FGOALS高分辨率气候模式系统模式研制与应用综述

当今气候系统模式发展的重要趋势之一,是通过提高模式的空间分辨率,改进对气候系统中多尺度相互作用过程和极端事件的模拟能力。过去5年里,中国科学院大气物理研究所发展并完善了25 km分辨率大气环流分量模式FAMIL2.2、1/10°分辨率海洋环流分量模式LICOM3.0,并以此为基础建立了高分辨率气候系统模式FGOALS-f3-H。利用上述高分辨率模式,开展了大量的数值模拟试验和预报/预测研究,其中包括国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的高分辨率模式比较子计划(HighResMIP),建立了海洋环流预测系统(LFS)等。初步评估分析表明,相对于低分辨率模式,高分辨率模式对气候平均态和气候变率的模拟能力均有明显改进。其中高分辨率大气环流模式可以更好地模拟台风、极端降水事件,高分辨率海洋模式可以更好地模拟海洋中尺度涡旋和西边界流,而高分辨率耦合模式则可以更好重现中尺度海气相互作用过程、热带不稳定波动(TIW)等事件。

利用长短期记忆网络LSTM对赤道太平洋海表面温度短期预报

海表面温度作为海洋中一个最重要的变量,对全球气候、海洋生态等有很大的影响,因此十分有必要对海表面温度(SST)进行预报。深度学习具备高效的数据处理能力,但目前利用深度学习对整个赤道太平洋的SST短期预报及预报技巧的研究仍较少。本文基于最优插值海表面温度(OISST)的日平均SST数据,利用长短期记忆(LSTM)网络构建了未来10天赤道太平洋(10°S~10°N,120°E~80°W)SST的逐日预报模型。LSTM预报模型利用1982~2010年的观测数据进行训练,2011~2020年的观测数据作为初值进行预报和检验评估。结果表明:赤道太平洋东部地区预报均方根误差(RMSE)大于中、西部,东部预报第1天RMSE为0.6℃左右,而中、西部均小于0.3℃。在不同的年际变化位相,预报RMSE在拉尼娜出现时期最大,正常年份次之,厄尔尼诺时期最小,RMSE在拉尼娜时期比在厄尔尼诺时期可达20%。预报偏差整体表现为东正、西负。相关预报技巧上,中部最好,可预报天数基本为10天以上,赤道冷舌附近可预报天数为4~7天,赤道西边部分地区可预报天数为3天。预报模型在赤道太平洋东部地区各月份预报技巧普遍低于西部地区,相比较而言各区域10、11月份预报技巧最低。总的来说,基于LSTM构建的SST预报模型能很好地捕捉到SST在时序上的演变特征,在不同案例中预报表现良好。同时该预报模型依靠数据驱动,能迅速且较好地预报未来10天以内的日平均SST的短期变化。

中新世中低纬度海道变化对大西洋经圈翻转流和气候变化影响的模拟研究

自中中新世以来,特提斯海道和巴拿马海道的开合状态可能直接影响了大西洋经圈翻转流(AMOC)的强度和空间形态演变。但是,当前对这两处关键的中低纬度海道与AMOC之间联系的系统性研究较少。本研究基于中中新世时期的边界条件,利用耦合气候模式开展了中中新世气候模拟试验,以及特提斯海道和巴拿马海道先后关闭的敏感性试验。模拟结果显示,开放的特提斯海道和巴拿马海道分别为热带印度洋和太平洋海水进入北大西洋提供了“捷径”,同时分别向北大西洋输运高盐度海水和低盐度海水,对AMOC强度的变化起着相反的作用。特提斯海道开放增强了AMOC,这抵消了巴拿马海道开放导致的对AMOC的减弱。这两处中低纬度海道的关闭均能引起全球海表温度的南北不对称响应,分界线大致位于巴拿马海道所在纬度。本研究表明,只有特提斯海道和巴拿马海道关闭时,才会形成现代意义上的AMOC空间结构,因此这两处中低纬度海道的关闭时间对研究AMOC演变具有重要意义。

海洋环流模式的并行I/O优化研究

极端气象日益加剧,严重影响人类的生产生活。如何有效应对未来极端环境变化,更关乎国际竞争。因此,发展高精度高分辨率的地球系统模式推动气候变化研究至关重要。随着模式精度和分辨率的不断提高,I/O性能已成为制约模式计算效率和可扩展性的瓶颈。选取典型的海洋环流模式LICOM3作为研究对象,基于天河HPC系统,详细测试和分析了模式的I/O逻辑过程,发现在3K进程规模下I/O可占整体运行时间一半以上,是限制模式计算性能的关键因素。为此,设计并实现了主要输出过程的MPI-IO并行优化方案,显著提升了模式运行效率,基本解决了模式I/O瓶颈。测试结果表明,MPI-IO并行优化方案将输出时间占比从48.58%降到2.44%,将输出带宽提升到6.21 GB/s,约是原程序的14倍。此外,进一步分析了影响并行I/O性能的因素,以期为相关工作提供参考和指导。

