中国极端天气气候研究——“地球系统与全球变化”重点专项项目简介及最新进展

全球变暖背景下,极端天气气候事件频发,并表现出群发性、持续性、复合性等特点,不可预测性增加;持续性强降水、极端低温、复合型极端高温干旱、群发性热浪和台风等极端天气气候事件对我国经济社会和可持续发展影响巨大。然而,上述极端天气气候事件的新特征、关键过程和机理尚不完全清楚,重大极端事件的预报预测水平亟待提升。文章首先简要介绍“地球系统与全球变化”重点专项项目“中国极端天气气候事件的形成机理及其预测和归因”的基本情况。项目拟在分析全球变化背景下对我国造成重大影响的极端天气气候事件新特征的基础上,深入研究多尺度海-陆-气耦合过程影响极端天气气候事件的机理,挖掘极端天气气候事件次季节-季节预测的前兆信号;发展动力与物理统计相结合的极端事件预测新方法,研制针对中国极端事件的新一代高分辨率数值预报与检测归因系统。文章重点总结了自2022年12月项目立项至今取得的最新研究成果和进展。

水解-氧化法制备甘蔗叶生物质腐植酸

本研究以甘蔗叶为原料,通过设计模拟矿源腐植酸形成过程中的化学反应,研究将甘蔗叶转化为腐植酸的技术,并将实验室制得的腐植酸与矿源腐植酸和木质素进行比较研究。制备过程:首先进行酸水解反应,将其中的纤维素和半纤维素水解为可溶解的水解糖,将木质素转化为不溶的腐植酸前体,固液分离;然后用氧化剂对腐植酸前体进行氧化反应,重新生成亲水性的羧基基团,完成腐植酸的制备。实验结果表明,水解反应步骤时,在固定20∶50(g∶mL)固液比的条件下,最佳的反应条件为:10%的硫酸和1%的硝酸组成的水解液,在150℃的温度下,水解3 h;氧化步骤中,腐植酸前体以1∶13(g∶mL)的固液比与3.5%的硝酸在80℃的温度下反应2 h。经元素分析、酸性基团分析、紫外和红外光谱以及核磁共振波谱等一系列分析手段,证实制备的蔗叶生物质腐植酸有较高的腐殖化和芳香化程度,其各项指标均接近于矿源腐植酸。该方法能成功制备腐植酸,同时利用产生的水解糖还具备与多种现有生物质产业相结合的潜在可能,以解决其水解残渣的问题。

基于机器学习的中国夏季降水延伸期预报及土壤湿度的可能贡献

延伸期预报准确率较低的问题仍然是目前重要的科学难题,做好延伸期预报对防灾减灾具有重要意义。本文利用机器学习方法开展了中国夏季降水延伸期(5~30天)预报试验,并探讨了土壤湿度对降水延伸期预报的可能贡献。结果表明机器学习方法的预报结果准确率要比传统线性模型方法有较大改善,且在诸多机器学习方法中,以Catboost, Lightgbm和Adaboost三个机器学习模型为最优。进一步分析发现长江流域表层土壤湿度异常导致的蒸发异常和感热异常,能够引起大气环流和垂直运动异常,最终对夏季降水产生影响。使用三个最优的机器学习方法的集合计算出模型中各个预报因子的贡献率,发现在长江流域的延伸期降水中,局地土壤湿度主要在5~10天占主导作用,而前期降水主要在10~15天占主导作用,长江流域20~30天的延伸期降水基本上受到大尺度环流控制。还评估了非局地土壤湿度在延伸期降水中的作用,发现中南半岛表层土壤湿度主要对15~30天的长江流域延伸期降水有重要贡献。将中南半岛表层土壤湿度加入到东北地区延伸期降水模型中,发现对该地区延伸期降水预报准确率并无提升作用,验证了机器学习模型的可用性。该研究为延伸期降水预测以及探究预报因子贡献率提供了一定的参考。

