遥感与地球系统科学

地球作为一个高度复杂的非线性系统,各圈层(大气、海洋、陆地、生物、冰雪圈、固体地球)尤其是人类活动等任何组成成份的变化,都会引起地球系统的变化。人类可持续发展面临的巨大科学挑战之一是认识人类赖以生存的、复杂变化的地球系统,认识地球系统如何变化及主要驱动因素,认识地球系统未来变化趋势及如何提高对全球变化的适应能力。卫星独特的全球覆盖和日尺度的观测改变了地球科学的研究方法,它强调所能探测到的多时空尺度上的物理动力过程,在全球范围应对气候变化、能源和环境挑战具有重要作用,揭开了地球系统多学科交叉的新纪元。以地球系统的视野,抓住驱动地球系统的关键循环过程(如能量、水、生物化学循环),是当前地球系统科学的发展趋势。地球系统科学(全球变化)研究需要长期稳定、准确性较高的卫星观测数据,以水循环为例,卫星遥感具备获取全球范围水循环关键参数能力,但是系统性综合观测能力不足,整体精确性受到综合化的可靠空间数据集的限制。目前中国正在积极研制发展新型水循环卫星WCOM(Water Cycle Observation Misssion),并寄希望以此为核心传感器发起全球分布式水循环观测星座系统,进一步提高中国在国际水循环观测与地球系统科学研究方面的话语权与领先能力。     

基于PFC2D岩石颗粒破碎强度和能量的分形模型

颗粒的破碎强度随着粒径的增大而减小,即颗粒破碎的尺寸效应,分形模型为解释固体颗粒破碎的尺寸效应提供了可行的方法。根据岩石颗粒破碎时的分形特征,采用Sammis破碎准则,通过模拟分析得出岩石颗粒破碎能量和强度的分形模型,建立和验证用分维D来表示岩石颗粒破碎的能量和强度准则,得出并验证了岩石颗粒破碎分维的确定方法。利用离散元软件PFC2D的黏结颗粒模型BPM（Bonded Particle Model）模拟了小孔隙率n=0.12和大孔隙率n=0.3,即密实和松散两种情况。其中小孔隙率采用在模型上添加小颗粒的新方法,分别做了400组粒径不等的数值模拟试验,从粒径与破碎强度、破碎能量之间的关系和应力-应变曲线3个方面进行了统计,验证了岩石颗粒破碎强度与分维D的理论关系为σ_f∝dD-3,并得出颗粒破碎时的能量和与分维D之间的关系为E_f∝dD-1。验证了分形理论在分析颗粒破碎的尺寸效应中的较好应用,为确定岩石颗粒的破碎强度和岩石堆砌体剪切强度提供新的方法和参考意见。     

循环荷载作用下斜长花岗岩弹性模量演化规律

通过MTS815岩石力学试验机开展斜长花岗岩循环荷载试验,揭示循环次数、围压、含水率对斜长花岗岩弹性模量变化规律的影响,分析饱和与天然试样应力功、弹性应变能、耗散能随循环次数的演化规律。根据能量演化规律将岩石压缩变形破坏过程划分为4个阶段,研究各阶段切线模量与耗散能之间的关系。试验结果表明:（1）同一个应力水平切线模量随循环次数呈先增大后降低的趋势,其降低幅度随循环次数与应力水平增加而增大。（2）围压抑制了裂纹扩展,随围压增加切线模量弱化幅度减小。（3）饱和试样比天然试样切线模量弱化幅度大,说明水的存在加剧饱和试样内部结构损伤。（4）耗散能增加是引起切线模量弱化的内在因素,两者的变化规律呈现出很好的相关性。     

小波分析在致密砂岩气层识别中的应用

致密砂岩储层孔隙度低、渗透率低、非均质性强,气层所对应的测井响应特征较为复杂,气层识别和评价难度较大,多解性突出.以三水模型、岩心、地质和试气资料为基础,采用能量谱峰值与能量加权累计法定量分析致密砂岩气层的电阻率与自由流体孔隙度组合曲线的小波多尺度能谱特征,以及小波包能量谱特征.组合曲线的多尺度小波能量谱分析方法在致密砂岩气层识别中气层的能量谱与水层的能量谱明显不同,并用其识别苏里格地区的致密砂岩气层.结果表明识别致密砂岩气层能量加权累计法定量分析比小波能量峰分析效果更好.      

