城市水系统理论及其模型研制与应用

城市水系统理论是流域水系统科学在城市尺度的拓展,为解决城市化引起的人水关系失衡和突出水问题(内涝、黑臭和水污染、生态退化等)提供了新的系统化解决方案.现有城市水系统相关研究大多关注水循环单一过程,对水循环及其伴生的物质循环、水生态以及人文等过程互馈机制仍需进一步探索.本文以流域水系统科学和水循环理论为基础,发展了城市水系统的概念、理论和技术体系;以城市多种下垫面条件下时变增益降雨-径流模型为核心,耦合自然-社会水循环及其伴生的水环境、水生态等过程和多尺度海绵措施的影响,研发了城市水系统5.0模型,实现了源头降雨-径流-面源污染负荷、排水管网系统水量水质转输、末端调蓄和净化、社会经济水循环、水系统评估和调控等五大关键模拟功能,成果已在武汉市开展示范应用.结果表明:城市水系统应以城市及其联系的河湖为研究对象,探索城市自然-人工侧支水循环和外江调蓄等耦合,以及社会经济发展、海绵措施对水量-水质-水生态等过程的调控机制.研发的城市水系统5.0模型很好地模拟了城区降雨-径流过程、水体总氮和总磷浓度、社会经济发展特征指标等.与实测数据对比,所有降雨-径流场次的相关系数和纳什效率系数分别处于优秀和良好等级;78.1%的实测点位中总氮和总磷浓度模拟偏差均在良好等级,且相关系数均在0.90以上;在18个社会经济发展特征指标中, 100%、83.3%和69.4%的指标偏差、相关系数和纳什效率系数均在优秀等级.在此基础上,优选源头海绵措施、人工强化措施和源头削减-路径拦截-末端治理等分别明显改善了内涝、水体黑臭和湖泊富营养化.其中10年一遇降雨条件下最大内涝淹没面积削减达32.6%,黑臭水体去除率为65%,水体综合营养指数降低了37%,武汉市2020年绿色发展水平也由现状条件下的0.56提升到了0.67,在城市绿色发展评估体系的五个维度(资源利用、环境质量、生态保护、经济增长和绿色生活)中,生态保护维度改善最明显.本研究将进一步推动城市水文学、环境科学和生态学等多学科领域的交叉和发展,也为我国城市复杂水问题的解决和绿色发展等提供重要的理论和技术基础.

术前多次使用地塞米松可以提高全膝置换术后效果:一项前瞻性、随机、对照研究

作者分析了182例全膝置换术患者资料,随机分成3组：A组接受3次生理盐水注射;B组接受1次高剂量地塞米松（20 mg）、2次生理盐水注射;C组接受1次高剂量地塞米松（20 mg）、2次低剂量地塞米松（10 mg）注射。结果发现,术后1、2、3 d疼痛VAS评分C组最低,镇痛药需要量最小;

基于GPS测站垂向速度的南极地区冰川均衡调整(GIA)模型分析

由于数据稀缺,南极冰川均衡调整(glacial isostatic adjustment, GIA)建模相比北美和北欧古冰盖区域更为困难,现有GIA模型在南极地区还存在较大的不确定性.空间大地测量技术不断发展和进步,为GIA建模提供了外部检核和新的约束.利用GAMIT/GLOBK10.5软件对南极及周边区域73个测站1996~2014年的GPS数据进行解算和平差,并考虑有色噪声估计其地壳垂向运动速度.为了研究不同因素对地壳垂向运动的影响,将GPS测站垂向速度与Argus等(2014)、Thomas等(2011)的GPS结果以及各GIA模型预测结果划分区域进行比较,主要包括南极半岛北部、龙尼-菲尔希纳冰架、阿蒙森海沿岸、罗斯冰架、埃里伯斯火山、西南极内陆、东南极沿海等七个区域,结果表明在南极半岛北部和阿蒙森海沿岸派恩艾兰湾地区存在现今冰雪负荷变化引起的显著地壳弹性抬升,在埃尔伯斯火山区域存在的显著下沉可能与其地下岩浆活动有关,东南极沿海测站垂向运动速度都不显著,其他区域的测站垂向运动主要受到GIA的影响.对文章GPS结果与各GIA模型的相关性和GIA模型的不确定性进行分析,结果表明ICE-6G(VM5a)模型与文章GPS结果的一致性最好,其次是Geruo13模型,而W12a和IJ05_R2系列模型与本文GPS结果一致性相对较差.虽然目前南极GIA模型相比以前版本的模型有了很大改进,但是南极地区GIA建模的状况仍然不容乐观:GIA模型相比北美地区不确定性偏大,在BENN等部分测站上存在较大不符值,在现今冰雪负荷变化显著地区由于弹性改正模型不确定性偏大而缺乏精确GPS约束.

