地球科学大数据的管理与共享：以英国地质调查局为例

大数据驱动的研究范式正在引起地学领域的革命,而海量大数据的有效管理和共享是数据高效利用的前提。英国地质调查局作为最早成立的国家地质调查局,拥有海量的地学数据资源,通过近年来对数字化工作的全面推进,在数据的开放共享方面走在了世界各国的最前沿。文章对英国地质调查局的数据资源管理和数据共享方式进行了分析调研,详细介绍了他们的一站式管理平台——开放地学的主体组成,以及他们与同行合作建设的数据库。开放地学全面汇总了地调局内的数据资源,并通过一系列数据共享将所有数据集有机链接,通过数据和模型的巧妙结合,在满足用户数据需求的同时,对数据的应用进行了全方位的拓展,是地球系统科学研究框架下地球科学数字化工作的良好典范。     

基于地质建造的西南山区成土母质分类方案——以大凉山区为例

为适应生态地质调查和评价工作对成土母质研究的要求,以四川大凉山区为例,提出基于地质建造的成土母质分类方案,即以地质构造演化和地质建造环境为依据,结合残坡积物的成因类型对成土母质进行分类。大凉山区的成土母质可划分为第四纪冲洪积物、新近纪—第四纪砂泥岩类残坡积物、侏罗纪—白垩纪泥质岩类残坡积物、三叠纪砂泥岩类残坡积物、中生代中酸性岩类残坡积物、二叠纪基性—超基性岩类残坡积物、震旦纪—三叠纪砂泥岩类残坡积物、震旦纪—三叠纪碳酸盐岩类残坡积物、元古宙中酸性岩类残坡积物、元古宙火山碎屑岩类残坡积物、元古宙基性—超基性岩类残坡积物、元古宙变质岩类残坡积物等12类。研究表明,大凉山区成土母质和土壤存在差异性,但同一成土母质上的不同土壤类型具有一定相似的地球化学特征,不同成土母质形成的同一种土壤类型存在较大的地球化学差异。因此,基于地质建造的成土母质分类方案既能有效反映不同构造背景和成岩环境下的成土母质差异,又能有效表征成土母质与其上土壤的内在联系。     

西昌市1989—2018年林地草地湿地动态变化特征分析

遥感技术已被广泛应用于生态环境调查与研究。为获取西昌市近30 a生态环境演化趋势,利用1989年、2000年、2010年的专题绘图仪(Thematic Mapper,TM)遥感影像和2018年的陆地成像仪(Operational Land Imager,OLI)遥感影像,通过图像处理、目视解译和野外验证等方法,获得了西昌市1989—2018年的土地利用/覆盖数据,并对林地、草地和湿地的动态变化特征进行了研究。结果表明: 1989—2018年,西昌市林地、湿地和草地面积持续增加,生态环境持续向好; 林地主要分布于安宁河谷和邛海盆地四周山地,在牦牛山、螺髻山一带形成主要林区; 草地主要呈星岛状分布于牦牛山、螺髻山一带林地之间; 湿地以河流湿地与湖泊湿地为主,主要沿安宁河及邛海分布。但仍存在一些问题: 森林存在针叶化现象较普遍、树种单一等问题,需要重点加强林区火灾防范; 草地多数呈零星片状分布,不具有完整的系统结构和良好的功能,多数草地承载力和生产力较低,不宜大规模开发利用,应通过封山育林促使其向森林转化; 湿地分布也比较局限,需要着力予以保护。研究成果可为西昌市生态保护修复措施的制定及经济社会可持续发展提供科学依据。     

鄂尔多斯盆地CO2地质封存适宜性与潜力评价

针对目前利用层次分析法对CO₂地质封存进行适宜性评价过程中,极少结合研究区域实际计算低层次评价指标权重,对适宜性评价结果又缺少进一步的分析,结合鄂尔多斯盆地的地质特征,通过计算指标组成权重和适宜性得分对盆地开展了CO₂地质封存适宜性评价,并以适宜区杏子川油田长4+5盖层为例,开展了盖层封闭性评价实验研究。同时,采用相应的计算方法对鄂尔多斯盆地深部咸水层和油藏的CO₂地质封存潜力进行了计算。结果表明：鄂尔多斯盆地在三叠系开展CO₂地质封存的适宜性最好,石炭-二叠系和奥陶系则次之;杏子川油田三叠系延长组长4+5盖层对区域开展CO₂地质封存具备良好的封闭性;鄂尔多斯盆地深部咸水层和油藏的CO₂有效封存量分别为1.33×10 ¹⁰ t和1.91×10 ⁹ t,且在延长石油吴起、靖边及杏子川油田共有56个CO₂地质封存适宜区,其CO₂有效封存量可达1.77×10 ⁸ t。     

