盖表面微地貌研究进展与展望

南极冰盖表面微地貌是大气与冰盖相互作用的直接产物,微地貌的形态特征、结构性质及其发展变化对南极冰盖表面的物质平衡、能量平衡以及冰盖记录大气信息的过程具有重要的影响,冰盖表面微地貌的结构性质以及空间分布的确定是计算南极冰盖物质平衡与能量平衡的重要依据,同时在南极冰芯钻探选址以及冰芯解译古气候信息时具有重要的参考价值。根据微地貌的形成方式将南极冰盖表面微地貌分为沉积型、侵蚀型、沉积间断型三类,介绍了南极冰盖表面常见的微地貌形态雪丘、雪纹、雪垄、雪窝以及光洁区的形态特征与结构性质,并对冰盖表面微地貌的分布规律特征进行了总结,文中重点对不同微地貌区域内的物质平衡与能量平衡特征进行了介绍,最后探讨了冰盖表面光洁区对南极冰芯选址的影响,并对未来南极微地貌研究进行了展望。     

基于变化轨迹分析方法的生态用地流失空间关联研究

针对现有研究割裂了生态用地流失这一基本变化过程的不足,本文基于变化轨迹分析方法,从过程完整性角度探求了京津冀城市群地区生态用地流失的空间关联特征。结果表明：① 京津冀城市群地区土地利用变化主要表现为林地、草地、水域和耕地的流失,流失面积的40%转为人工表面;② 林地、草地和水域流失的空间自相关性随空间尺度增大而增强,7 km×7 km空间尺度上3种生态用地流失空间正相关性较强,且随距离阈值增加而降低;③ 距离阈值为10 km时,林地、草地流失高发区集中分布在京津冀西北部地区,水域流失高发区集中分布在东部渤海湾附近,生态环境保护应从京津冀协同发展角度,打破区域发展不均衡,促进京津冀城市群全面发展。     

南极海洋硅藻极端生境适应性研究进展

南极海洋硅藻作为海洋食物网的基石,在南大洋生态系统中扮演着至关重要的角色。南极海洋硅藻具有极端生境适应性,是生物抗辐射性、抗冻性和抗盐性研究的理想实验材料。综述了近30年来国内外有关南极海洋硅藻对强辐射、低温、高盐和低光照的光合适应性研究进展,表明其在长期的极端生境中,形成独特的生理、生化、遗传和代谢特征,相关研究为深入开展南极海洋硅藻的抗逆境研究和开发利用提供了重要参考依据。     

基于词向量数据场轨迹引力的多中心识别和空间交互分析

多中心化是分散城市人口,疏解交通拥堵,调节职住失衡,应对"大城市病"的重要手段.针对轨迹大数据,先利用词向量描述其空间特征和行为规律,再结合数据场理论表达城市区域对轨迹的吸引强度,并完成多中心识别,最后借鉴复杂网络理论对多中心空间交互规律进行探索和挖掘.结果表明:①郑州市轨迹吸引强度呈核心强、外围弱、沿线蔓延的圈层空间...     

美国南极科研投入的统计分析及其对我国的启示

近些年来南极科研越来越受到世界各国的重视,作为《南极条约》的发起者和南极条约体系的管理者,美国始终站在南极科学研究前沿,对维护其国际南极事务领导地位有着重要意义。1953—2016年美国国家科学基金资助了7 759个南极科研项目,通过统计分析对项目投入进行以下4个方面的分析:南极项目投入、南极科研各学科投入、科研大项目以及合作机构。研究发现:(1)1953年至今,美国国家科学基金会(NSF)对美国南极科研项目的资助力度和重视力度不断增加,促进了美国南极政策的落实和发展;(2)美国各大科学指导机构出台的前瞻性文件对引领美国南极科考发展方向起到重要作用;(3)NSF充分利用各高等院校和研究机构的资源设施,搭建科研支撑平台,与之展开长期南极科研项目合作;(4)NSF重视科研大项目的开展,这些大项目站在南极科学前沿,引领美国南极科研更好地发展;(5)NSF通过学校、社会、媒体多个渠道开展南极教育,增进群众对南极了解并培养科研人员来维护美国在南极的科考领先地位。上述研究发现为中国南极科研政策制定提供了相应的启示。     

