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。

星载GNSS-R检测太湖水华可行性分析

星载全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)属于被动遥感技术,具有数据重访周期高、全天时、全天候、信号源丰富等优势。基于此,研究星载GNSS-R检测太湖水华的可行性。星载GNSS-R可以有效检测反射面的粗糙程度,通过使用相干反射表征反射面的粗糙度,研究不同风速区间内相干反射与蓝藻水华的关系。利用2020年4—8月美国气旋全球导航卫星系统(CYGNSS)数据,计算CYGNSS镜面反射点的时延多普勒图(DDM)功率比。以“哨兵-3”卫星水色遥感仪器(OLCI)影像最大特征峰高度(MPH)算法反演出的太湖叶绿素浓度作为参照,与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的风速产品进行时空间线性匹配,分析发现,在1~2.5 m/s风速区间内,叶绿素浓度达到0.1 mg/L以上时,极易引起镜面反射点发生相干反射,且功率比与叶绿素浓度的相关系数为0.84,具有良好的相关性。实验结果证明了利用星载GNSS-R的功率比及相关特性实现太湖水华检测的可行性。

陆地生态系统碳监测卫星自主任务规划研究

低轨遥感卫星往往以全球或全国范围内的特定地物为探测目标。为提高卫星在轨运行的自主性,文章提出了一种面向地物目标属性的遥感卫星自主任务规划方法。首先外推出预报点90 min后的星下点经纬度,并根据星载地图和太阳高度角,得到预报点的阳照/阴影、陆地/海洋、境内/境外属性。对地物目标属性信息进行平滑处理后,根据各载荷的地物目标属性,识别出各载荷的工作任务时间段,可实时实现提前约1个轨道圈的载荷自主任务规划。

向海图强:奋力谱写中国式现代化广西篇章的重要使命与历史责任

党的十八大以来,习近平总书记分别于2017年、2021年和2023年三次视察广西。2023年12月,习近平总书记视察广西时强调,广西要“解放思想、创新求变,向海图强、开放发展”。广西背靠大西南、毗邻粤港澳、面向东南亚,具有沿江、沿海、沿边与东盟“一湾相挽十一国,良性互动东中西”的独特区位优势。向海之路为奋力谱写中国式现代化广西篇章指明方向,向海发展是广西破茧成蝶的根本出路,向海经济是广西高质量发展的重要引擎,向海图强已成为广西新时代新征程的新起点。向海图强既是广西的机遇和优势,也是广西的责任和使命。伴随着系列相关政策文件、战略规划和行动计划的相继颁布实施,广西向海经济发展新格局初步形成。平陆运河建成通航后,将形成广西及西南地区通往东盟的运距最短、最经济、最便捷的运输通道。陆江湾海的联动将撬动区域经济版图,推动形成国内国际双循环战略链接的枢纽。2023年12月习近平主席应邀访问越南具有标志性意义,确立了构建具有战略意义的中越命运共同体,开启了中越两党两国关系发展的新阶段,谱写了新时代中越关系的新篇章,将更有利于广西的向海图强、开放发展。

RESPONSE OF TROPICAL ATMOSPHERIC CIRCULATION TO THE OCEAN-LAND SURFACE HEATING——AN ANALYTICAL SIMULATION

A linear steady model is constructed to investigate the response of the tropical atmosphere to diabatic heating.The basic equations are similar to those used by Gill(1980),but the long-wave approximation is removed and periodic boundary conditions are taken in longitude.According to the features of the underlying surface temperature(including oceans and land),the heat sources(sinks)are given.Using this analytical model,we have simulated the climatological fields of wind and air pressure in the lower layers of the tropical and subtropical atmosphere in summer(June—August)and winter(December—February). The main features of observations are depicted in simulated fields.