中国夏季边界层高度及其主要影响因子的分区研究

中国区域下垫面复杂且边界层热力和动力影响因子众多,目前缺乏对全国范围内边界层高度及其影响因子的综合分析。本文基于2012~2016年L波段高分辨率探空资料,采用K-prototypes算法结合12个可能影响因子将中国夏季边界层高度进行了聚类分析,以探讨中国夏季边界层高度的区域性特征和主要影响因子。结果表明,中国区域100个站点08、14、20时(北京时,下同)的边界层高度均可划分为东北、东南、西北和西南4个区域。在此基础上,分析了三个不同时次不同区域边界层高度的主要影响因子,并探究这些因子影响不同热力状态下边界层发展的可能机理。结果表明:稳定边界层早(08时)、晚(20时)的发展主要受风速湍流动力作用的影响,而中午14时的发展与间歇性湍流作用密切相关。中性和对流边界层的发展在早上也主要受风速的驱动,而在中午则主要受较高地表温度和较大地表净辐射通量所引起的湍流热力作用驱动。此外,东北地区的云量和比湿、东南地区的潜热通量、西北地区的感热通量和比湿、西南地区的感热通量和土壤湿度也会通过对热力湍流的直接或间接影响,从而影响该区域中性和对流边界层的发展。晚上,由于东西时差的影响,在东部地区,风速开始成为中性和对流边界层高度的主要影响因子,而西部地区边界层高度的主要影响因子仍为热力因子。值得注意的是,北部地区的叶面积指数可以通过植被蒸腾作用改变比湿,从而影响边界层的发展;东北地区地表气压的变化可以通过影响气流的上升和下沉运动从而影响边界层的发展。

欧亚大陆春季融雪异常10-30天季节内变化主要特征及其环流异常演变分析

欧亚大陆积雪是影响中高纬气候的重要因子,深入理解该区域积雪异常变化的特征及其成因,对于气候研究和预测有重要意义。目前的研究大多关注积雪年际、年代际变化及其气候效应,而有关积雪季节内变化的认识还有待加强。本文基于观测和再分析资料,通过统计诊断探讨了欧亚大陆不同区域春季融雪的季节内变化及其与之相关的大气环流特征和地表能量演变过程。结果表明,欧亚大陆春季融雪异常具有明显的季节内变化特征,其主导周期为10~30 d,且季节内变化的信号主要出现在斯堪的纳维亚半岛、东欧平原和西西伯利亚三个区域。进一步分析表明,斯堪的纳维亚半岛地区融雪季节内变化可能和斯堪的纳维亚半岛遥相关型负位相(SCA−)有关,东欧平原融雪季节内变化可能和欧亚遥相关型负位相(EU−)有关,西西伯利亚地区融雪季节内变化可能和斯堪的纳维亚半岛遥相关型正位相(SCA+)有关。不同区域导致融雪异常的原因存在明显差异,长波辐射增加可能是斯堪的纳维亚半岛区域开始发生融雪异常的主要原因;而在东欧平原和西西伯利亚区域,感热通量异常可能是开始发生融雪异常的主要原因。

气候风险、经济增长与城市内涵式发展——基于暴雨冲击的经验证据

如何应对气候风险加剧背景下的极端天气现象冲击是当前及未来我国经济面临的一个重要问题。为更全面理解极端天气现象的经济后果,本文借助最新的地理信息数据,研究暴雨冲击与城市经济增长之间的关系。实证结果表明,暴雨冲击会显著降低城市经济增长率,在经过一系列稳健性检验后,此结论依旧成立。机制分析表明,暴雨冲击不仅会造成显著的直接经济损害,还会降低微观经济主体的经济活跃度,从而引致城市经济增长率降低。进一步分析表明,通过完善城市公共服务和营造城市宜居环境推动城市内涵式发展,有助于减轻暴雨冲击对经济增长的负面影响和增强城市应对气候风险的能力。本文研究为我国城市内涵式发展转型提供了经验证据。

尿液细胞外囊泡中的podocalyxin在糖尿病肾病诊断中的价值

目的探究尿液细胞外囊泡中足细胞表面标志蛋白podocalyxin(PCX)水平在糖尿病肾病诊断中的应用价值。方法收集2017年3月~2017年9月在本院确诊收治的糖尿病患者共57例,其中34例单纯糖尿病患者,23例糖尿病肾病患者,并收集21例其他类型肾病患者,11例健康体检者作为对照。采用透射电镜(TEM)和纳米示踪技术(NTA)验证尿液中细胞外囊泡的分离效果,Western blot法检测分离出的各组细胞外囊泡的分子标记物(TSG101、PCX),ELISA法检测细胞外囊泡中PCX水平。结果TEM结果发现尿液中细胞外囊泡含量丰富、形态完整、大小不等,NTA结果发现绝大多数颗粒直径小于300 nm。Western blot法显示4组样本中均可以检测出TSG101表达,且糖尿病肾病患者样本中PCX均呈阳性表达,而在健康体检组、单纯糖尿病患者以及其他肾病患者样本中呈阴性表达。ELISA法显示糖尿病肾病组24 h尿液细胞外囊泡中PCX水平(3.27±2.30 ng/μmol)显著高于健康体检组(1.22±0.36 ng/μmol)、单纯糖尿病组(2.22±1.29 ng/μmol)以及其他肾病组(1.24±0.45 ng/μmol),有统计学意义(P<0.05)。结论糖尿病肾病患者尿液细胞外囊泡中PCX水平明显升高,可以作为临床检测糖尿病肾病的潜在标志物之一,具有重要的临床意义。

