可解释性长短期记忆模型用于预测湖泊总磷浓度变化

对湖泊总磷的变化预测和来源识别对水资源调度和流域生态治理有着重要的意义,然而复杂的生化反应和水动力条件导致的非平稳性给湖泊总磷浓度的准确预测带来极大的困难。为克服这一挑战,本文引入了基于加权回归的季节趋势分解(seasonal and trend decomposition using Loess,STL)技术和夏普利加法(SHapley additive exPlanations,SHAP)结合长短期记忆网络(long short-term memory neural network,LSTM)和门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)构建了一个可解释的预测框架,以增强对湖泊总磷浓度演变的预测并提高其可解释性。研究表明:(1)在骆马湖总磷浓度的预测中,该框架拥有较好的预报精度(R²=0.878),优于LSTM和卷积长短期记忆模型(convolutional neural networks and long short term memory network,CNN-LSTM)。当预测时间步长增加到8 h时,该框架有效提高了总磷浓度的预测精度,平均相对误差和均方根误差分别降低了47.1%和33.3%。从预测趋势来看,骆马湖在汛期的总磷平均浓度为0.158 mg/L,相较于非汛期的平均浓度,增加了202.1%。(2)运河来水是骆马湖总磷浓度最重要的影响因素,贡献权重为60.0%,并且不同断面(三湾、三场)的污染源受水动力、气象等因素的影响存在显著的时空差异。本文凸显了神经网络模型在预警水体污染方面的可实施性,并且为提高传统神经网络的学习能力和可解释性的开发与验证提供了重要方向。     

极端洪水导致的湖泊水位抬升和氮磷输入增加对苦草(Vallisneria natans)的复合影响

据全球气候变化模型预测,未来极端洪水事件将呈现增多和加剧态势。极端洪水对沉水植物功能性状、生长发育状况及整个生态系统均有深远的影响,研究极端洪水对沉水植物生长发育的影响对理解和预测气候变化过程中水生态系统的变化具有重要意义。本文针对极端洪水事件引起的水位急剧上升和营养负荷量增加双重效应,在实验周期90 d内设置对照(水位保持75 cm)、2种极端洪水条件(水位在第1天从75 cm快速上升至150 cm + NP输入、水位从75 cm逐步上升至150 cm + NP输入)以及水位保持75 cm + NP输入4项处理(后3项处理中营养输入总量相同),研究了极端洪水对沉水植物苦草(Vallisneria natans)生长、繁殖对策及生物量分配的影响,实验过程中还同步监测了浮游植物、附着藻类和水体营养状况(TN和TP)。在苦草的17个测定指标中,只有根生物量分配和有性繁殖分配在4个处理下无明显变化。从水位的单独作用看,相对于营养增加且水位恒定的处理,两种洪水条件(水位急剧上升和逐步上升)均降低了苦草的分株数、叶片数、间隔子数、间隔子总长、最大根长、花果数以及各器官生物量和总生物量,促进了人工基质表面附着藻类的生长。水位急剧上升时,植株对间隔子的生物量投资倾向于最小,而株高和植株对叶的生物量投资倾向于最大。从营养负荷的单独作用来看,相对于对照组,营养增加且水位恒定的处理中水体N浓度显著增加,促进浮游植物和苦草表面附着藻类的生长,但是从二者的Chl.a浓度来看,浮游植物遮光作用相对较大,抑制了苦草叶、根和间隔子的生长,但有性繁殖生物量无明显变化。从水位和营养负荷联合作用的模式来看,水位上升和营养负荷两个环境因素的联合作用会使入湖营养负荷加强水位上升对沉水植物生长的影响效应,二者的联合作用使叶、根、间隔子和有性繁殖生物量均大大降低。因此,极端洪水对沉水植物的不利影响较大,一方面水位抬升会直接影响沉水植物,另一方面会通过浮游植物间接影响沉水植物生长发育。     

Correspondence Between Astronomical Periods and Sedimentary Cycles

The term of geological cycle was used firstly inHutton's" The Earth Theory" in 1788 (Williams,1980). The geological cycles including tectonic cycles and sedimentary cycles have been describedwidely since than. Some researchers have perceivedthat the geolo…     

有机碳同位素示踪古环境变化研究

对有机碳同位素示踪环境变化的原理、研究对象、取得的进展和存在的问题等进行了详细研究，认识到C～H键比C-O键有利于富集^12C，从而导致生物或有机碳δ^13C为极低的负值，使有机碳与无机碳之间存在显著的碳同位素差异。光合作用类型的不同使植物分为C3，C4和CAM3种类群，并导致不同类群的植物具有不同的碳同位素组成，C3植物δ^13C=-20‰～-32‰，平均-28‰，而C4植物δ^13C=-9‰～-17‰，平均-14‰。气候环境的差异影响了光合作用的类型和强度，使不同环境的植物类群特征不同，不仅造成植物组合的碳同位素组成不同，而且导致不同食性的动物牙齿等化石的碳同位素组成的差异，甚至相应的无机碳同位素的变化，因此生物链及其衍生物的碳同位素研究也就成为反演某一地区或某一时期气候环境的有效手段。被作为研究对象的地质记录可分为有机和无机两类，有机类主要包括树轮等植物化石、牙齿等动物化石、煤等陆相沉积有机质、海相沉积有机质、土壤(前者的衍生物)，这些研究对象分别适合于目的不同的环境研究，并获得了较好的效果。进而发现有机碳同位素在研究重大生物灭绝事件、C4植物起源、地球早期生命起源、地外生命存在与否、矿产资源形成时的有机质作用等问题上将有重要作为。     

