岩溶关键带水文地球化学研究进展

岩溶关键带处于岩石、水、土壤、大气、生物五圈交汇地带。正确认识岩溶关键带的结构、特点及其水文地球化学过程是当前地球关键带与岩溶水科学研究的重点问题。本文基于对国内外相关研究成果的归纳整理,剖析了岩溶关键带水文地球化学内涵、岩溶关键带水动力垂向分带、岩溶关键带框架下的水文地球化学过程与机制, 探寻变化环境下岩溶关键带水文地球化学过程演变的规律与驱动机制。指出了当前研究中存在的薄弱环节:目前工作仅停留在传统岩溶地下水科学工作范畴,未从岩溶关键带框架体系的角度考虑植物冠层至岩溶含水层之间水文地球化学过程及其耦合关系,未考虑新污染物持续输入、地球大数据科学工程深入实施、全球碳排放路径逐渐改变等时代因素对岩溶水文地球化学研究的潜在影响。进一步的研究可以从以下方面开展:基于岩溶关键带框架体系的新污染物水文地球化学研究,基于大数据框架体系的岩溶水文地球化学研究,“双碳战略”下的岩溶水文地球化学研究,岩溶关键带水文地球化学驱动的物质转化与能量迁移过程及其耦合以及高分辨率监测、评估与模拟手段的综合应用。     

含砾石土壤降雨入渗过程模拟

在室内模拟降雨试验的基础上,利用多重相互作用连续体(MINC)组件,对含砾石土壤降雨入渗过程进行了数值模拟,以期深入理解含砾石土壤中的水土过程.研究结果表明,土壤中砾石的存在能够导致土壤水分饱和度增加,使得土壤总入渗量以及降雨入渗深度降低.含砾石土壤中存在一个陡的湿润锋面,在湿润锋面上土壤水分饱和度急剧下降.MINC组件可以很好地模拟含砾石土壤降雨入渗过程,其对含砾石土壤湿润锋和土壤含水率变化的模拟值与实测值吻合较好.降雨期间土壤水分饱和度沿土壤剖面的变化可用来解释含砾石土壤降雨入渗深度降低的原因.     

上地幔超高压流体的金刚石压砧实验研究

地球深部流体主要是NaCl-H2O溶液,越到地球深部,它赋存的温度、压力越高,性质状态也不断变化,反之,亦然。当NaCl-H2O流体进入和脱离(上升过程)超临界状态时,其性质会发生截然不同的变化,影响着各种地质过程。使用金刚石压砧在高温高压下原位观测流体的实验,用谱学方法,结合同步辐射光源技术,成为定量化研究地球深部高温超高压流体的有效方法。作者使用同步辐射光源的红外谱研究了10GPa下的NaCl-H2O溶液;在地球化学动力学实验室研究了3GPa,650℃下的NaCl-H2O溶液红外谱,此测量方法可以提供温度压力和体积等数据,能研究其状态。NaCl-H2O溶液红外谱表明水分子主要振动谱受压力和温度影响是不同的。压力增加促使水分子主要振动谱向低波数变化。但是温度增加的效应相反。常温高压下水被压缩,结晶向紧密堆积变化。高温高压下的水有气、液、固和超临界流体各相。水分子间的氢键在近临界态开始减弱,氢键网络被破坏。     

博格达造山带东段芨芨台子地区早二叠世双峰式火山岩地球化学特征及其地质意义

博格达造山带东段芨芨台子地区早二叠世玄武岩和中酸性火山岩在时空上构成双峰式火山岩组合,其岩石类型主要为亚碱性玄武岩和流纹岩,主体属钙碱性系列。玄武岩SiO2含量为47.70%~51.71%,TiO2含量(1.26%~1.52%)略高于N型大洋中脊玄武岩,高Al(Al2O3=14.06%~20.93%),富Na贫K(Na2O/K2O=2.34~28.36),低Mg(MgO=2.99%~8.62%,Mg#为27~52),表明其玄武岩浆发生过明显的橄榄石和辉石的分离结晶作用;玄武岩轻稀土元素略微富集,Eu异常不明显(δEu=0.85~1.02),相对富集Rb、Ba、P等大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、Sr、Ti等不相容元素。火山岩地球化学特征表明,研究区玄武质岩浆来自于亏损岩石圈地幔的部分熔融,且受到一定程度的地壳物质混染,显示了板内玄武岩的地球化学特征形成于陆内伸展环境。流纹岩具有较高的SiO2(73.58%~75.45%)和全碱(Na2O+K2O=8.56%~8.79%)含量,以及较低的TiO2(0.12%~0.18%)、Al2O3(12.77%~13.24%)和MgO(平均为0.21%)含量;显示右倾负斜率稀土配分模式,Eu负异常明显(δEu为0.52~0.70),显著富集Rb、Ba、Th等大离子亲石元素,强烈亏损Nb、Ta、Sr、P、Ti等高场强元素,具有A型花岗岩的地球化学特征,为后碰撞伸展环境下底侵玄武岩浆结晶分异的产物。博格达造山带东部芨芨台子地区双峰式火山岩的地球化学特征表明,该套火山岩应形成于碰撞后伸展环境,同时获得流纹岩锆石U-Pb年龄为(294.2±1.3)Ma,表明该套火山岩形成于早二叠世早期。这一发现进一步证实了研究区在历经石炭纪汇聚碰撞事件后进入二叠纪后碰撞伸展的演化时期,为进一步理解博格达地区晚古生代构造格局及板块构造体制提供了重要的地质依据。     