CLM4.5冠层截留方案的敏感性试验与改进

为探究陆气系统对于冠层截留过程敏的感性,研究基于NCARCAM-CLM陆气耦合模式探讨了截留参数对于全球陆地蒸发、降水、径流及气温的可能影响,揭示了冠层截留与植被光合作用之间的潜在联系。通过GLEAMv3.0a陆面蒸散发数据评估了CLM4.5冠层截留方案,并指出该方案高估了低茎叶面积指数植被的冠层蒸发,而低估了高茎叶面积指数植被的冠层蒸发。在CLM4.5中引入冠层截留偏差校正方案则可在一定程度上提高了全球林区冠层蒸发和陆面蒸散发的模拟能力。

陆面过程与天气研究

陆面作为大气运动的下边界,通过动量、热量及物质交换与大气发生复杂的相互作用。陆面过程被认为是影响天气气候的关键过程之一。关于陆面过程对气候的影响已经开展了大量较为深入的研究,相比之下,针对陆面过程对天气的影响研究并没有受到足够的重视。近年来,陆面过程与天气研究也开始受到了越来越多的关注。本文从陆面基本要素、下垫面构成、陆面诱发的局地环流3个方面,回顾了土壤湿度、地形、土地利用、山谷-平原环流等要素和过程对强对流、暴雨、台风、高温热浪等天气事件影响研究的相关进展,以期为今后的研究提供参考。需要指出,尽管此方面的研究已取得了一定进展,但关于陆面过程对天气,尤其是极端(高影响)天气的影响及机制还有待深入研究,进而从陆面过程的角度来理解重要天气形成、发生和发展的机理,从而为数值模式发展和天气预报业务提供更有力的科学支撑。

响应面法优化玉米苞叶中木聚糖的提取工艺

为了给玉米苞叶工业化生产木聚糖提供基础研究资料,本研究以玉米苞叶为原料,采用响应面法(RSM)对玉米苞叶木聚糖碱法提取工艺进行优化研究,选择碱浓度、提取温度和提取时间作为考察因素,以玉米苞叶木聚糖提取率作为评价指标,考察3个不同因素及其交互作用对玉米苞叶木聚糖提取率的影响。研究结果表明:玉米苞叶木聚糖的最佳提取工艺条件为氢氧化钠浓度9.2%(M/V)、提取温度93.0℃、提取时间13.0h;在此工艺参数条件下提取3批玉米苞叶,获得的木聚糖平均提取率为(15.8±1.2)%(n=3),与采用响应面法优化回归模型预测提取率(16.0%)基本一致。

中南半岛春季植被覆盖变化及其与ENSO的联系

利用归一化植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)、气候资料以及环流场数据,探讨了中南半岛地区植被覆盖变化特征及其与ENSO(El Nino-Southern Oscillation)的联系。研究表明,降水是影响春季植被生长的主要因子,与NDVI呈显著的正相关关系;而温度、辐射与NDVI呈负相关关系。进一步分析表明,当前期冬季赤道中东太平洋海温异常偏暖(发生厄尔尼诺事件)时,中南半岛附近海平面气压偏高、850 hPa风场辐散,上升运动偏弱,不利于云和降水形成,而有利于太阳辐射增加和温度升高,降水减小和温度升高均抑制春季中南半岛植被生长;反之,当前期冬季发生拉尼娜事件时,有利于中南半岛植被生长。

木聚糖的提取分离和应用研究进展

木聚糖是自然界中除纤维素外含量最丰富的一种聚糖,而木质纤维素中半纤维素、纤维素和木质素3大组分构成的复杂结构是获得木聚糖的主要障碍。本文结合最新研究成果着重阐述从木质纤维素中制备木聚糖的主要方法及分离纯化策略,介绍木聚糖在食品、医药、材料等领域的应用,并对木聚糖未来的研究发展方向进行展望。