基于水资源配置的空间均衡度评价方法

为量化水资源配置对空间均衡的提升作用,系统评价水资源配置方案空间均衡度,研究基于水资源配置系统“水源-供水设施-受水区-用水户”的整体结构,从水源均衡、设施均衡、单元均衡和用户均衡4个方面分别选择了均衡度评价指标,构建水资源配置空间均衡度综合评价指标体系,并提出基于熵权-TOPSIS法的水资源配置空间均衡度评价方法。以昌邑市水资源配置系统为例,设置12种水资源配置方案来探究不同调控措施对水资源配置空间均衡度的影响。结果表明:该方法不仅可以量化不同调控措施对水源均衡、设施均衡、单元均衡和用户均衡的影响效果,还能够评估配置系统整体的水资源配置空间均衡度,可为水资源配置与空间均衡相关研究提供借鉴。

光催化CO_(2)静电纺丝MOF膜的制备与性能研究

金属有机骨架(MOFs)因其在多相催化中的应用而受到广泛的关注,但是与反应混合物的分离效果差限制了其实际应用.MOFs薄膜在光催化分解污染物方面有着广泛的应用,但在光催化CO_(2)领域很少有报道,所以制备适合光催化CO_(2)高效还原的MOFs薄膜十分有必要.本研究通过静电纺丝将ZIF-67混纺在聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜(NFMs)内,再进行热稳定处理,得到SZIF-67/PAN NFMs,表征了其形貌特征、化学成分、光催化性能以及光电性能等.结果表明,SZIF-67/PAN NFMs由于可见光响应的改善、光热转化能力和耐溶剂能力的提高,对CO_(2)的还原表现出优异的可见光驱动光催化活性,CO生成速率达到12000μmol/(g·h),重复使用3次后光催化性能仍保持在85.4%.此外,还提出了CO_(2)全面光还原的可能机理:光敏剂通过可见光激发产生电子注入SZIF-67/PAN NFMs中Co活性点位,吸附在Co活性点位上的电子进一步转移到CO_(2)上并与质子形成CO.最后CO从NFMs上解吸,实现光催化CO_(2)到CO的转化.

考虑场景差异性的混合车型公交调度优化方法

纯电动公交因其低碳和节能环保的特性,已成为车辆电动化转型的必然选择,但纯电动公交车在实际运营中仍面临低温条件下性能下降和电池老化导致续航里程降低等挑战。考虑在运营中混合使用燃油车和电动车,以弥补纯电动公交车在特定场景下的性能下降,提升公交运营效率和服务质量。本文考虑公交动态运行特征建立公交时刻表分段优化模型,以优化后的车次为输入,构建混合车型运营条件下的公交行车计划编制优化模型,并设计改进的遗传算法实现模型求解。最后,以北京市公交线路为例,选取单线路运营、异地充电及区域集中调度等不同典型运营场景开展案例研究,验证优化模型在差异化运营场景条件下的适用性和优化效果。结果表明,对比本地充电场景,异地充电场景下的运营成本增加5.15%,运营车辆数量增加5.88%;在多线路联合编制行车计划的区域集中调度场景下,运营成本较单线路运营场景降低4.68%;在给定的车型比例阈值下,使用混合车型运营效果优于使用单一车型运营,有效降低运营成本和碳排放。本文研究为公共交通企业结合不同运营场景,制定科学灵活的电动公交运营调度方案提供了重要支撑。

基于就医活动推断的老年人公交就医可达性研究

为准确评估老年人公交就医出行的实际可达性,本文基于老年卡数据构建公交出行链,提出基于公交出行链的老年人就医活动推断方法,获取老年人的实际就医出行需求和出行时间。引入公交实时到站数据以反映公交实际运营水平对就医可达性的影响,构建面向出行全过程的实际出行成本矩阵,包括等候时间、乘车时间、换乘时间。考虑不同医院服务供给能力差异构建综合服务能力指标,引入分级服务半径和高斯距离衰减函数,提出基于改进两步移动搜索法的老年人公交就医可达性计算方法。以北京市六环内区域为例进行实证分析,结果表明:老年人公交就医可达性整体呈现由中心向外围递减的趋势,在城市外围区域其分布也存在空间异质性,五环路外的东部和西部区域可达性较好,而北部、东北部区域的可达性相对较差;各区域高峰时段的平均可达性均明显低于平峰时段的平均可达性。本文可为提升老年人就医出行可达性和公交系统适老化水平提供支撑。