福建中—北部马面山增生杂岩地质特征及其构造演化

在系统归纳“马面山增生杂岩”的空间分布特征及不同岩片的地质特征的基础上,区域内划分出新元古代陆缘弧、新元古代俯冲增生带和早古生代俯冲增生带,并进一步划分出一系列增生杂岩岩片。将马面山增生杂岩的形成、发展和演化过程划分为5个阶段,与马面山增生杂岩形成有关的古华南洋洋盆自新元古代开始发育,持续演化至早古生代,最终在早古生代末—晚古生代初完成了洋陆转换过程。伴随着洋陆转换,洋板块的俯冲作用导致洋盆地层系统卷入俯冲增生活动,形成增生杂岩的基质及岩块系列。马面山增生杂岩形成后又经历多期次的陆内构造叠加、改造,从而形成现今地质格局。

数字孪生水下三维实景数据底板获取技术研究

为获取高精度的水下三维模型细节纹理结构,满足数字孪生建设对水下三维实景数据底板获取的需求,实现对水下构筑物的实时可视化动态监测,基于GNSS和USBL技术研究构建水陆一体化定位系统,融合水陆一体化定位技术、有缆ROV和水下摄影测量设备等研发水下摄影测量系统,实现数字孪生水下三维实景数据底板的获取,并采用多波束测深、水下三维全景成像声呐等系统,对水下摄影测量系统获取的三维实景模型数据成果精度进行验证。结果表明:水下摄影测量系统获取的三维实景模型精度满足规范要求,可用于数字孪生流域/工程等水下基础数据底板的建设,也可为水下高精度三维场景重构再现和水利工程水下构筑物实时动态监测提供技术支撑。

天津南部地区末次盛冰期以来下切河谷及沉积相序特征研究

中国河口三角洲地区发育末次盛冰期(LGM=Last Glacial Maximum)下切河谷,为研究天津南部海陆交互作用平原区LGM下切河谷,本文通过钻孔、陡坎剖面调查、遥感解译和高密度电法剖面测量等工作手段,结合AMS14C测年、微体化石(有孔虫和介形类)和孢粉鉴定等测试进行综合研究,研究结果表明该区LGM以来发育3种沉积相序类型:类型Ⅰ(FS-Ⅰ):由下切河道相—湖相—滨海相—海陆交互相(滨海湖沼/潟湖相)—河漫滩相构成;类型Ⅱ(FS-Ⅱ):由下切河道相—湖相—滨海相—河道相—河漫滩相构成;成为下切河谷内不同时期河流序列的叠置;类型Ⅲ(FS-Ⅲ):由LGM硬黏土—湖相—滨海相—海陆交互相(滨海湖沼/潟湖相)—河漫滩相构成。LGM时期古植被以云杉、松、蒿、藜等干冷植物为主,气候干冷;古河道空间格局和古流向受控于基底构造;汊道古河流发育且摆幅较大。与长江三角洲地区对比,该区下切河谷深度(宽约几百米、深20~30 m)及规模远不及前者(宽数十千米、深40~90 m)且不发育强潮河口湾相,原因在于没有开放海和统一的大河口。冰后期海平面上升,古微地貌低洼处受到海侵或地下水位上升湖相或湖沼发育形成全新世海侵基底泥炭,最大海泛面之后,不同微地貌处先后随着河流进积增强成陆,末次盛冰期以来沉积相序地层受控于全球海面变化和区域构造的影响,河海进退和河流摆动是沉积层序形成的直接原因。因研究区缺乏末次盛冰期以来下切河谷及沉积相序特征研究,故本文研究可为该区域末次盛冰期以来地层结构厘定、古环境恢复与演化以及水工环勘察、地下空间资源规划和开发利用等方面提供重要基础资料。

海陆气协同作用对华北地区夏季高温热浪的影响

通过统计分析并利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式进行多组敏感性试验研究发现,华北地区前期土壤湿度异常与夏季高温热浪的关系受到西太平洋副热带高压(西太副高)强度的影响。当西太副高异常偏强时,其西侧南风携带来自热带海洋的大量水汽至华北地区南部并增加该区域降水,不利于前期土壤湿度干异常的维持,从而限制了前期土壤湿度异常对高温热浪的贡献。相反,当西太副高偏弱时,华北地区前期土壤湿度干异常持续能力较强,有利于局地高温热浪的发展。西太副高强度与热带中东太平洋地区海温有关。当夏季热带太平洋海温异常处于暖位相时,西太副高强度相对较弱且华北地区南部降水偏少,有利于前期较干土壤条件的维持。此类情况下前期土壤湿度异常可以作为高温热浪的预测信号。