中国北方暴雪的年代际变化及其与大气环流和北极海冰的联系

采用相关、回归等统计方法,对中国北方暴雪的年代际变化特征及其与大气环流和北极海冰的联系进行探讨。结果表明:中国北方冬季暴雪发生频次较高区域主要位于东北,在空间分布上呈现由西北向东南增加的态势,且存在明显的年代际变化特征:1965—1980年为东北暴雪少发期; 2002—2011年为东北暴雪多发期。分析表明:暴雪少发期,输送至东北的水汽较少;暴雪多发期,更多的水汽输送来自于西北太平洋,同时偏北气流引导的极地冷空气与偏南风引导的太平洋暖湿空气在东北地区汇合,提供暴雪频发的动力条件,造成东北暴雪出现年代际增多。此外,研究发现:前期秋季北极海冰的年代际减少与东北暴雪的年代际增加存在很好的相关性;秋季北极海冰异常偏少导致的大气环流异常主要表现为纬向西风减弱和NAO负位相,由此导致大气经向活动增强,利于极地冷空气向南入侵,且冷空气与暖湿空气在东北地区汇合,这是东北暴雪年代际增加的重要原因之一。

国家自然科学基金大气科学学科二级申请代码下设研究方向与关键词解读:D0502气候与气候系统

为了推动我国基础研究的高质量发展,国家自然科学基金委员会对学科布局和申请代码进行了优化调整。按照科学基金改革的总体部署,2019年以来大气科学学科开展了申请代码调整工作并设置了15个二级申请代码。本文从申请代码调整的背景、逻辑框架、内涵构成等方面对二级申请代码D0502“气候与气候系统”的7个研究方向及其对应的关键词进行解读。在此基础上,对近两年D0502申请代码下的面上项目、青年科学基金项目和地区科学基金项目的总体申请情况进行了分析,以帮助相关科研人员及时把握D0502申请代码的发展趋势,并充分理解研究方向与关键词的内涵和逻辑关系,从而为项目申请时更准确地选择相应的研究方向与关键词提供参考。

1979—2013年东亚中纬度春、夏温带气旋活动特征及其与东北地区同期降水的联系

基于ERA-Interim一日4次海平面气压再分析资料,利用气旋的客观识别和追踪方法分析了1979—2013年东亚中纬度地区春、夏温带气旋活动的变化特征,并探讨了气旋活动与同期东北地区降水的可能联系。结果表明,气旋活动在蒙古中部阿尔泰山脉以东地区至中国黑龙江省北部这一带状区域内活动最为频繁,气旋在移动过程中强度逐步增强,在大兴安岭以西地区达到最大值后减弱消亡。春季气旋活动范围比夏季大,并且强度更强,但两个季节气旋的生命史长短差异不大。近35 a在气旋活动的关键区(80~140°E,40~50°N)内春、夏季气旋数均呈现线性减少趋势。春、夏两季气旋活动均对东北地区同期的降水有影响,特别是在东北东部地区两者呈现正相关关系,但气旋活动强年两个季节造成东北东部地区降水增多的原因不同。在春季,东北东部地区低层存在气旋性环流,有利于该地区降水增多;在夏季,西风带水汽输送异常使得东北东部地区水汽偏多,降水增多。

硫酸化木聚糖的制备及其体外益生菌增殖作用研究

本研究旨在确定硫酸化木聚糖对益生菌生长的影响,根据氨基磺酸-N,N-二甲基甲酰胺法对木聚糖(xylan,Xyl)进行化学改性,产生硫酸化木聚糖(sulfated xylan,SXY)。采用傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜和刚果红实验对SXY进行结构表征,利用德氏乳杆菌保加利亚亚种GIM1.155、植物乳杆菌GIM1.191、短乳杆菌GIM1.773和嗜热链球菌GIM1.540共4种肠道益生菌对其体外增殖作用进行研究。结果表明:红外光谱显示SXY在1243、1052和894 cm^(-1)处分别出现由S=O伸缩振动、C—O拉伸和C—O—SO_(3)基团对称C—O—S伸缩振动引起的特征吸收峰。扫描电镜显示得到表面结构平滑度增加的SXY。刚果红实验显示SXY具有三螺旋结构。采用BaCl_(2)-明胶比浊法测得SXY取代度为0.341。体外实验结果显示SXY对益生菌体外增殖最佳浓度为2.0%,培养10 h后观察到快速生长和增殖增加。所获结果表明,SXY对益生菌的生长有促进作用,是维持肠道健康的益生元替代物。

