浮冰界面融化速率参数化方案的实验室研究

融冰季节时天然浮冰表面、底面和侧向融化共存,三者融化速率是底面大于侧向,侧向大于表面。而且浮冰尺寸越小,侧向速率占比越高。为了解决将小尺度浮冰块尺度指标计入融化参数化方案,在低温环境实验室无辐射、无流速、控制气温和水温条件下对天然海冰和人工冻结淡水冰的圆盘试样,开展了不同初始水温和不同初始直径的圆盘试样融化过程实验,获得了圆盘试样直径、厚度和质量融化过程。依据这些实验数据,构建试样直径厚度比这一新指标,通过物理分析和数学统计手段,建立了海冰和淡水冰试样表面、底面融化速率同温度梯度,侧向融化速率和温差以及直径厚度比的关系式。这些关系式能够应用于天然直径100 m范围内浮冰的融化参数化方案,期望能解决北冰洋海冰和入海口近岸淡水冰夏季融化季节能量和质量平衡数值模拟的需求。     

1998年以来兰州市地下水环境变化及驱动因素

以地下水污染调查数据、地下水监测数据和遥感数据为基础,分析了1998年以来（1998—2019年）兰州不同区域地下水环境变化趋势,探讨了土地利用变化、污染源排放、地下水开采等城市发展要素对地下水的影响。结果表明：1998年以来兰州市地下水环境变化的主要特征是水质恶化、水位上升。溶解性总固体、总硬度、硝酸根、氟等典型水化学指标在大部分地区呈稳定上升趋势,局部地下水中硝酸根比重增加,出现了硝酸型地下水。污染负荷增加是水质恶化的重要驱动因素,且恶化指标与城市主体功能存在直接关系,城关区是主要的居住、商业区,水质恶化的典型指标为硝酸盐;西固区是化工、冶炼等重工业集中区,地下水污染程度最重,反映工业污染的氟化物上升显著;七里河区、安宁区是商业、居住及轻工业的综合分布区,矿化度、总硬度、硝酸根等指标都有不同程度上升,但升幅不大。西固及三滩地区地下水位上升较为明显,其他城区相对稳定,城市不透水界面阻碍了降雨、灌溉等地表垂直入渗,使地下水位年内波动趋于平缓;水源地开采量减少、沿河工程建设以及地下管网渗漏等因素导致地下水补径排条件发生变化,不仅引起城区地下水位上升,还能够增强污染物淋滤和地下水蒸发浓缩,对水化学环境造成一定影响。     

富营养湖泊冰封期物理因子对初级生产力的驱动作用：以辽宁含章湖为例

与非冰封期水体相比,冰封期湖泊初级生产力的研究较为薄弱,一方面在于完整冰封期的调查观测数据仍然较少,而完整的冰下初级生产力变化过程对于理解冰下生态系统对环境因子的响应至关重要,另一方面物理过程与冰下生态的联系仍然有待明确。本研究于2021 2022年冬季期间在大辽河口沿岸的含章湖开展野外调查,通过垂向归纳模型（vertically generalized production model,VGPM）计算了冰下初级生产力,分析了冰封期中初级生产力完整的变化过程,并探讨了冰封期初级生产力的关键物理驱动因素。结果表明：冰封期初级生产力呈现波动爬升的趋势,平均值为0.20 g C/（m2·d）;整个冰封期可以划分为3个时期,即结冰期、缓慢融冰期和快速融冰期,不同时期初级生产力的关键驱动因子不同,在结冰期水温是控制初级生产力的关键因素,在缓慢融冰期冰水界面光合有效辐射强度（photosynthetically active radiation,PAR）是控制初级生产力的关键因素,在快速融冰期水温和冰水界面PAR同时控制初级生产力。在结冰期冰下水体富营养化程度逐渐增加,在融冰期初级生产力随着升温和...     

基于"层级阶梯评价方法"的地下水质量与污染评价:以铜川市为例

掌握区域地下水质量及污染状况,对于地下水污染防治、地下水资源保护与管理具有重要作用,尤其是对西部内陆干旱区地下水资源尤为重要。本研究针对陕西铜川市地下水进行了系统采样,通过分析常规指标、无机毒理指标、微量有机指标,利用“层级阶梯评价方法”进行了地下水质量与污染评价。水质评价表明,2011年铜川市浅层水水质相对较差,可作为饮用水源或经适当处理后可做饮用水源的样品占样品总数的60%,不宜作为生活饮用水源的样品占40%。浅层水质量受天然背景和人类活动的共同影响,主要影响指标为总硬度、 {\mathrm{NO}}_3^{-}、TDS、Mg²⁺、 {\mathrm{SO}}_4^{2-};深层水水质相对较好,所有采样点均可作为饮用水源。深层水主要受天然背景影响,主要影响指标为Fe。污染评价表明,浅层水污染等级为1级、2级、3级、4级的样品分别占样品总数的44%、16%、32%、8%,污染主要分布在金锁关以南至川口以北的漆水河河谷地带;而深层水污染等级全部为1级,尚未受到人类污染影响。相比其他评价方法,层级阶梯评价法在区分天然背景和污染对地下水水质影响方面具有明显优势,结合区域背景分析和现场调查认识,能够成为科学掌握地下水水质及污染状况的有效手段。     

神奇的球状冰(冰球、冰蛋)

大量球状冰集聚排列是自然界中较为罕见的现象,一般发生在浅滩、湖岸和河岸处.因球状冰形态特征的特殊性,常被称之为冰球、冰蛋.球状冰的形成与发展受气象、水动力和水滨地形条件等多因素共同控制,且具有一定的时空限制,必须在短时间内多因素协同干预才可能引发冰球集聚.正是凭借"制造"条件的苛刻性导致了冰球集聚现象的罕见,也造成了全球各地冰球出现的位置、形态和数量之间存在差异.已有来自于德国、俄罗斯、芬兰和加拿大等多个国家关于冰球现象的报道,但发生频率极少,约20～ 30年一次.近年来在吉林省的查干湖和四海湖发现了冰蛋现象,但关于球状冰从形成到大量集聚之间的定量研究依然缺少实测数据分析支撑.毫无疑问,来自大自然的神奇现象为科学探索研究提供了更多的动力和乐趣.     