牙形石微量元素对生物绝灭事件的响应: 以二叠-三叠系全球层型剖面第一幕绝灭事件为例

首次系统地利用浙江长兴煤山剖面牙形石化石, 依托中国地质大学(武汉) 地质过程与矿产资源国家重点实验室激光剥蚀等离子体质谱仪(LA-ICP-MS) 获取牙形石微区原位元素含量信息.结果显示, 牙形石的Ce异常和稀土总量出现快速的波动, 它们均反映出P/T之交环境(氧化-还原、生态条件等) 的不稳定性.这些微量元素特征可以很好地与古海洋环境和生物绝灭事件耦合.这一研究将为系统探索全球古生代末生物大灭绝及其后生物复苏的过程、时限与古海洋化学及古生态变化性质等问题的研究提供新的途径, 并有望对这些重要科学问题提供有效的制约.      

城市纳污河流沉积物微生物群落结构特征

以南京市运粮河沉积物为研究对象,通过磷脂脂肪酸(PLFA)技术分析了不同水期城市纳污河流沉积物微生物群落结构特征。结果表明:在不同的水期运粮河沉积物微生物量出现了显著差异,温度是导致微生物量在丰、平、枯三期出现显著差异的主要因素(P<0.05);在相同水期,营养物质含量高的地方对应着高的微生物量;16:0 iso、17:0 anteiso、15:0 iso这几种PLFA所指示的革兰氏阳性菌(G+)是影响运粮河沉积物微生物群落构成的主要菌落,导致沉积物微生物群落结构出现显著差异的环境因素是水期;单不饱和/支链脂肪酸比值可以作为反映水环境系统整体营养水平的指标,在C/N比值升高时微生物会将单不饱和脂肪酸转变成环丙基或者饱和脂肪酸以适应新的环境;PLFA含量比[c(i15:0)+c(i17:0)]/[c(a15:0)+c(a17:0)]可以作为指示水环境碳素含量的标志。     

利用WRF-Chem模拟研究京津冀地区夏季大气污染物的分布和演变

应用WRF—Chem（Weather Research and Forecasting Model with Chemistry）模式模拟研究了2007年8月京津冀地区近地面O3、NO2、PM2.5浓度的时空变化特征,将模拟结果与观测数据进行详细对比,结果表明,模式可以较好地模拟O3、PM2.5,浓度的空间分布和时间变化特征,成功再现了8月33和PM2.5的几次积累增加过程,其中O,的模拟值与观测值的相关系数为0．69～0．86,PM2.5的相关系数为0．44～0．49,但模式对NO2的模拟相对较差,相关系数为0．27～0．43。北京、天津地区为O3月均低值区,月均体积浓度约30×10^-9,渤海及京津冀以西地区O3月平均体积浓度可达60×10^-9;PM2,呈现南高北低的分布特征,变化范围为120～240μg／m3。14时月平均03体积浓度在北京、天津地区低于周边地区,约为60×10^-9;而PM2.5质量浓度在环渤海地区和河北南部较高,为100～120μg/m^3。8月17日北京出现一次典型的高浓度O,污染事件,14时北京地区温度达到33℃,O3体积浓度为80×10^-9～110×10^-9。在局地排放、化学反应和外来输送的共同作用下,渤海西岸和北岸PM2.5的质量浓度超过120μg／m3,其中二次气溶胶质量浓度为50～100μg／m3,一次排放人为气溶胶质量浓度为10～20μg／m3,海盐质量浓度为1～7μg／m3,二次气溶胶是该地区PM2.5的主要贡献者。     