基于Elmer/Ice冰盖模型的南极Gamburtsev山脉Lambert冰川冰盖系统的数值模式模拟研究

在全球变暖的背景下, 东南极冰盖显著地出现降雪增多冰厚增大的现象, 然而由于有关东南极冰盖 的观测数据相对缺乏, 因而很难对东南极冰盖大范围的冰盖动力学、热力学状态细节进行整体性评估。 Dome A 到中山站断面是横穿南极冰盖计划的核心断面之一。该断面穿越的兰伯特(Lambert)冰川上游、甘 布尔采夫(Gamburtsev)冰下山脉和Dome A 区域是南极科学研究的热点区域, 因此具有重要的研究价值。本 研究使用已多次在南极冰盖有过成功模拟应用的三维有限元冰盖模式Elmer/Ice, 对该区域的内部温度场和 速度场进行了模拟, 得到了冰盖的流速场和温度场数据, 并将模拟数据与传统估测数据进行了对比, 发现 两者在总体趋势上吻合。研究表明, 该研究区域冰盖的底部温度大部分达到了压力熔点, 只有少部分靠近内 陆的冰盖底部未达到; 在冰盖内陆区域, 水平速度场非常小, 在靠近冰架区域时, 水平速度场突然增大, 而 垂直速度场只有在冰下地形发生显著波动时, 出现显著变化。在此基础上, 对Elmer/Ice 冰盖模式的应用前 景和需改进的方面进行了探讨。     

“一带一路”倡议下中国陆海运输的空间竞合格局

在“一带一路”倡议全面实施的背景下,中欧班列的建设明显提升了中国与欧洲的陆上集装箱运输量,但陆运较之于海运是否具有比较优势以及形成怎样的空间竞合格局,是当前非常值得研究的经济地理课题。采用中欧班列、中国铁路货物运费及海运数据,将不同价值的集装箱在时间成本中产生的利息纳入运费计算,构建陆海运输平衡线与集装箱价值平衡点模型,刻画中国大陆至欧洲的陆海运输空间格局。研究表明：不考虑时间成本时,陆海运输平衡线位于西北地区,考虑时间成本后,平衡线向东南沿海迁移;以通辽—沈阳—北京—石家庄—襄阳—重庆—丽江—保山为界,形成陆运优势片（阿拉山口区、满洲里区和二连浩特区）和海运优势片（环渤海区、长三角区和珠三角区）,构成“两片六区”格局;考虑未来陆路运价可能降低,以南通—南京—南昌—岳阳—贵阳—昆明—普洱为界可以构建“两片五区”新的陆海运输格局。在此基础上,中国大陆至欧洲的集装箱陆海运输竞合格局可进一步划分为面积占比70.9%、12.9%和16.2%的陆运区、海运区及陆海区。研究说明可以通过陆运运价的调整以及货运集散地的优化布局,来获取中国大陆所需要的陆海平衡线分布,从而谋划基于陆海竞合基础上的中欧集装箱运输的最优联动格局。     

2011/2012年夏季南极半岛北端周边海域的水团与水交换

通过分析中国第28次南极考察队于2011年12月至2012年1月在南极半岛北端周边海域获得的5条断面CTD观测温盐剖面数据, 进一步认识了该海域的水团组成和水交换情况。观测区域南部的鲍威尔海盆及周边深海区, 可以观测到保持了较显著高温核心的威德尔深层水、密度大于28.27 kg·m^-3的威德尔海深层水以及温度低于－0.7 ℃的威德尔海底层水。周边陆坡上的威德尔海深层水则表现出因与周围水体发生混合而核心性质减弱的特征。在菲利普海岭、埃斯佩里兹海槽等复杂地形处, 观测到的对应于威德尔海深层水深度的混合与热盐入侵过程更为显著。威德尔海深层水能够到达南设得兰群岛以北的象岛东北面海域, 但是高盐核心加深至1 500 db, 并上覆温度基本不变但盐度随深度显著增大的较暖水体, 表明威德尔海深层水经历了不同的路径和变性过程。布兰斯菲尔德海峡中没有绕极深层水大规模侵入的迹象, 但是乔治王岛周边陆架上可能存在涡旋等中尺度过程, 会影响德雷克海峡与布兰斯菲尔德海峡之间的水交换。     