中国碳酸盐岩地区岩溶无机碳汇格局及影响因素

碳酸盐岩化学风化碳汇降低了大气CO_(2)浓度上升和全球变暖的速率,然而,其碳汇通量(CCSF)的估算结果仍存在不确定性,并且气候变化和生态修复对CCSF的贡献率尚不清晰.为此,本文汇编了中国不同流域离子浓度站点数据,并采用经典热力学溶蚀模型,重新评估了中国1991~2020年CCSF的潜力和时空格局,并定量分析了温度(MAT)、降水(MAP)、蒸散发(ET)、土壤水(SM)和归一化植被指数(NDVI)等因子对CCSF的贡献率.结果发现:(1)中国CCSF为22.76t CO_(2)km^(-2)a^(-1),高于全球平均水平(15.77t CO_(2)km^(-2)a^(-1));总量(CCS)为4772.67×10^(4)t CO_(2),以252.98×104km-2的碳酸盐岩面积贡献了全球14.91%的CCS.(2)中国CCSF由东南向西北逐渐减少,其中南方岩溶区、青藏岩溶区和北方岩溶区CCSF分别为33.14、12.93和7.27t CO_(2)km^(-2)a^(-1).(3)1991~2020年中国CCSF整体呈现增加趋势,增长速率为0.16t CO_(2)km^(-2)a^(-1).(4)MAP、MAT、ET、SM和NDVI对CCSF的贡献率分别为63.3%、3.02%、27.5%、3.1%和3.05%,其中降水增加是近30年CCSF上升的主要驱动因子,而蒸发作用的增强抵消了部分降水增加对CCSF的正贡献.总之,本文对中国长时间序列的碳酸盐岩化学风化碳汇量级、格局及影响因素进行系统的量化,这项工作对于国家和全球的碳中和能力诊断和差距分析具有很强的借鉴价值和参考意义.

西藏新生代植物近十年来的重要发现、认识及其意义

植物化石在青藏高原形成过程、植物系统演化和高原生物多样性格局演变的研究中,发挥着不可替代的作用.近十年来,青藏高原新生代植物学研究取得重要进展,主要包括:(1)大量新类群被发现.在西藏新生代植物记录中,一共发表了63个新种,其中45个是2010年以后发表的,占全部新种的70%以上.这些新种不少是其所在科、属在亚洲乃至全球最早的化石记录,因此青藏高原是亚洲植物区系的重要源头.(2)古近纪青藏高原是全球植物区系交流的十字路口,是植物区系交汇的一个港湾.目前的古植物地理学研究表明,该地区植物区系成分的传播和交流,有进入青藏、走出青藏、走出印度和进出非洲4种模式.(3)植物化石见证了青藏高原差异隆升的历史.古高程重建发现古近纪青藏高原中部存在东西向的亚热带中央谷地.对西藏芒康不同层位植物组合的古高程研究表明,这一地区在始新世-渐新世之交快速抬升了将近1000m,达到现今高程;结合其他古高程重建工作,推断青藏高原东南缘(即横断山地区)在早渐新世就已经达到现代的高程,而此时青藏高原中部仍存在着一个东西向的中央谷地.(4)植被与地球环境协同演化.青藏高原地区经历了热带、亚热带、温带、高寒区等不同气候类型的演替,植被和植物多样性也随之改变,体现了植被对青藏高原地形地貌演变的响应.(5)先进方法和新思路逐渐应用于古植物学研究和古环境分析.荧光显微技术、古气候模型等在古植物学研究中得到应用,多学科交叉融合正在成为青藏高原新生代植物学研究的新趋势.尽管青藏高原新生代植物学研究取得了长足进步,但是该地区的化石记录仍旧缺乏,今后需要继续开展古植物学的研究,利用多学科手段深入解析青藏高原植物多样性演变历史与古环境变化过程.