抛物方程法预测复杂地海环境中的电波传播

为了分析对流层环境中影响电波传播的主要因素,文章基于抛物方程模型研究了复杂地海环境下的电波传播特性,综合考虑粗糙海面Miller-Brown近似、地形遮蔽法、分段线性平移变换法等处理方法,分析了海上岛屿、沿海城市、蒸发波导、发射天线参数、风速等因素对电波传播造成的影响。结果表明,电波传播损耗受蒸发波导、海岛高度和频率的影响较大,而远距离传播时受海面风速的影响较小,海岛的存在会使电波产生多径效应,而其遮蔽效应也会令传播损耗有所增加。此外,近海岸的地理环境同样对传播损耗的影响较大,而随着高度的增加,这种影响逐渐减小,因此,提高发射天线的高度可以有效延长探测距离。这些结果对雷达系统的设计和性能评估具有重要的指导意义。

南海-东印度洋海域微生物气溶胶空间分布特征

通过走航观测对南海-东印度洋海域的大气细颗粒物(PM2.5)(共49个)进行采集,使用DAPI染色荧光显微技术获得微生物气溶胶浓度,开展微生物气溶胶在该海域空间分布特征的研究。结果显示,微生物气溶胶浓度范围在2.14×10^(4)~5.93×10^(6) cells·m^(−3)之间,空间分布明显不均衡,即东印度洋>海峡>南海。在东印度洋海域,微生物气溶胶浓度变化幅度较大,以赤道为界,总体呈现北高南低的趋势。微生物气溶胶的粒径主要分布在0.37~2.5µm之间。南海、海峡和东印度洋赤道以北样品中原核生物占比较高,约65%;而在东印度洋赤道以南,真核生物占比则升高至近50%。最后,本研究根据东印度洋海域微生物气溶胶的差异,对其来源开展研究,揭示了海洋生物分布、海洋环境要素以及人为源远距离传输等因素对于开放海域微生物气溶胶浓度的影响。

大跨度铁路桥梁海、陆风场差异性研究

为研究桥址区海、陆风场的差异及其对铁路桥梁的影响,开展桥址区海、陆风场数值模拟和桥梁风荷载数值计算研究。考虑海面粗糙度、海气交换等因素影响,从风剖面、风谱、相干函数3个角度进行海洋风场与陆地风场的对比,进而实现海、陆风场的数值模拟和风荷载计算。结果表明:海、陆风场紊流特性和空间相干性差异显著,内陆铁路桥梁较海洋铁路桥梁风荷载的阻力、升力和力矩分别增加6.1%、5.5%和5.9%,但由于海洋风谱的能量高于陆地风谱,海洋铁路桥梁所受的抖振力高于内陆铁路桥梁。

现代海洋牧场产业链延伸与价值链创新路径——以烟台东宇国家级海洋牧场为例

建设现代海洋牧场对于改善海洋生态环境、促进海洋经济持续健康发展具有重要战略意义。目前,海洋牧场普遍存在产业模式单一、产业融合度不高、产业链延伸与价值链创新乏力的问题。对烟台海洋牧场建设与发展过程进行了深度考察,并以烟台东宇国家级海洋牧场一二三产业经营状况为例,分析其产业融合的路径特征与存在问题。研究发现,海洋牧场装备型平台利用率低、科技力量不足、各业态营销模式落后和政府管理体制与扶持政策不配套是主要制约因素。针对其存在问题,提出了陆海统筹规划、优化产业格局、完善管理机制、强化科技赋能和多元主体合作等对策建议,以期为现代化海洋牧场的优化升级提供模式创新参考。

甘蒙北山地区下石炭统绿条山组时代修正及其构造意义

甘肃—内蒙古北山地区位于中亚造山带中段,其晚古生代洋盆最终闭合时间倍受关注且久有争议。早石炭世是该区洋陆转换的关键时期之一,下石炭统下部绿条山组与下伏的下、中泥盆统之间的角度不整合被认为是该区构造隆升的主要证据之一。但由于研究程度限制,绿条山组的时代尚有争议,一定程度上制约了该区构造演化的深入分析。北山北部甜水井北与碎石山剖面绿条山组火山岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为296.8±3.5Ma与311.1±3.2Ma,产出晚石炭世巴什基尔期(Bashkirian)菊石Gastrioceras和Branneroceras,时代应修订为晚石炭世—早二叠世早期。研究区下泥盆统—上石炭统沉积充填及生物群落特征表明该区可能在晚石炭世由大陆边缘浅海演化至裂谷盆地,上石炭统与下、中泥盆统之间的角度不整合代表洋陆转化造成的长时间隆升剥蚀。