“一带一路”倡议下欧亚大陆陆海运输的空间均衡分析

在“一带一路”背景下,解析欧亚大陆陆海运输成本竞合基础上形成的空间均衡格局,是兼具理论与现实意义的重大经济地理问题。以北京和柏林为欧亚大陆两端终点,基于现有铁路路网,采用可达性分析方法,构建了陆海运输空间均衡分析模型,勾划出了欧亚大陆陆海运输平衡线,理清了“一带一路”背景下欧亚大陆的陆海运输空间竞合格局。研究发现,仅比较运费成本时,海运运输方式具有绝对优势,陆海运输平衡线沿俄罗斯近波罗的海区域—哈萨克斯坦—土库曼斯坦—塔吉克斯坦—中国西北部—蒙古—俄罗斯远东地区,将欧亚大陆划分为占比约1∶2的陆海运输空间竞合格局;考虑时间成本后,陆海运输空间竞合的平衡线向沿海地区明显推移,以德国柏林—黑海北岸—里海南岸—土耳其—青藏高原—中国宝鸡—大兴安岭—俄罗斯丘米坎为界,陆海运输基本形成了占比约1∶1的空间均衡态势。上述基于陆海运输成本角度的欧亚大陆陆海运输平衡线,与地缘政治学中陆权论和边缘地带论的相关结果在空间上高度吻合。基于此,本文进一步给出了欧亚大陆内陆区（陆运优势区）、海洋区（海运优势区）和陆海复合区的空间分区方案。由此,陆海运输空间均衡关系的综合分析可以成为探讨欧亚大陆地缘政治与经济空间格局的新视角,并为“一带一路”倡议的实施提供扎实的地理学科学基础。     

夏季南极固定冰单轴压缩强度及试样破碎规律研究

2012年11月—2013年4月中国第29次南极科学考察期间,针对南极夏季固定冰单轴压缩性质开展了研究。使用冰芯钻直接在平整冰层钻取力学试样,取样冰厚为149 cm,其中颗粒冰、柱状冰和片状冰分别占采样冰芯总长度的15.4%、72.5%和12.1%;单轴压缩试样只采用柱状冰部分,加工好的力学冰样尺寸为直径9 cm,长度为18 cm;共设置5个试验温度(-2、-4、-6、-8和-10℃),加载应变速率在10-6—10-2s-1。利用统计方法分析试验结果,建立了南极夏季海冰单轴压缩强度与孔隙率和应变速率的关系式,以及综合考虑应变速率和温度影响下的单轴压缩强度定量表达式;同时,基于分形理论对单轴压缩试样破碎块分布规律进行了分析,结果显示碎块长度分形维数随着温度和应变速率的降低有增大趋势。在特别低应变速率下海冰试样整体发生蠕变时,无法采用分形方法讨论海冰内部破碎程度。     

南极半岛邻近海域夏季POC分布特征及其影响因素

海水中的颗粒有机碳(POC)与生物的生命过程、初级生产力关系密切,是海洋食物链中重要的物质基础和能量来源,因此POC的分布特征可以有效反映其生物地球化学环境。利用中国第33次南极考察期间(2016年12月至2017年1月)在南极半岛邻近海域采集的海水颗粒物样品,研究POC的空间分布特征及其影响因素。结果表明,斯科舍海0—200 m的POC浓度范围为7.44—193.52μg·L~(-1),平均浓度为(48.84±35.09)μg·L~(-1);南斯科舍海岭0—200 m的POC浓度范围为9.13—62.17μg·L~(-1),平均浓度为(29.76±14.12)μg·L~(-1);鲍威尔海盆0—200 m的POC浓度范围为5.87—270.72μg·L~(-1),平均浓度为(48.57±38.92)μg·L~(-1)。表层POC高值出现在斯科舍海区和鲍威尔海盆区,而低值出现在海岭区,与叶绿素a(Chla)的变化趋势一致,与营养盐的变化趋势相反。垂向分布上,各个区域POC平均浓度随深度的增加而减少,鲍威尔海盆和斯科舍海POC最高值都出现在25 m层。分析结果表明光合浮游植物是研究海域POC的主要来源, POC的主要影响因素为温度、水团混合以及海冰环境。斯科舍海与鲍威尔海盆整体非生命POC占比高,可能是由于高磷虾生物量、海冰碎屑以及陆源输入的干扰;南斯科舍海岭整体非生命POC占比低。     