大洋涌浪耗散研究及模式应用的进展及主要问题

大洋中涌浪普遍存在且对大气-海洋之间的物理过程有较大影响,但目前对涌浪的耗散过程研究尚不充分。总结了关于涌浪传播和耗散的观测事实,着重指出利用遥感数据推进相关研究的可能性;同时分析可能的物理机制,并论述其在海浪模式中的应用及不足。通过梳理大洋涌浪耗散的研究进展,为今后开展涌浪相关研究提供依据。     

一种具有能量吸收特性的非线性锚泊系统数值模拟与分析

锚泊系统是离岸可再生能源发电设备的核心部分,其应对极端环境载荷的能力直接影响装置浮式安装基础的可靠性与安全性。文中讨论了一种具有能量吸收特性的新型锚泊系统,详细分析了该锚泊系统的结构组成,通过建立数值模型进行仿真计算和分析,得出不同锚系配置方案和极端环境条件下的计算结果,证明这种新型锚泊系统具有良好的非线性载荷响应特性,可提高离岸可再生能源发电设备的可靠性和极端海况条件下的生存性。     

反渗透海水淡化技术现状和展望

反渗透膜技术于20世纪60年代取得突破性进展,促使反渗透海水淡化在近50年间高速发展,淡化产能自20世纪90年代起激增.海水反渗透(SWRO)淡化已成为目前投资最省、成本最低的利用海水制备饮用水的过程.文中主要对海水反渗透淡化的发展状况进行了介绍,如膜和组件的改进,关键设备高压泵和能量回收装置效率的提高,多种工艺过程的不断发展,包括预处理和后处理的新工艺,以及对环境的影响和相应对策等.反渗透技术的发展也推动了其他膜分离技术的进步,并扩展其应用领域.预计在不久的将来,膜技术在海水淡化和水再利用、扩大和保护水资源、循环经济、清洁生产、改造传统产业、节能减排及提高人民生活水平等方面发挥的作用会越来越显著.     

花岗岩岩桥卸荷脆性破坏的能量特征

岩质边坡锁固段型岩桥的破坏和能量的累积与释放密切相关,利用MTS815伺服控制刚性力学试验机对花岗岩岩桥试样开展了常规三轴加荷试验和三轴加卸荷试验,采用基于轴向应力比的能量分析方法,可对不同工况下峰前加载各阶段能量变化趋势进行有效的对比分析。结果表明:应力峰值前能量特征变化主要分为压密阶段与弹性阶段,试样处于压密阶段,随着初始裂纹的闭合与摩擦,耗散能占比大幅增加;弹性阶段,荷载所做功大部分转化为弹性能储存在试样内部,弹性能占比大幅增加。由于预制裂隙存在,在临近破坏前没有出现明显的屈服阶段,岩桥试样表现为“突发式”的脆性破坏;初始围压的提升会使得应力峰值点的总能量、弹性能明显增大;花岗岩试样的岩桥越长,其吸收的总能量、弹性储能极限越大,应力峰值点的弹性能占总能量比值越高,岩桥长度变化则对耗散能没有明显影响。     

我国北方不同下垫面地表能量通量的变化特征

利用"中国干旱气象科学研究计划——我国北方干旱致灾过程及机理"的观测数据,分析塔中站、奈曼站、平凉站和锦州站2015年8—10月及定西站2016年8—10月地表能量通量变化特征。分析发现,不同下垫面辐射均表现出明显的日变化,相对于向下短波辐射和向下长波辐射,不同下垫面反射辐射和向上长波辐射差异更加明显。塔中站反射辐射和向上长波辐射最大,锦州站和平凉站相对较小。净辐射具有明显的日变化特征,和总辐射相位一致,农田净辐射日峰值相对较大。地表反照率3个月平均从大到小依次为塔中站(0. 27)、定西站(0. 19)、锦州站(0. 16)、奈曼站(0. 15)和平凉站(0. 14)。各站点感热通量和潜热通量均为单峰型,其中,奈曼站感热通量峰值最大(276 W·m~(-2)),平凉站潜热通量峰值最大。定西站和锦州站净辐射分配以感热通量为主,平凉站则以潜热通量为主。     

冬季北半球风暴轴的多尺度能量变化特征及其可能机制

基于1971—2016年NCEP/NCAR(美国环境预报中心和国家大气研究中心)的逐日再分析资料及NCPC(美国国家海洋和大气管理局气候预报中心)的海温、大气环流及海洋指数等资料通过多尺度能量分析(MS-EVA)等方法,把冬季北半球风暴轴看做一整体,分析了风暴轴区域多尺度的能量变化特征及其可能机制。主要结论概括如下:(1)多年气候平均状态下,风暴轴的动能来源主要表现为在风暴轴中上游先由低频尺度向天气尺度输送有效位能,随后在风暴轴主体区再由天气尺度有效位能转换为天气尺度动能,其中风暴轴西端可直接由低频尺度向天气尺度输送动能。(2)北半球三大风暴轴联合EOF结果表明:第一模态下,主要体现了北西伯利亚风暴轴与北太平洋风暴轴强度的减弱(增强),同时伴随着北大西洋风暴轴位置北抬(南压);第二模态下,主要体现了北西伯利亚风暴轴强度减弱(增强),同时北太平洋风暴轴位置北抬(南压)中东部强度增强(减弱),而北大西洋风暴轴位置南压(北抬)。(3)回归分析表明:北半球风暴轴异常在不同模态下与低频尺度环流联系密切。低频尺度波动可通过海温及西风急流等异常变化先影响风暴轴区域多尺度间的能量转换,进而影响风暴轴整体的异常变化。