基于一维变分算法的地基微波辐射计遥感大气温湿廓线研究

为研究地基微波辐射计遥感温、湿度廓线的一维变分算法的反演能力,用北京地区2010—2011年00和12时(世界时)的多通道地基微波辐射计亮温资料进行试验。首先,利用同时次的地面观测资料、红外亮温(由地基微波辐射计自带红外传感器测得)及探空观测数据,给出提取无云样本的方案,得到432个无云样本;再以辐射传输模式计算得到的模拟亮温为参考,对无云条件下的观测亮温进行质量控制;然后利用探空数据进行模拟试验,结果发现,一维变分算法对3 km以下的温度廓线有较大调整。使反演结果更加接近探空,而对湿度廓线在0—10 km都有不同程度的优化;最后利用一维变分算法对地基微波辐射计观测亮温进行大气温湿廓线反演,将结果与探空对比可以看出,温度廓线的均方根误差小于2.9 K,绝对湿度的均方根误差小于0.47 g/m~3;进一步与地基微波辐射计自带神经网络的反演结果比较表明,一维变分的反演结果更接近实际大气。     

用非线性最优化方法研究El Nio可预报性的进展与前瞻

综述用非线性优化方法研究厄尔尼诺(El Ni~no)南方涛动(ENSO)事件可预报性的进展。针对ENSO可预报性研究中的热点问题———“前期征兆”、“春季可预报性障碍”,以及如何量化研究ENSO可预报性和ENSO的不对称性问题,作者在近年来的工作中先后用理论模式和中等复杂程度ENSO模式研究了ENSO可预报性的动力学,揭示了ENSO的若干重要非线性特征。主要结果如下:(1)条件非线性最优扰动(CNOP)(局部CNOP)比线性奇异向量更易发展成ENSO事件,扮演了ENSO的最优前期征兆。这些ENSO事件关于气候平均态是不对称的。理论分析表明,非线性温度平流过程是造成这种不对称性的重要原因。1980~2002年的海洋再分析资料验证了上述理论结果。(2)ENSO事件CNOP型初始误差的发展有明显的季节依赖性,该误差导致了ENSO事件最显著的春季可预报性障碍(SPB)现象。ENSO事件SPB的发生不仅依赖于气候平均态,而且依赖于ENSO事件本身及其初始误差模态,是三者综合作用的结果。(3)建立了关于ENSO可预报性的最大可预报时间下界、最大预报误差上界和最大允许初始误差下界的三类可预报性问题,分别从三个方面揭示了ENSO事件的春季可预报性障碍现象,比较有效地量化了其可预报性。(4)通过CNOP方法,揭示了非线性温度平流在年代际尺度ENSO不对称性研究中的重要作用,解释了ENSO不对称性的年代际变化,基于所用ENSO模式给出了ENSO不对称性年代际变化的机制。最后,展望了非线性优化方法在ENSO可预报性中应用的前景,并期望该方法能拓展到ENSO第二类可预报性问题的研究中。     

南京雷达数据的一致性分析和订正

运用几何匹配法处理了南京雷达和热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)上搭载的测雨雷达(Precipitation Radar,PR)的反射率因子探测资料,统计分析了2008—2013年共245个时次的匹配数据。 以TRMM PR工作多年持续稳定特征为参照,揭示了南京雷达6 a的探测资料情况。结果表明,南京雷达和TRMM PR探测降水具有较强的一致性,6 a时间里南京雷达存在一定的运行不稳定情况,南京雷达0℃层以下数据存在“3段特征”:时段Ⅰ2008年1月—2010年3月,时段Ⅱ2010年3月—2013年5月,时段Ⅲ2013年5—10月。3个时段之间整体回波强度有差异,时段Ⅱ整体回波强度比时段Ⅰ、Ⅲ偏小2—3 dB;而3个时段内的回波整体保持相对的稳定,南京雷达与TRMM PR的回波强度差值随回波强度的变化呈线性关系;在中低回波值时TRMM PR比南京雷达大,在中高回波值时南京雷达比TRMM PR大。基于两种雷达回波强度值的拟合关系,对南京雷达的反射率因子进行分段线性订正,有效地改善了南京雷达的一致性:3个时段回波强度的整体差异减小到0.75 dB以内;在245个匹配时次和105894个匹配点上南京雷达和TRMM PR的反射率因子的相关系数增大,南京雷达-TRMM PR值的标准差减小。