深部煤层气“有效支撑”理念及创新实践: 以鄂尔多斯盆地延川南煤层气田为例

四川盆地东南缘南川区块Y2井直井自喷日产气1.3×10⁴ m³,获四川盆地东南缘深部煤层气勘探战略突破。为了系统揭示南川区块深部煤层气富集高产规律,通过区域地质、测试、化验及生产资料,从煤岩煤质、孔裂隙发育特征、含气性、可压性入手,开展深部煤层气成藏特征及勘探潜力评价。结果表明：研究区深部煤储层全区稳定分布,厚度在1.5~4.2 m,镜质体随机反射率R_ran在1.6%~2.2%,为高镜质组含量、低灰分煤层,为煤层气成藏提供了物质基础;煤储层为“微孔−微裂隙”型储层,微孔占比达78.4%,其比表面积贡献达95%,利于煤层气吸附与保存,微裂隙发育,利于压裂改造及气体渗流;煤层具有“高含气量、富含游离气”的特征,总含气量12~37 m³/t,深部煤层气游离气占比一般在24%~36%,吸附临界转换深度在1500 m左右;深部煤层水平应力差异系数小,煤体结构好,顶板为良好的应力隔档,天然裂缝与最大主应力夹角小,具有良好的可压性;丁山、林滩场等盆缘宽缓背斜及盆内高陡背斜是川东南深部煤层气勘探的有利区带。研究成果对川东南深部煤层气勘探具有重要的指导作用,也可为全国类似盆地深部煤层气勘探提供借鉴。

     

一种基于高效迭代解法的频率域全波形反演

巨大的计算量是制约全波形反演（FWI）生产实用化的难题之一.为此,本文提出了一种高效的波场迭代解法,将其应用于频率域常密度声波方程FWI,并给出了详细的反演流程.通过建立用于波场迭代的目标函数,推导相应梯度、步长公式,新方法将反演中波场正传和残差波场反传过程转化为无约束优化问题,从理论上分析了新方法的计算效率显著高于常规FWI.在数值试验中,本文方法通过几次迭代便能获得高精度的正传、残差反传波场,收敛速度明显高于未经预处理的GMRES方法.进一步引入高效编码策略,新方法的计算时间约为常规编码FWI的1/8,与理论分析结果吻合（波场迭代次数为8,模型未知量个数约为7万）,且波场迭代次数为6时,反演效果已与常规编码FWI相近.

     

冻融模型相似性分析及试验验证

为提高冻融模型与原型的相似程度,提出冻结指数相似比和实验室修正系数的概念及计算方法。以哈尔滨地区黄土为试验材料,将该地区2010–2012年3年日平均气温进行线性简化,基于含相变热传导的微分方程基础上,采用相似理论,在几何、温度和时间比尺约束下对密度为1.60 g/cm3、含水率为20 %的试样进行冻融循环模型试验,确定实验室修正系数K值为1.13,得到冻结指数相似比CI为1:102.5。对冻融阶段温控历时进行优化,进行冻融循环模型试验。通过对比可知,优化后模型的最大冻深值为21.33 cm,与模型预定值20 cm相差仅6.5 %;优化后冻融模型弥补了太阳辐射对冻深的影响,一个冻融周期由108.14 h减少为84.53 h。以实验室修正系数K和冻结指数相似比CI优化冻融过程的各温控阶段历时合理,显著提高了冻融模型的最大冻深和冻融过程在几何比尺和时间比尺上的相似度。     

冰–水侧向融化过程的实验室试验研究

为了探究冰层侧向融化过程,定量分析影响冰层侧向融化的主导因素,在低温实验室水槽内实施了浮冰融化实验。同步测量了冰底面和表面生消过程、浮冰侧向融化过程,同时记录了实验室气温、冰样内部不同深度处的冰温及开阔水域不同深度处的水温,利用相关分析方法研究了不同要素之间的关系及其对浮冰侧向融化速率的影响规律。结果表明,融冰前期冰样内部不同深度处的侧向融化缓慢且均匀,平均融化速率为0.05 mm/h;融冰中后期不同深度处的侧向融化速率显著增加且不再均匀,平均融化速率为0.15 mm/h。平均侧向融化速率与气温的相关系数较好（r=0.82）,优于其与平均水温（r=0.74）和水–冰温度差（r=0.48）的相关系数。建立侧向融化速率随温度（气温、水温）和深度变化的定量关系,可以准确描述浮冰侧向融化过程的非均匀性。同时验证了进行非均匀性侧向融化试验技术的可行性,为更加接近北极真实情况考虑风速和光源条件的海冰试验奠定了基础。     

寒区浅水湖冰生消特征及其影响因素

基于2019-2020期间在盘锦市含章湖利用浮式观测平台开展湖冰原型观测试验,分析不同因素对湖冰变化造成的影响.结果 表明:99 d冰期内湖冰的生消过程可概述为:湖泊封冻(3 a)-稳定生长(62 d)-冰厚稳定(7 d)-加速消融(24 d)—破碎分解(3 d).生长期冰厚的平均增长速率为0.4 cm/d,最大冰厚为...