2017年辽宁省春夏季精细化气象干旱监测评估

基于辽宁省1114个国家级和区域级地面台站1961年以来的逐日气温和降水观测资料,利用距离平方反比法差值生成了1717个乡镇的气象资料序列,采用气象干旱综合监测指数统计分析了辽宁省2017年4—8月精细化到乡镇的气象干旱特征。结果表明:2017年辽宁省春夏季异常高温,同时降水异常偏少,致使气象干旱不断发展;干旱在4月5日前从中部和北部开始,4月末扩展到西部,5—6月再向东南发展,波及88%的乡镇,7月以来气象干旱程度开始减轻;气象干旱持续时间长的乡镇主要集中在中部和北部,最长持续时间153d;受气温偏高和降水过程的影响,中度以上气象干旱面积呈阶段性变化,且极端干旱的发展伴随高温时段。由于气象干旱不同于农业干旱,在开展为农服务时要因地制宜采取应对措施。     

海南岛天然橡胶林台风灾害风险评价

台风灾害是海南橡胶种植中影响最为严重和主要的灾害,为对其风险进行定量评估,本研究以海南岛天然橡胶林为研究对象,基于灾害风险评估理论,融合橡胶台风灾害、社会经济和气象数据,建立橡胶台风灾害危险性、暴露性和脆弱性评价模型,利用加权综合评价法开展天然橡胶林台风灾害风险评价。结果表明：海南橡胶种植高风险区位于沿海台风发生频繁市县,其中琼海、文昌、海口为海南岛橡胶灾害风险最高的地区,其次陵水、万宁、琼中、屯昌、东方等地区灾害风险也较高。风险最低地区位于中部五指山、保亭、乐东、三亚等地区,评价结果与实际灾害发生以及种植情况相符。评价结果表明,台风灾害危险性是风险的主导因子,但非单一决定因子,种植技术、品种改良等措施对脆弱性降低起到了较好的促进作用。评价结果可为橡胶林避灾防灾及种植布局提供依据。     

Progress in Semi-arid Climate Change Studies in China

This article reviews recent progress in semi-arid climate change research in China.Results indicate that the areas of semiarid regions have increased rapidly during recent years in China,with an increase of 33%during 1994-2008 compared to 1948-62.Studies have found that the expansion rate of semi-arid areas over China is nearly 10 times higher than that of arid and sub-humid areas,and is mainly transformed from sub-humid/humid regions.Meanwhile,the greatest warming during the past 100 years has been observed over semi-arid regions in China,and mainly induced by radiatively forced processes.The intensity of the regional temperature response over semi-arid regions has been amplified by land-atmosphere interactions and human activities.The decadal climate variation in semi-arid regions is modulated by oceanic oscillations,which induce land-sea and north-south thermal contrasts and affect the intensities of westerlies,planetary waves and blocking frequencies.In addition,the drier climates in semi-arid regions across China are also associated with the weakened East Asian summer monsoon in recent years.Moreover,dust aerosols in semi-arid regions may have altered precipitation by affecting the local energy and hydrological cycles.Finally,semi-arid regions in China are projected to continuously expand in the 21st century,which will increase the risk of desertification in the near future.     