明代四合如意云纹缎绵裙形制及其制作工艺

明代江南地区纺织业发达,工艺精湛,留下众多宝贵的服饰遗存。通过对出土实物的复原,再现服饰原貌,展现明代服饰特色,对推动服饰的保护传承具有一定的积极作用。文章选取无锡七房桥钱樟夫妇墓出土四合如意云纹缎绵裙为研究对象,通过对出土实物资料的搜集整理、数据测量、面料分析、形制阐释及纹样解析对四合如意云纹缎绵裙进行一比一复原。通过相同工艺、结构和质料装饰完成裙装复原,以期再现明代典型马面裙的服饰原貌。

水资源管理“四预”总体框架设计与应用思路

围绕水资源管理“预报、预警、预演、预案”业务需求,以“动态评判、精准模拟、场景推演、智慧决策”为路径,提出“四预”的功能需求和内部逻辑关系,提出水资源管理“四预”系统整体构架设计。以水资源动态评价和动态调配功能为主线,分析从动态评价预报、动态分级调配、方案智慧生成的“四预”核心工具支撑研发需求,融合物联网、大数据、数字孪生、人工智能等新一代信息技术,建立融合区域水量分配、年度计划制定、月度方案生成、实时调度支撑、产品自动生成的业务功能体系,构建水资源数字化治理新模式,为水资源管理“四预”的技术研发、业务应用提供借鉴和参考。

面向“四预”的水资源智能业务应用体系研究

数字孪生流域是当下智慧水利的主要研究方向。以数字孪生流域为底板,强化预报、预警、预演、预案功能进行数字化模拟是水利高质量发展的重点领域。文章总结了水资源管理面临的形势和问题,梳理了数字孪生流域建设背景下的水资源“预报-预警-预演-预案”需求,以水资源动态评价模型和水资源动态配置两大模型作为核心引擎,初步构建了面向业务需求的水资源“四预”架构体系,并对其功能进行了设计,可为数字孪生流域建设提供参考和借鉴。

人工缺陷下感应淬火重载铁路车轴损伤容限评价

目的研究不同感应淬火工艺对重载铁路车轴钢试样梯度结构的影响,阐明不同人工缺陷下感应淬火试样的疲劳断裂行为,并评价损伤容限,为重载铁路车轴感应淬火工艺设计和损伤容限评价提供理论基础和评价方法。方法在AAR-CM车轴钢试样表面采用不同感应淬火工艺参数制备不同深度淬硬层,采用X射线测量淬硬层残余应力分布,通过电火花和空气炮在正火态和感应淬火试样表面制备不同尺寸的电火花或冲击损伤,采用疲劳试验机研究损伤试样的弯曲疲劳性能,借助光学显微镜和扫描电镜分析试样的损伤机理和疲劳断裂行为,并对其疲劳性能进行评价。结果在3种工艺下感应淬火试样有效淬硬层深度分别为800、1200、1400μm。在电火花缺口尺寸较小时,感应淬火试样的疲劳强度比正火态试样高出50%。在冲击损伤尺寸较小时,感应淬火试样的疲劳强度比正火态试样高出40%。较小的尺寸冲击损伤对正火态和感应淬火处理试样的疲劳强度无影响。结论感应淬火可提高重载铁路车轴钢试样表面强度,进而提高其耐冲击性能,残余压应力减弱了电火花缺口试样和低速冲击损伤对试样疲劳强度的影响,高速冲击破坏了试样表面完整性,并削弱了残余压应力的作用,试样的疲劳强度急剧降低。文中设计的淬硬层深度对感应淬火试样损伤容限的影响较小。

基于多特征融合的人像HDR图像处理算法

基于深度学习的高动态范围(High Dynamic Range,HDR)图像处理算法在处理含有人像的图片时存在皮肤偏色问题。针对此问题,本文提出了一种基于多特征融合的人像HDR图像处理算法U2HDRnet。该算法由皮肤特征提取模块、三边特征提取模块、色彩重建模块3部分构成。首先,皮肤特征提取模块分离出皮肤区域的颜色和位置信息;其次,三边特征提取模块分别提取图片的局部特征、全局特征和语义特征,并与皮肤特征融合;最后,色彩重建模块对网格做空间和颜色深度上的插值。此外,本文引入改进的自注意力与卷积融合模块以提升HDR的处理效果;同时本文还制作了人像HDR数据集PortraitHDR,填补了该领域内数据集的空白。实验结果显示,U2HDRnet的PSNR达31.42 dB,SSIM达0.985,均优于目前常见的HDR算法,在获得高质量人像HDR图像的同时避免了皮肤的失真。