基于ESDA的河南艾滋病空间格局

以2008 年河南省地级市艾滋病分布数据为基础,利用ESDA空间数据挖掘的方法,对河南省艾滋病空间格局进行全面分析。结果表明：① 综合考虑河南省18 个地级市艾滋病确诊人数数据的空间自相关分析结果和不同传播途径感染单因素空间格局的结果,将河南艾滋病感染区域分为以FPD感染途径为主的豫南、豫东南高度流行区和以高危行为传播途径为主的豫北低度流行区;② 河南省艾滋病感染途径分布中,FPD感染、母婴感染、异性传播感染和注射吸毒传播具有明显的空间正相关,而同性传播途径与输血感染则显示出较大的空间随机分布特征;③ 与FPD 感染存在空间正相关的为注射吸毒传播、异性传播以及母婴传播方式,输血、同性以及其他方式传播途径与FPD感染途径分布不存在空间相关性。     

基于经济社会活动视角的城市空间演化过程模型

中国的快速城市化带来了诸多问题,亟需制定合理有效的城市空间政策以确保城市发展的可持续性。因此,开展城市空间发展过程模拟、实施政策检验对于推进新型城镇化和城市的健康发展具有重要意义。本文基于“土地利用/交通相互作用模型”(Land Use/Transport Interaction Model, LUTI),以经济社会活动为切入点,构建了城市空间演化过程模型(Urban Activity Spatial Evolution Model, UASEM),并进一步给出了UASEM模型各子模型的具体实现和模块之间衔接的逻辑结构,从可操作层面给出了模型的实现方法。该模型可用于模拟城市空间演化过程、检验政策实施等,将成为城市空间可持续发展模拟分析研究的重要工具。     

互花米草盐沼湿地大型底栖动物时空分布特征

互花米草是从美国引进中国的外来物种,在江苏沿海栽种30多年,已经成为潮滩的优势种。以互花米草长势较好的东台笆斗垦区外互花米草盐沼湿地作为研究区,通过一条断面上4个样点的4个季节垂直分层的大型底栖动物采样,通过筛洗、固定、鉴定、统计以及动物群落指标计算等过程,得出互花米草盐沼湿地大型底栖动物的物种主要由4门5纲12科15种组成,其中以纵带锥螺和微黄镰玉螺为优势种,分布占34.91%和32.23%;在季节变化上,互花米草盐沼湿地大型底栖动物物种个体数有较大季节差异,秋季最高,夏季最低;在空间分布上,互花米草盐沼湿地大型底栖动物平均个体数H₂点最多,H4点最少,纵带锥螺、双齿围沙蚕等大部分物种在各点均有分布,具有较广的生境范围;在垂直分层上,各季节各采样点都是上层分布最多。     

A geochronological approach to understanding the role of solar activity on Holocene glacier length variability in the Swiss Alps

We present a radiocarbon data set of 71 samples of wood and peat material that melted out or sheared out from underneath eight presentday mid‐latitude glaciers in the Central Swiss Alps. Results indicated that in the past several glaciers have been repeatedly less extensive than they were in the 1990s. The periods when glaciers had a smaller volume and shorter length persisted between 320 and 2500 years. This data set provides greater insight into glacier variability than previously possible, especially for the early and middle Holocene. The radiocarbon‐dated periods defined with less extensive glaciers coincide with periods of reduced radio‐production, pointing to a connection between solar activity and glacier melting processes. Measured long‐term series of glacier length variations show significant correlation with the total solar irradiance. Incoming solar irradiance and changing albedo can account for a direct forcing of the glacier mass balances. Long‐term investigations of atmospheric processes that are in interaction with changing solar activity are needed in order to understand the feedback mechanisms with glacier mass balances.     

