Study of statistically correcting model CMAQ-MOS for forecasting regional air quality

Based on analysis of the air pollution observational data at 8 observation sites in Beijing including outer suburbs during the period from September 2004 to March 2005, this paper reveals synchronal and in-phase characteristics in the spatial and temporal variation of air pollutants on a city-proper scale at deferent sites; describes seasonal differences of the pollutant emission influence between the heating and non-heating periods, also significantly local differences of the pollutant emission influence between the urban district and outer suburbs, i.e. the spatial and temporal distribution of air pollutant is closely related with that of the pollutant emission intensity. This study shows that due to complexity of the spatial and temporal distribution of pollution emission sources, the new generation Community Multi-scale Air Quality (CMAQ) model developed by the EPA of USA produced forecasts, as other models did, with a systematic error of significantly lower than observations, albeit the model has better capability than previous models had in predicting the spatial distribution and variation tendency of multi-sort pollutants. The reason might be that the CMAQ adopts average amount of pollutant emission inventory, so that the model is difficult to objectively and finely describe the distribution and variation of pollution emission sources intensity on different spatial and temporal scales in the areas, in which the pollution is to be forecast. In order to correct the systematic prediction error resulting from the average pollutant emission inventory in CMAQ, this study proposes a new way of combining dynamics and statistics and establishes a statistically correcting model CMAQ-MOS for forecasts of regional air quality by utilizing the relationship of CMAQ outputs with corresponding observations, and tests the forecast capability. The investigation of experiments presents that CMAQ-MOS reduces the systematic errors of CMAQ because of the uncertainty of pollution emission inventory and improves the forecast level of air quality. Also this work employed a way of combining point and area forecasting, i.e. taking the products of CMAQ for a center site to forecast air pollution for other sites in vicinity with the scheme of model products "reanalysis" and average over the "area".     

Chemical forms of heavy metal contaminants in sediments of Miyun reservoir

The chemical forms, spatial distribution and sources of As, Hg, Cd, Pb and Zn in sediments of the Miyun reservoir were studied. The results of sequential extraction demonstrate that most of As, Pb and Zn were bound to the residual fraction, Hg was associated with the sulfide fraction while Cd was associated with the carbonate fraction and the residual fraction. On the vertical profiles the concentrations of the heavy metals in total and each fractions mostly decreased with increasing depths in sediments, suggesting that the heavy metals input from the upstream watershed increases yearly. Summation of the residual fraction, the sulfide fraction and the carbonate fraction accounts for 60.03%―85.60% of the total heavy metal contents in the sediments, which represent the geochemical background values of the elements and relate closely to soil erosion. Results of the main factor analysis show that most sediments of the reservoir come from the upstream soil erosion, the point source pollution and domestic waste. Moreover, the microbial activities taking place on the sediment-water interface are also one of the major factors to cause the increasing content of the organic matter fraction and the iron-manganese oxide fraction. Environmental change of the reservoir water could make the removability of the heavy metals increase, leading to the increase of their concentrations in pore water in sediments, and imperiling water quality of the reservoir.     

基于小波包变换特征向量提取的隐蔽水声通信性能评价方法研究

针对水声通信系统的隐蔽性缺乏客观、有效的评价手段,提出一种基于小波包变换提取信号特征向量并比较特征向量相似度的信号隐蔽性评价算法。为了区别截获信号和环境噪声,考虑从能量分布特征的角度,提取截获信号的特征参数。所提算法利用小波包变换具有更高的时频分辨率、自适应选择频带等特点,获取信号的小波包能量占比、小波包能量熵、小波包尺度熵,采用上述 3 个特征参数组成特征向量和利用余弦相似度算法判别信号隐蔽性。仿真实验和海试结果表明,所提方法得到的信号隐蔽性能基本符合实际信号隐蔽性能随信噪比变化规律,为隐蔽水声通信系统评估设计和水声对抗性能评级提供有效参考。     