浅谈工业厂房的冷源系统节能设计

传统化石能源日渐枯竭,新能源从研发至大规模应用仍需漫长的时间,一定程度上制约了我国经济的高速发展。在2021年的全国两会上,“碳达峰、碳中和”被首次写入了政府工作报告,如何自源头至用户端对既有能源进行优化利用,尤其是作为能耗大户的工业厂房节能减排任务已经刻不容缓。通过结合多年来对于新建或改造工业厂房冷源系统的设计体会,提出部分节能措施供设计参考。

非对称小净距隧道近接施工对既有隧道稳定性的影响

为了研究非对称小净距隧道近接施工对既有隧道稳定性的影响,依托福州某非对称小净距隧道拓宽改造工程,运用离散元数值模拟软件,采用衬砌附加应力、围岩附加变形等指标,探究了非对称小净距隧道开挖与支护对既有隧道稳定性的影响。结果表明:新建隧道在未及时支护工况下,既有隧道在拱顶与中夹岩墙部位属于强影响区,变形量较大,易导致既有隧道二衬大面积开裂,地表边仰坡失稳;在及时支护工况下,中夹岩墙竖向监测点整体位移量为22 mm,水平位移量为10 mm,两者变形量处于合理范围;既有隧道边仰坡下沉量为30 mm,需对既有隧道边仰坡进行加固处理。新建隧道开挖导致处于稳定状态的衬砌应力发生变化,未及时支护条件下既有隧道边墙衬砌应力增加最大,会增加既有隧道失稳的风险,且中夹岩墙内多数锚杆会失效;及时支护工况下既有隧道拱顶部位增加量最大,开挖时需实时监测既有隧道拱顶部位变形量。

内质网应激预适应对LPS诱导的山羊子宫内膜上皮细胞炎性反应的保护作用

探究内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)在脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导的山羊子宫内膜上皮细胞(goat endometrial epithelial cells,gEECs)炎性反应中的作用,为阐明ERS在反刍动物子宫内膜炎中的作用机制提供前期基础。本研究使用ERS激活剂衣霉素(tunicamycin,TM)和抑制剂4-苯基丁酸(4-phenylbutyric acid,4-PBA)分别单独处理gEECs激活或抑制ERS,应用RT-qPCR和Western blot技术检测ERS对炎症相关基因表达的影响;接着,使用TM和4-PBA分别预处理gEECs,再利用大肠杆菌LPS处理诱导gEECs炎性反应,通过RT-qPCR和Western blot检测ERS对LPS诱导的gEECs炎性反应的影响及作用机制。结果显示,TM处理激活ERS显著抑制gEECs中炎性细胞因子IL-6和TNF-αmRNA的表达(P<0.05),显著抑制经典炎症通路相关基因TLR4、NF-κB P65和NLRP3 mRNA的表达(P<0.01);同时,显著抑制NF-κB P65蛋白的磷酸化以及NLRP3蛋白的表达(P<0.05)。4-PBA处理则显著促进gEECs中炎症相关基因(IL-6、TNF-α、TLR4、NF-κB P65和NLRP3)的表达(P<0.05)。进一步研究发现,TM预处理gEECs显著抑制LPS诱导的炎性细胞因子IL-6 mRNA的表达(P<0.05);显著抑制LPS诱导的TLR4、NF-κB P65和NLRP3 mRNA的表达以及NF-κB P65蛋白的磷酸化和NLRP3蛋白的表达(P<0.05)。4-PBA预处理gEECs则显著促进LPS诱导的gEECs炎性反应(P<0.05)。综上表明,ERS通过抑制NF-κB通路和NLRP3炎性小体通路的激活减轻LPS诱导的gEECs炎性反应,为进一步阐明山羊子宫内膜炎的发生发展提供了前期理论基础。