Study on mass balance and sensitivity to climate change in summer on the Qiyi Glacier, Qilian Mountains

Based on the glacier mass balance and meteorological data of air temperature and precipitation on the Qiyi Glacier from June 30 to September 5, 2010, we used a degree-day mass balance model to simulate the change of mass balance during this period. Our results indicate that the current value of the mass balance is ?856.2 mm w.e. Subjected to the strong influences of air temperature and precipitation, the mass balance process can be divided into three stages: accumulating exiguously → melting intensively → melting exiguously. The variation trends of the mass balance according to the degree-day mass balance model and the observed values are similar and wholly reflect the spatial distribution characteristics of the glacier mass balance, which increases with the increase of altitude. Our experiment on climate sensitivity of the mass balance showed that mass balance was very sensitive to the change of temperature; air temperature is the key factor which influences mass balance; and a slight increase in precipitation will have a negligible effect on mass balance when the air temperature increases continuously.     

基于空间聚类方法的京津冀城市群多层级空间结构研究

在京津冀协同发展战略背景下,以建设京津冀世界级城市群为引领,遵循城市发展规律,优化城市空间布局,明确京津冀城市群等级结构及其空间特征具有重要意义。本文以京津冀城市群156个区县为研究对象,从经济中心性、交通中心性、信息中心性、人口中心性4个角度,利用4种空间聚类方法进行5个等级的聚类分析,并基于克氏中心地理论对京津冀城市群等级划分结果进行空间结构分析。结果显示,自组织特征映射神经网络算法(SOM)较适合京津冀城市群的等级划分;京津冀城市群正从以北京城区为单核心的圈层空间结构向3条带型空间结构转变,其中京津都市发展走廊发育成熟,沿海都市发展带也初具规模,而包括雄安新区在内的京石都市发展带正在孕育。     

A parameterisation for the threshold shear velocity to initiate deflation of dry and wet sediment

A new parameterisation for the threshold shear velocity to initiate deflation of dry and wet particles is presented. It is based on the balance of moments acting on particles at the instant of particle motion. The model hence includes a term for the aerodynamic forces, including the drag force, the lift force and the aerodynamic-moment force, and a term for the interparticle forces. The effect of gravitation is incorporated in both terms. Rather than using an implicit function for the effect of the aerodynamic forces as reported earlier in literature, a constant aerodynamic coefficient was introduced. From consideration of the van der Waals force between two particles, it was further shown that the effect of the interparticle cohesion force between two dry particles on the deflation threshold should be inversely proportional to the particle diameter squared. The interparticle force was further extended to include wet bonding forces. The latter were considered as the sum of capillary forces and adhesive forces. A model that expresses the capillary force as a function of particle diameter squared and the inverse of capillary potential was deduced from consideration of the well-known model of Fisher and the Young–Laplace equation. The adhesive force was assumed to be equal to tensile strength, and a function which is proportional to particle diameter squared and the inverse of the potential due to adhesive forces was derived. By combining the capillary-force model and the adhesive force model, the interparticle force due to wet bonding was simplified and written as a function of particle diameter squared and the inverse of matric potential. The latter was loglinearly related to the gravimetric moisture content, a relationship that is valid in the low-moisture content range that is important in the light of deflation of sediment by wind. By introducing a correction to force the relationship to converge to zero moisture content at oven dryness, the matric potential–moisture content relationship contained only one unknown model parameter, viz. moisture content at −1.5 MPa. Working out the model led to a rather simple parameterisation containing only three coefficients. Two parameters were incorporated in the term that applies to dry sediment and were determined by using experimental data as reported by Iversen and White [Sedimentology 29 (1982) 111]. The third parameter for the wet-sediment part of the model was determined from wind-tunnel experiments on prewetted sand and sandy loam aggregates. The model was validated using data from wind-tunnel experiments on the same but dry sediment, and on data obtained from simulations with the model of Chepil [Soil Sci. Soc. Am. Proc. 20 (1956) 288]. The experiments showed that soil aggregates should be treated as individual particles with a density equal to their bulk density. Furthermore, it was shown that the surface had to dry to a moisture content of about 75% of the moisture content at −1.5 MPa before deflation became sustained. The threshold shear velocities simulated with our model were found to be in good agreement with own observations and with simulations using Chepil's model.