面向多区域高效搜索的UUV集群任务分配

UUV 集群在执行大范围搜索任务时分配方案的优劣对于提高任务执行效率至关重要。研究解决 UUV 集群同时进行多区域搜索中的任务分配问题,使得全部区域搜索完成时长最小。针对传统匈牙利算法无法高效解决不平衡任务分配的问题,提出一种改进匈牙利多轮分配算法。该算法通过多轮任务分配,实现空闲 UUV 高效利用和目标区域合理分配,通过在代价函数中引入边际代价和保守估计时长,大大减小了全部区域搜索完成时长。仿真实验结果表明：提出的算法相比传统匈牙利算法能够合理分配空闲 UUV,提高分配效率。此外,相较于仅采用搜索时长为代价函数,在代价函数中引入边际代价和保守估计时长能够针对耗时长的区域最大限度缩短搜索时长,保证随着 UUV 数量的增加,全部区域搜索完成时长单调递减。     

广西钦江河口枯季水动力特征及其对冷空气的响应

河口作为陆海相互作用的关键带,是河流入海泥沙及污染物的主要归宿地。钦江作为广西第二大河流,在茅尾海资源开发利用和生态环境保护与修复中发挥着重要作用。为进一步认识钦江河口地区的沉积动力过程,2021年10月27日至12月8日在此展开水动力和水体环境要素的连续观测。现场观测与分析结果表明,观测期间钦江河口潮汐类型为正规全日潮,浅水分潮显著,平均潮差为3.07 m,具有落潮优势;潮流以全日分潮流为主导,平均流速为0.12 m/s,运动形式主要为往复流;余流流向主要为西南方向。钦江河口潮汐和潮流性质较外湾和茅尾海中部海域全日潮特征更显著。枯季期间河口表层沉积物随潮汐运动表现为侵蚀-沉降交替的变化规律,垂向上侵蚀通量大于沉降通量,水平方向上悬沙净向海输运。冷空气过境带来的降雨使得钦江河口水体盐度降低、浊度增大,悬沙浓度及输沙量增加,同时冷空气南下时北风增强引起钦江河口减水效应并使潮差略有增加,水动力强度增大,增加表层沉积物的活动性,从而引起底部沉积物再悬浮强度和频率增加。     

多连通域浮式平台波浪载荷水池模型试验研究

大型多连通域浮式平台的典型代表是大型海上旅游浮式综合体,依据概念设计,开展大型多连通域浮式平台的波浪载荷水池模型试验研究,试验对不同海况下4种典型多连通域浮式平台方案进行波浪载荷测量,包括剖面的垂向弯矩、水平弯矩和扭矩等,通过观察试验现象和分析测量数据,获得了不同方案大型多连通域浮式平台的波浪载荷特性。试验结果表明：由于平台质量大、振动阻尼大,所以高频载荷成分小;平台在自由状态下载荷值基本都小于平台只释放垂荡状态载荷值;在方案四高波高状态下,平台波浪载荷的高频成分包含了波浪的非线性、约束柱与平台之间的耦合、平台自身的高频振动等。研究成果可为大型海上旅游浮式综合体的结构设计提供设计载荷输入,支撑平台的强度校核评估。     

深海无人系统大长径比环肋圆柱壳结构设计与试验研究

环肋圆柱壳是深海无人系统广泛采用的一种耐压结构形式,保障其结构安全是系统研制过程中非常重要的一环。针对环肋圆柱壳的结构特征推导了组合结构重量关系式和结构参数简化估算方法,并以一种超长型深海无人系统耐压结构为例,围绕大长径比环肋圆柱壳的结构形式、设计计算、仿真分析、模型验证等开展研究。研究表明提出的大长径比环肋圆柱壳结构设计参数简化估算方法具有较好的适应性。相关计算和分析结果可以为该型深海无人系统结构设计提供技术支撑,也可以为其他类似耐压结构设计提供参考。     

未来北极夏季陆面气温变化区域特征及其与北大西洋海面温度的关系

未来变暖背景下北极气候变化特征研究具有重要意义,基于国际耦合模式比较计划第六阶段（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6）中对北极气候变化模拟能力较好的模式模拟结果,研究SSP2-4.5情景下21世纪北极2 m气温的时空变化特征及其影响因素。结果表明：（1）极地陆地的欧亚大陆（Eurasia,EA）和北美-格陵兰（Greenland,GL）对全球变暖具有不同的响应。EA在21世纪中叶前变暖趋势显著,之后主要表现为年代际尺度的冷暖振荡;GL则始终保持增暖趋势。EA、GL分区气温均存在年际、年代际（10~20 a）尺度上的波动,GL分区还存在20~40 a的准周期变化。（2）前冬北大西洋涛动正位相会引起次年夏季北大西洋呈南北向“-、+、-”三极型海面温度异常,并通过影响大气环流导致EA分区气温正异常,这种影响主要体现在年代际尺度上。（3）北大西洋多年代际振荡为正异常时,北美至格陵兰位势高度偏高,GL分区增暖,并且这种影响在21世纪70年代后更重要;北太平洋北部的海面温度正异常对GL分区增温也有贡献。     