热带西太平洋热状况年代际和年际变化特征分析

采用谐波分析和EOF分析方法,对比研究了暖池区域表层热状况(海表温度距平SST'表征)和浅层热状况(热含量距平HS'和次表层海温距平ST'表征)在1月和7月的年代际、年际尺度时空特征.分析结果表明:⑴不同季节的年代际、年际尺度SST'和HS'都存在两个显著模态,HS'1月的年代际、年际尺度结构最简单,而SST'7月的年代际和1月年际结构最复杂;⑵ 1970年代末和1980年代初发生的年代际跃变HS'晚于SST', 且SST'(HS')呈增温(减少)趋势;⑶ HS'的年际异常与ENSO关系密切,而SST'与ENSO关系不显著.     

近30年夏季亚欧大陆中高纬度阻塞高压的统计特征

文中利用1970～2001年NCEP再分析500 hPa逐日高度场资料,根据阻塞高压的天气学定义,采用客观统计方法检索出近32 a亚欧中高纬度392个阻塞高压个例,对其进行了气候学分析.结果表明,亚欧中高纬地区夏季阻塞高压活动频繁,10 d以下的过程占绝对多数,地理分布主要集中在45～70°N之间,纬向上可划分5个高发区,其中乌拉尔山和贝加尔湖东部阻高活动频次最高,同时,每个区域中又存在着相应的阻高活跃区.亚欧中高纬地区夏季阻高活动具有明显的季节内变化特征.6月份,阻塞活动多发生在乌拉尔山地区和鄂霍次克海地区,以双阻为主要形势;7月份,欧洲区和贝加尔湖地区的阻塞活动有所增多,尤其贝加尔湖东部地区增多明显,而乌拉尔山地区的阻塞形势明显减少,鄂霍次克海地区的阻塞活动位置向北移动,多发生在60°N以北,双阻形势逐渐减弱,贝加尔湖地区的中阻形势有所增强.8月份,阻塞形势主要存在于贝加尔湖东西两区,中阻形势占据主导地位.亚欧中高纬地区夏季阻塞高压活动年际变化特征也很突出,且这种年际振荡有明显的地理差异.另外,研究表明亚洲北部的阻高活动多以稳定型为主,移动型阻高个例仅占6.6%.移动型阻高以起源于乌拉尔山地区最多,移距最长,生命期最长.偶极子类阻高多集中在贝加尔湖东部与乌拉尔山地区,约占该地区总阻高频次的62.0%和49.7%,平均生命期分别达到7 d/次和9 d/次以上.     

一种台风海面非对称风场的构造方法

针对台风数值预报中由于采用对称模型而导致预报误差的现实，通过引入非对称分布的台风最大风速、最大风速半径等因子，在得到台风报告中7级风和10级风的半径的基础上，利用最佳权系数方案来得到非对称的台风外围风速分布因子，从而对Chan and Williams 1987年提出的切向风廓线方案进行改造，进而得到了台风海面非对称风场的计算式。检验表明，该方法能够描述台风海面风场的非对称分布，具有较好的应用前景。     

冬春季切变类冰雹发生条件的对比分析

本文以 1996年 12月 31日和 1981年 5月 1日为例 ,对冬、春季节发生在江苏的较大范围的切变类冰雹天气过程作了对比分析。结果指出 ,无论冬季或春季当高原东部有深槽东移 ,冷暖空气在江淮地区交汇 ,地面抬升系统为暖切 ,并有大气层结不稳定 (Δθse( 50 0 - 850 ) <0℃ =中心和较强的风向和风速垂直切变、85 0hPa西南急流轴、85 0hPa最大水汽通量轴线、5 0 0和 85 0hPa正涡度中心等相配置时 ,就可能导致江苏地区较大范围强对流天气的发生。     

四川九寨黄龙机场高填方地基变形三维动力分析

四川九寨黄龙机场具有高填方、高地震烈度、高海拔等三高的特点,高填方体地基在地震作用下的动力稳定与变形问题成为该机场需着重考虑的主要工程地质问题之一。在对目前各种动力分析方法研究的基础上,选用快速拉格郎日差分分析(FLAC)程序,对该机场元山子沟段高填方地基在地震作用下的变形规律进行了系统地研究,获得了一些有实际意义的认识。     

Impacts of primary deforestation upon limestone slopes in northern Vancouver Island, British Columbia

Effects of deforestation upon slopes in limestones and in volcanic rocks in the Benson River valley, northern Vancouver Island, have been investigated quantitatively. Postlogging soil erosion and vegetal regeneration success were assessed by measuring soil depth, percent bare rock and moss cover, and the numbers and diversity of trees, shrubs, and plants on 25 sampling sites, each containing ten measuring quadrats selected at random. Sixteen sites were on the Quatsino Formation, a well-karstified limestone, and nine on the Karmutsen Formation of basaltic lavas. Eight sites were of virgin forest, 16 were logged between 1970 and 1983, and one (on limestone) was logged in 1911. Both bedrock types were significantly affected by the cutting. There was greater loss of soil and an increase in bare rock on the limestones. Erosion was increased significantly by burning on the limestones but not on the volcanics. Within-group comparisons on the limestones determined that steeper slopes and harder burned areas suffered the most and are slowest to regenerate. Volume of timber on the 1911 site was 19 percent of that in similar uncut forest sites. It appears that complete recovery on the barren limestone slopes will require at least some centuries.