北非季风气候态及其年际变率的数值模拟:基于FGOALS-g3模式的诊断分析

本文基于参加第六次“国际耦合模式比较计划”(CMIP6)的IAP/LASG气候系统模式FGOALS-g3的耦合(Historical)与非耦合(AMIP)试验结果,通过与观测和再分析资料的比较,评估了FGOALS-g3模式Historical与AMIP试验对北非地区1979~2010年7~9月降水气候态和年际变率的模拟能力;利用水汽收支方程与回归分析研究了模式模拟降水偏差的原因;通过比较耦合与非耦合试验的模拟结果,分析了海气耦合过程对非洲季风模拟偏差的影响。结果表明,在气候平均态上,Historical与AMIP试验模拟的降水均较观测偏少且位置偏南,模拟的北非夏季西南季风环流偏弱。AMIP试验模拟的萨赫勒和北非季风区降水与观测降水的空间相关系数分别为0.80、0.62,而Historical试验仅有0.74和0.46,且AMIP试验对应的均方根误差为2.58、3.23 mm,Historical试验为3.30 mm、4.01 mm,说明与Historical试验相比,AMIP试验的模拟偏差更小。水汽收支分析表明,Historical与AMIP试验均低估了北非季风区水汽辐合,同时低估了垂直水汽平流项与蒸发项,高估了水平水汽平流项,导致模式模拟的降水偏少,且Historical试验的偏差大于AMIP试验。在年际变率方面,观测中,北非夏季风降水—ENSO呈负相关关系。AMIP试验能够模拟出ENSO正位相时北非夏季降水的负异常,且较观测的负异常偏强,而Historical试验模拟的负相关关系并不显著。AMIP试验高估了北非地区垂直运动、热带东风急流与低层季风环流对ENSO的响应强度,导致降水异常偏强,而Historical试验低估了上述响应强度,产生弱降水负异常。水汽收支表明,北非夏季降水—ENSO的负相关关系由垂直水汽平流项的动力项主导。AMIP试验高估了垂直平流项及其动力项的贡献,但Historical试验高估水平平流项与垂直热力项异常的贡献,说明Historical试验模拟的北非夏季降水—ENSO相关关系偏差与水平平流项异常的抑制作用有关。

LICOM海洋模式对南大洋环流的模拟评估

使用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)开发的第三代气候海洋模式(LASG/IAP Climate system Ocean Model version 3,LICOM3.0)低分辨率版本在海洋模式比较计划(Ocean Model Intercomparison Project,OMIP)试验中的模拟数据,描述了南极绕极流(Antarctic Circumpolar Current,ACC)和南大洋经向翻转环流(Meridional Overturning Circulation,MOC)在1958-2009年的平均状态及其变化,并与已有的模式模拟结果和观测结果对比以评估LICOM模式的模拟效果.通过对比已有模式模拟数据发现,LICOM3.0模式模拟的ACC和南大洋MOC在两组OMIP试验中平均状态相仿、结果在合理范围内,但OMIP1试验中海表强迫的变化趋势较OMIP2试验中的变化更大,得到的环流输送在OMIP1试验中增长趋势也更大.

图论在水资源系统建模与配置计算中的应用

为提高复杂水资源系统的供排水关系识别与模型构建计算能力,本文基于系统网络图探讨了图论在模拟水资源系统复杂水量传输过程、确定网络遍历顺序与系统配水计算中的应用。利用图论中的拓扑排序算法与深度优先搜索算法对水资源系统网络关系进行不同目标的分析识别。综合两种算法,进行一次供水、供水还原与二次供水的多次网络分水过程设计和迭代计算,结合最大最小公平算法等水量分配原则,设计基于网络系统的复杂水量分配计算过程,将用户需水、工程可供水量和供水网络关系结合进行供需自适应配置,解决多水源多用户对应关系下的水源供给不均衡问题。以三亚市地表水资源配置开展实例研究,结果表明通过图论算法在系统拓扑关系遍历和配水计算过程中的应用,系统枯水年城镇缺水率从3.42%降至1.63%,供需均衡度从0.38提高至0.71,提高了配置的计算效率与合理性。

数字孪生甬江流域水资源“四预”应用研究

基于当前数字孪生流域发展背景及宁波市水资源利用特点,为满足宁波市水资源在不同时空下合理分配的需求,以甬江流域水资源管理与调配“四预”流程为切入点,深度融合数字孪生、BIM建模等现代化信息技术,在建立来水预报分析、需水预测、水资源优化调配、水资源实时分析评价及水资源预警等各类模型的基础上,构建具有“预报分析—监测预警—调配预演—调度预案—动态评价”功能的水资源管理与调配业务应用系统,以达到及时准确预报、全面精准预警、同步仿真预演、精细数字预案、多维动态评价的目标,最终实现水资源的智能优化调配与管理。