华北克拉通早白垩世地壳变形规律与动力学

华北克拉通破坏峰期出现在早白垩世.综合分析这期间的地壳变形规律是揭示其破坏过程与动力学的重要途径.华北克拉通破坏峰期发生了强烈的伸展活动,代表性的地壳变形产物为变质核杂岩、伸展穹窿与裂谷盆地.变质核杂岩集中在克拉通的南、北边缘,是强烈伸展与岩浆活动共同作用下的产物,在诸多方面有别于经典的造山带核杂岩.在相对较弱的伸展与隆升状况下,变质核杂岩被伸展穹窿所取代.这期间的裂谷盆地呈面状分布于克拉通东部,皆为中、小型盆地,有别于西部稳定背景下的大型拗陷型盆地.在渤海湾以北,东部的裂谷盆地具有主动裂谷特征,而以南则呈现为被动裂谷性质.破坏峰期所发育的各类伸展构造一致指示NW-SE向拉张的应力状态,在空间上十分稳定,反映了板缘驱动的应力场特征.破坏峰期的伸展构造分布指示了宽达1800 km的弧后伸展区,与平板块俯冲之后的板片后撤背景相吻合.而峰期伸展与火山活动起始时间的空间变化规律也支持平板块俯冲后的板片后撤驱动模式.地壳变形演化表明,华北克拉通峰期破坏发生在早白垩世初燕山运动B幕挤压事件(平板俯冲结果)之后,又因晚白垩世初C幕挤压事件的出现而结束.

中元古代增氧事件

富含氧气是地球有别于太阳系其他行星的本质特征之一,也被认为是各种复杂生命诞生并不断演化的关键.长久以来,科学界一直认为,地球表层氧化是幕式的,其中两个关键时期是古元古代早期(2.45~2.10Ga)和新元古代晚期(0.80~0.54Ga)的两次大氧化事件,之间则是长达13亿年的低氧环境.但近年来,国内外多个团队基于中国华北燕辽中元古界的独立研究证实,至少在1.59~1.56、1.44~1.43和1.40~1.36Ga三个时期的大气氧含量为现今水平(PAL)的4%以上,高于国际普遍认知的<0.1~1%PAL.高的大气-海洋氧化程度在澳大利亚、西伯利亚的同期地层中也得到验证,指示两次幕式氧化事件之间的中元古代早期(1.59~1.36Ga)增氧事件可能是全球性的.中元古代增氧事件与Columbia(Nuna)超大陆裂解、富有机质页岩和铁-锰矿床沉积、真核藻类早期演化相耦合,指示地球表层系统演变和资源形成受地质和生物作用的共同驱动.

西双版纳热带雨林地区冬季辐射雾理化特征的观测研究

本文分析了2019年冬季西双版纳热带雨林地区的辐射雾探测试验资料,夜间长波辐射冷却结合森林内高湿、微风的环境和较低的气溶胶浓度促进雾的生成和维持,正午前因湍流增强导致雾层抬升或消散.雾的微物理特征为:雾滴数浓度低,雾滴粒径大,液态含水量较高,滴谱相对谱宽较窄,过饱和度高;其化学特征为:雾水呈弱碱性,电导率低,雾水中占比最高的阴、阳离子分别为Cl^(-)和Ca^(2+),且化学组分在小滴富集.依据κ-Kohler理论间接计算雾中过饱和度,结果发现在较低过饱和度时雾滴谱存在凝结拓宽现象;过饱和度制约雾中关键微物理过程,与雾滴数浓度呈正相关,与雾滴体积平均直径呈负相关.

前言:离子液体前沿专刊

资源和能源革命不断孕育催生颠覆式创新技术.离子液体作为新一代绿色介质和功能材料,在替代传统技术方面凸显卓越潜能.经过二十余年的快速发展,离子液体已成为当前国际科学与技术研究前沿,并在工业化应用方面不断取得突破.离子液体研究蓬勃发展的态势,展现了当今学科高度交叉融合的趋势以及离子液体领域广阔的发展前景.然而,在离子液体工业化研究不断发展的过程中,对离子液体及其复杂体系科学本质及规律性认识的不足已逐渐成为阻碍其工业化应用的主要问题.

河西走廊史前文化年代的完善及其对重新评估人与环境关系的启示

史前文化高分辨率年代的重建是理解人类演化及其与环境变化关系的前提,对探索史前跨大陆文化交流的轨迹具有重要意义.河西走廊是史前世界最早的远距离文化交流中心之一.由于缺乏14C年代的控制,该地区史前文化的年代及序列仍不清楚.本文提供了一个更加精确的14C年代序列以解决河西走廊地区人类定居和文化演化的时间问题.一年生的炭化农作物遗存14C测年具有避免"老木效应"的优点,因此被用来检测河西走廊已有的炭屑和骨骼14C年代的可靠性.在此基础上所得的14C数据集用贝叶斯方法进行建模,模型年代显示其与河西走廊已有的考古文化年代基本一致.然而,青铜时代晚期-铁器时代早期的沙井文化和骟马文化的年代比已有的年代晚约300年.通过对比模型年代与古气候和历史文献资料,我们认为沙井和骟马文化的衰落是受地缘格局的影响而不是气候变化导致的.