北京山区与平原冬季近地面风的精细观测特征

利用2009—2018年冬季北京地区200多个自动气象站逐时10 m风速、风向观测数据,分典型区域（山区、山区与平原过渡区、平原区、城区）研究北京地区冬季近地面风的精细特征,并使用有完整记录的2 a（2017和2018年）冬季延庆高山区不同海拔高度10 m风逐时观测数据,多视角分析高山区不同海拔高度近地面风的特征和成因,以深刻认识北京地区复杂地形条件下冬季近地面风的特征和规律。结果表明:（1）北京地区冬季近地面平均风受西部北部地形、城市下垫面粗糙度和冷空气活动共同影响,平均风速沿地形梯度分布,山区高平原低,平原中又以城区风速最小;盛行西北风和北风,在城区东、西两侧盛行风出现扰流,在山区和过渡区一些地方还存在与局地地形环境明显关联的其他盛行风向。（2）4个典型区域冬季近地面风速日变化均表现为白天风速大于夜间,午间风速最大的“峰强谷平”单峰特征,这一特征的稳定性在城区高、山区低。（3）4个区域冬季弱风（< 1 m/s）频率为31%—42%,城区较高、山区较低;强风（> 10.8 m/s）频次则是山区多、城区少,强风风向主要表现为偏西—偏北,与冷空气活动密切关联;城区、平原区和过渡区偏南风频率均为极小,暗示北京“山区—平原”风模态在冬季是“隐式”的、不易被直接观测到。（4）近地面风的水平尺度代表范围在延庆高山区高海拔处明显大于低海拔处,海拔1500 m附近（平均的边界层顶高度）是延庆高山近地面风速日变化特征的“分水岭”,低于该海拔高度时近地面风速日变化表现为前述“峰强谷平”单峰特征,而高于该海拔高度时近地面风速日变化则呈现相反特征,即夜间大白天小、午间最小的“峰平谷深”特征,这是由边界层湍流活动的日变化及伴随的低层自由大气动量向边界层内下传所致。（5）延庆高山近地面风速大体上随观测高度而增大,高海拔站点日平均风速数倍于低海拔站点。白天—前半夜,海拔约2000 m的站点冬季盛行偏西风,风向变化不大,但风速为2—12 m/s;1000 m左右的低海拔站则风速比较稳定（< 6 m/s）,风向从午间至傍晚相对多变。      

闽中南罕见冬季锋前暴雨个例特征分析

利用福建省逐小时加密自动站资料、风廓线、S波段双偏振雷达与雨滴谱等新型探测资料以及NCEP逐6 h的1°×1°大气再分析资料,分析了2017年2月21—22日福建中南部一次预报失败的冬季暴雨过程。结果表明:(1)此次暴雨过程类似于锋前暖区暴雨,自2000年以来仅此一例,十分罕见,是在低空急流偏强并长时间维持的背景下产生的,并未受到南支槽和冷空气的影响。(2)闽中大到暴雨带和闽南暴雨区的对流系统相互独立,有多个对流系统影响闽中地区,仅两个对流系统影响闽南地区。降水有较明显对流特征,属暖云弱对流降水,容易导致预报员对雨强估计不足。(3)此次冬季暴雨过程的水汽主要来自南海地区,低层水汽条件与汛期暴雨相当,但整层水汽条件较汛期略差;低空急流对暖湿气流的输送使暴雨区趋于不稳定,但对流不稳定度较汛期弱。(4)高空辐散低层辐合的配置为冬季暴雨带来了有利的动力抬升条件,但暴雨区涡旋性不强,无明显正涡度柱。其中,闽中大到暴雨主要与条件性对称不稳定有关,是在湿斜压作用下倾斜上升运动中产生,而闽南暴雨区既存在对流不稳定,也存在条件性对称不稳定。     

基于阈值可调切换系统的多翅膀混沌吸引子设计及电路仿真

本文提出了一种通过调节一类状态依赖切换系统的阈值来生成多翅膀混沌吸引子的设计方案.首先,设计了两个类Lorenz子系统;然后,基于这两个子系统构造了一个状态依赖于阈值的切换策略,从而构造了一类状态依赖于阈值的切换系统;最后,通过调整切换系统的阈值来改变鞍焦平衡点的个数与分布,使得该切换系统能够产生4-6-8翅膀的混沌吸引子.此外,根据切换系统的状态方程设计了该系统的模拟电路,电路仿真结果与数值仿真结果一致.实验结果证实：该设计方案可以在不增加系统维数或无需设计复杂非线性函数的情况下生成多翅膀混沌吸引子.