西准噶尔南部玛依勒洋盆开启、闭合时限:来自中泥盆统与下伏地质体之间角度不整合关系的证据

新疆西准噶尔南部地区出露多条蛇绿岩,其中玛依勒蛇绿岩是该地区比较重要的蛇绿岩之一,其所代表的古洋盆的开启、闭合时限一直是地学界争论的焦点。详细的野外调查发现:玛依勒蛇绿混杂岩呈构造岩块的形式就位于中-上志留统玛依拉山岩群复理石基质中或与寒武纪杂岩体在空间上密切共生,表明玛依勒蛇绿岩所代表的古洋盆至少在寒武纪时期就已经开启,一直持续到中-晚志留世;中泥盆统库鲁木迪组分别角度不整合于中-上志留统玛依拉山岩群和寒武纪杂岩体之上,从而限定了玛依勒洋盆闭合时限的上限为中泥盆世之前。地层剖面分析发现库鲁木迪组与玛依拉山岩群之间在岩性特征、地层序列、沉积环境等方面均存在显著差异,表明晚古生代早期是西准噶尔地区构造演化发展的重要转换时期,库鲁木迪组下部的陆相沉积序列是对玛依勒早古生代洋盆闭合过程的沉积学响应。这将对进一步研究西准噶尔的构造演化和古生代中亚地区的构造格局提供了重要的制约。

中国海陆过渡带——海岸海洋环境特征与变化研究

海岸海洋是陆地与海洋过渡的地带,位居亚洲与太平洋之交的中国海岸类型丰富,河海交互作用与人类活动影响使海岸海洋环境与作用过程独具特色。河流的贯通作用,使得全球变化与人类活动对河流流域的作用,亦在海岸海洋地区表现出来,并对海洋环境形成显著的影响。历史与现实实例表明,在海岸海洋的开发利用中需重视研究海陆交互过渡带环境特征,尽可能减小人类活动对海岸海洋环境的负面效应。人们应调查研究区域海岸环境特点,探索其动力过程机制,阐明其发展变化趋势,依据自然规律,在阀值极限的范围内规划设计工程与开发利用,才可达到事半功倍与避免灾害的效果,确保海岸海洋的可持续性开发利用。

海-陆混合路径对雷电电磁场传播的影响

利用Barrick等效表面阻抗法和Wait近似算法等研究了粗糙海-陆混合路径对雷电电磁场传播的影响。结果表明,当雷电发生在海面,电磁辐射场沿海-陆混合路径传播时,即使在陆地部分的传播长度仅为几十米,对2MHz以上甚高频的衰减也不容忽视,陆地部分对电磁场传播的影响远远大于海面。因此,利用海面对雷电电磁波谱进行测量,需要考虑海-陆混合路径传播的影响。如果关注的频率超过10MHz,还需要考虑海浪的影响。

海岸带——全球变化研究的关键地区

工业革命以来,地球系统中人为(?)自然变化过程加剧,产生了一系列当代急需解决、危及人类社会可持续发展的恶果。地球系统科学(ESS)因此在世界范围兴起.以国际地圈(?)生物圈计划(IGBP)为突出代表的全球变化研究工作相继展开。随IGBP研究的个断深入.海岸带在全球变化研究中的重要性与优越性日益突出,以海岸带海陆相互作用(LOICZ)核心项目的确立为标志,建立起了完整的海岸带研究体系,海岸带成为当代全球变化研究的关键地区,海岸海洋科学因之在世界范围兴起。由此,亦为我国的海岩带研究提出了众多新的课题。