中国北方近500年沙尘暴活动及机制

由于缺乏可靠的、长时间、高分辨率沙尘暴地质记录,中国北方沙尘暴的历史及机制迄今尚未完全澄清.本研究基于内蒙古岱海准确定年的沉积物粗粒度组分(>63μm)重建了中国北方过去~500年沙尘暴活动历史.高分辨率数据显示岱海地区沙尘暴频发期主要集中在AD1520~1580、AD1610~1720、AD1870~2000三个阶段.该区的沙尘暴活动与其他典型的历史资料及地质档案所记录的中国北方沙尘暴事件基本同步,且尘暴事件频发期大致对应于寒冷时段.我们认为受温度变化调控的西伯利亚冷高压强度变化以及西风强度变化可能是沙尘暴活动的主控因素.一个重要的特征是,尽管沙尘暴活动在近代全球变暖时期呈系统性增强,但在该时段内却呈现出明显的减弱趋势.近现代沙尘暴活动的增强可能与因人类活动增强而导致的粉尘供应量增加有关,而该时段内沙尘暴减弱趋势可能与近现代全球变暖导致的平均风速降低有关.

原位宇宙成因核素深度剖面法解析非稳态地貌演化

原位宇宙成因核素在表层地球系统科学中的应用得到越来越多的关注,在10^(3)~10^(6)年尺度地表剥蚀速率模型研究中,稳定剥蚀是一个非常重要的假设.然而,如何验证稳定剥蚀的合理性或如何在非稳定剥蚀地区得到可靠的剥蚀速率成为了研究难点.宇宙成因核素深度剖面法已经被广泛应用于稳定剥蚀地区沉积物和风化壳剖面,计算剥蚀速率、暴露年龄和继承浓度.本文通过分析天津蓟县和云南腾冲两个典型地区花岗岩风化壳深度剖面样品中原位宇宙成因核素^(10)Be和^(26)Al浓度,使用稳态和非稳态(持续暴露、剥蚀速率变化和短期剥蚀事件)深度剖面模型解析非稳态地貌演化过程.结果表明,两地较差的稳态模型模拟结果拟合度反映花岗岩风化壳地表均处于非稳态.^(10)Be非稳态模型结果显示蓟县剖面在千年时间尺度上经历了剥蚀速率改变或地表剥蚀事件,造成剖面处于非稳定状态.剥蚀速率变化和短期剥蚀事件模型相似的速率(14.6_(−12.9)^(+9.4)和14.7_(−14.7)^(+9.0)mm kyr^(−1))可能真实地反映了地表的长期剥蚀,而高估的剥蚀速率(39.0_(−2.3)^(+2.6)和39.0_(−2.4)^(+2.5)mm kyr^(−1))可能是由于稳定剥蚀前提假设和忽略继承性浓度所致.腾冲剖面非稳态模型结果表明,在~157ka(^(10)Be)或~127ka(^(26)Al)前风化壳剖面经历了强烈的地表剥蚀,该剥蚀事件年龄与TerminationⅡ深海氧同位素阶段MIS 6冰期结束年龄(130ka)及青藏高原地区气候波动事件年龄基本一致,可能指示了青藏高原地区由冰期向间冰期转变过程中对地表地貌的强烈改造作用.与青藏高原流域剥蚀速率研究结果对比,显示稳态假设条件下的剥蚀速率与区域构造活动强度成正相关关系,表明构造活动强烈的非稳态区域的宇宙成因核素剥蚀速率很可能由于稳态假设而被高估.因此,本文建议在构造活动强烈或气候变化明显地区,结合使用深度剖面稳态和非稳态模型反演可以获得更为精确和有效的剥蚀速率和暴露年龄.

重组血管紧张素转换酶2免疫球蛋白可有效中和2019新型冠状病毒

研究表明,2019新型冠状病毒(严重急性呼吸综合征冠状病毒2,severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)可能与严重急性呼吸综合征冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus,SARS-CoV)有相同的受体———血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)。在该研究中,研究者通过将人ACE2的胞外区连接到人免疫球蛋白G(immunoglobulin G,IgG)的Fc区而构建了一种新的重组蛋白。

新方法研究头皮清洁后皮脂分泌和扩散的动力学过程

头皮上约有10万个毛囊不断将预先形成的皮脂转运至头皮表面,使日均分泌的皮脂总量维持在"克"的水平。先前的研究发现,与邻近的前额部皮肤相比,头皮的皮脂分泌率要低得多。尽管这两处皮脂的日常水平(SCL,皮脂分泌平衡状态,单位μg/cm^2)相似,但其动力学有着很大差异:前额在清洁后3 h达到SCL,而头皮则需要2~3 d。