广金钱草不同极性萃取物体外降脂及降血糖活性的比较

该研究旨在比较广金钱草乙醇提取物及其各萃取相的体外降脂及降血糖活性。以φ=75%乙醇为溶剂,回流提取得到广金钱草醇提物,经石油醚、乙酸乙酯、正丁醇、水依次萃取,利用比色法检测乙醇提取物及各萃取相中总黄酮、总酚含量,并根据胰脂肪酶和胆固醇酯酶的抑制率评价乙醇提取物及其各萃取相的体外降脂活性,对α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的抑制率评价体外降血糖活性。研究结果显示乙酸乙酯萃取相中总黄酮和总酚含量最高,分别为154.57 mg/g和34.27 mg/g。乙醇提取物对胆固醇酯酶和α-葡萄糖苷酶的抑制活性最高,抑制率分别为53.24%和68.52%;正丁醇萃取相对胰脂肪酶表现出最高的抑制活性,抑制率达到77.39%。石油醚萃取相对α-淀粉酶的抑制作用最强,抑制率达到78.60%。研究表明,广金钱草乙醇提取物及其各萃取相具有显著的降脂和降血糖活性,可为其深入研究药理活性提供参考依据。

膳食纤维对大鼠钙平衡及骨生物力学性能的影响

目的:研究不同结构的膳食纤维对钙平衡及生物力学性能的影响。方法:以大鼠作为动物模型分组饲养,分别饲喂含有50 g/kg麦麸、纤维素、木聚糖、果胶、菊粉、魔芋胶及其混合物的饲料。利用原子吸收光谱法检测饲料、粪便、尿样、股骨中钙含量;利用电解质分析仪测定血清中的总钙、游离钙、结合钙浓度;用三点弯曲法检测股骨的最大载荷。比较摄入不同膳食纤维大鼠钙吸收、血钙水平、尿钙流失、钙保留率、骨钙含量、骨的生物力学性能等参数的差异。结果:在钙吸收率方面,麦麸、纤维素组高于木聚糖、果胶、菊粉、魔芋组,其中木聚糖和魔芋组与麦麸组具有极显著差异(P<0.01);在尿钙日排出量方面,木聚糖和纤维素组低于其余各组;在钙保留率方面,果胶组最低,处于负钙平衡;在血清钙水平方面,麦麸组血清游离钙浓度和其余实验组没有显著性差异(P>0.05),但麦麸组结合钙和总钙浓度均高于其他各组;在骨钙含量和骨生物力学性能方面,果胶组明显低于其他各组,木聚糖组的骨最大载荷高于其他各组。结论:麦麸和纤维素等低发酵型膳食纤维的肠道钙吸收率高于木聚糖、果胶、菊粉、魔芋等高发酵型膳食纤维;木聚糖有助于提高大鼠骨生物力学性能;不同膳食纤维对大鼠钙吸收、骨钙含量、钙平衡的影响不同。

防灾减灾救灾新理念下防汛抗旱减灾工作探讨

习近平总书记“两个坚持、三个转变”的防灾减灾救灾新理念,为做好防汛抗旱减灾工作提供了根本遵循。通过阐述习近平总书记防灾减灾救灾新理念的重要性和在防汛抗旱减灾工作中的指导意义,结合辽宁省实际,探讨新时代如何贯彻落实习近平总书记防灾减灾救灾新理念,全面做好辽宁省防汛抗旱减灾工作,以期为防汛抗旱减灾工作提供参考。

近70年有限区域流函数速度势算法研究的回顾和新进展

流函数和速度势能很好反映流体的涡度和散度特征,一直广泛应用于全球和区域大气和海洋环流分析、污染物扩散和资料同化等研究领域。近年发现,有限区域流函数速度势常用算法计算中小尺度系统复杂流场和复杂下垫面驱动的边界层流场时,精度显著下降。本文全面回顾上世纪五十年代以来的五类常用算法,从数学原理和物理意义两方面简述优缺点,总结其适用范围;指出常用的调和—余弦法在可解性条件方面的科学问题,并设计订正方案,以提高其在求解复杂流场问题中的适用性和计算精度;通过理想函数和实际天气过程复杂流场的多组数值试验,直观定量显示并归纳总结适于不同分辨率资料的算法。本文旨在为流函数速度势及其相关变量在极端天气气候事件机理分析和数值预报等领域的有效应用,提供科学依据。