内蒙古典型草原和草甸草原相对花粉产量重估

相对花粉产量（RPP）是利用地层花粉数据定量重建古植被的重要参数,但目前估算的不同地区同一植物类型的RPP多存在差异。为了解植被盖度计算方法对花粉产量的影响,本项研究利用卫星影像数字化重新计算了内蒙古锡林郭勒典型草原和乌拉盖草甸草原采样点周边100 m以外的植被数据,利用ERV模型重新估算了主要花粉类型的RPP,并运用景观重建算法（LRA）进行了检验。锡林郭勒典型草原ERV模型分析显示,ERV子模型1结合1/d距离加权法与植被-花粉数据拟合度最高,得到的相关花粉源范围（RSAP）为1470 m;以蒿属为参照种（RPP=1±0）,各科属RPP依次为藜科（0.53±0.03）、十字花科（0.17±0.01）、唐松草属（0.14±0.02）、菊科（0.09±0.01）、莎草科（0.08±0.006）、委陵菜属（0.07±0.01）、禾本科（0.050±0.003）。乌拉盖草甸草原ERV模型分析显示,ERV子模型1结合Prentice距离加权法与植被-花粉数据拟合度最高,得到的RSAP为770 m;以蒿属为参照种（RPP=1±0）,各科属RPP依次为藜科（5.85±0.58）、蓼科（5.27±0.37）、石竹科（5.15±0.47）、莎草科（4.16±0.13）、菊科（1.63±0.09）、百合科（0.49±0.08）、唇形科（0.38±0.06）、禾本科（0.200±0.004）。重估的RSAP和RPP均与首次估算时存在差异,表明植被盖度计算方法确实会影响RSAP和RPP。景观重建算法对RPP检验结果表明,卫星影像数字化估算的RPP重建的植被盖度与实际植被的相关性更高。

     

火山岩与地形联合约束下海岛土壤稀土元素地球化学空间分布异质性——以广西涠洲岛为例

海岛土壤地球化学特征的研究对于认识海岛表生地质环境有重要意义。本研究以我国最大的第四纪火山海岛——涠洲岛为案例,重点研究亚热带海岛环境下火山岩风化土壤的稀土元素（REE）地球化学特征,并探讨影响其空间分布的关键因素。结果表明,涠洲岛土壤REE总量（ΣREE）自然变化范围较大,介于59.07~575.30 mg/kg,平均值为285.53 mg/kg,高于中国大陆土壤背景值（163.86 mg/kg）,指示火山岩风化海岛具有较高的土壤REE丰度。反距离权重插值法（IDW）分析指示,岛内土壤的REE含量高低变化呈现出以带状和斑块状为主体形态的空间分布不均一性,推断其成因与母质岩石类型和地形位置等因素密切相关。3种不同岩性的成土母岩的ΣREE含量变化序列为：玄武岩（236.66 mg/kg）>火山碎屑岩（215.58 mg/kg）>含生物碎屑海滩沉积物（18.99 mg/kg）,对应的土壤ΣREE含量具有类似变化规律,即玄武岩土壤（307.20 mg/kg）>火山碎屑岩土壤（297.46 mg/kg）>含生物碎屑海滩沉积物土壤（89.73 mg/kg）。该证据指示母岩是控制岛内土壤REE含量变化的首位因素,玄武岩整体上易形成具有较高REE丰度的土壤,火山碎屑岩次之,而含生物碎屑海滩沉积物反之。此外,本研究还发现火山碎屑岩单一岩性区内,发育的土壤REE含量也会随地形地貌差异而出现显著变化,其原因是地形地貌制约了土壤矿物和化学风化程度,海蚀丘陵比海积平原更利于海岛土壤中REE次生富集作用的发生。