寒武纪生命大爆发与地球生态系统起源演化

生命活动加速地球有机界和无机界之间的循环,从而成为驱动地球生物圈、岩石圈和大气圈层物质循环和能量流动的主要动力。生态系统是由生物群落及其环境组成的统一整体,生物圈是地球上最大的生态系统。根据生态系统的组成及其演化阶段,综合全球重大地质事件和寒武纪大爆发动物界成型,本文提出地球生态系统可分为原始进化生态系统、初级进化生态系统和现代进化生态系统三大演化阶段。原始进化生态系统以陆核形成、成熟,早期超大陆聚合、裂解和潘基亚大陆形成早期阶段之前等不稳定大陆演化为地质背景,生物类群主要以蓝藻(又称蓝细菌)和真核藻类为生产者,以细菌微生物为分解者的2极食物链结构,生活底质仅以海洋底质(岩石)和沉积物为界面,在原始海洋中仅以海水、海底为介质的2相(液相和固相)生态环境,时间包括太古宙和元古宙的大部分地史时间,代表着以菌藻类初级生产者诱导的生态系统形成和演化,反映了生物圈与岩石圈物质循环的原始阶段。初级进化生态系统以冈瓦纳大陆聚合为地质背景,现代板块构造建立、全球板块联动,大陆风化加强,时间上包括埃迪卡拉纪末到早古生代的加里东运动时期。通过寒武纪大爆发,地球首次诞生了动物,代表着宏体消费者出现,由生产者、消费者和分解者组成的完整3极食物链结构形成,地球进入了以动物消费需求牵引的生态系统循环。消费者以海洋无脊椎动物为主,出现底栖、游移、浮游和游泳等现代海洋群落生态类型,期间礁体动物出现,生物礁繁盛,包壳、刻蚀(污损)生物开始大量增殖,由于生物的相互作用导致海底岩石生物风化急速加快,生物圈和岩石圈物质循环在海洋中迅速加强,代表地球现代复杂海洋生态系统初步形成。现代进化生态系统以潘基亚大陆聚散和古新特提斯构造域形成演化为地质背景,初级生产者发生重大改变、陆地植物出现,动植物登陆,陆地生态系统逐步形成、发展和繁盛。海陆高级消费者不断出现、演替,由生产者、消费者和分解者组成3极食物链结构稳定循环,系统能自我修复和自我完善,不同时期部分动物已跨越陆地和海洋两个生态系统进行繁衍生息,陆地生产者与分解者通过河流交相辉映、周而复始、循环不断。高山、河流和海洋生物生态分层分带明显,不同动物在陆地、海洋和大气不同界面(液相、气相和固相)穿梭,不同介质(海水、陆地和空气)交流互动。脊椎动物鱼类登陆从而导致四足动物(两栖类、爬行类和哺乳动物包括人类)的后续发生,不同地史时期不同类型的脊椎动物呈现“登陆下海”生态奇观,生态群落和营养结构复杂多变,生态类型繁多,时间横跨晚古生代、中生代和新生代直至现在,代表海陆交互的复杂地球现代进化生态系统的形成、发展、演替和繁盛。生物圈、岩石圈、水圈和大气圈以生物为纽带,物质交流和能量流动速度加快,成为现代地球生态系统的最大特征。因此,前寒武纪诞生了原始生命并衍生了现代海洋生态系统的初级生产者(菌藻类),地球进入初级生产者维持的原始进化生态系统;寒武纪大爆发诞生了地球动物消费者,历时4千万年地球动物界成型、建立了现代动物系统框架,之后5亿年再无新的动物门类出现,现代海洋生态系统格局形成,地球开启了动物需求驱动的初级进化生态系统;晚志留世和早泥盆世后陆地生态系统诞生,历时3亿年植物界成型,地球原始生产力不断革新,动植物海陆交互,现代生态系统形成,不断修复并完善。对比研究动物消费驱动的地球初级进化生态系统和高级生产者植物引导的现代进化生态系统的演化过程对理解地球的宜居性演化有重要意义。

中亚造山带西准噶尔晚古生代洋陆转换与构造演化——来自晚石炭世流纹岩的证据

本文在中亚造山带西部的西准噶尔地区新发现晚石炭世柱状节理流纹岩,并根据其地球化学特征探讨了其形成的构造环境。岩石化学分析的结果表明,柱状节理流纹岩的主量元素具有高钾低钠的特征,属于高钾钙碱性和钙碱性岩浆系列;球粒陨石标准化稀土元素分配模式表现为V字型,Eu亏损,说明发生了斜长石的结晶分异。大离子亲石元素(LILE)Rb、K相对富集,高场强元素(HFSE)Nb、Ta出现负异常,反映了俯冲带岩浆的特征。研究表明该流纹岩属于A2型,形成于后造山的伸展构造环境;与该地区晚石炭世大型花岗岩类岩基具有同源性,同属于后造山伸展环境下的富碱岩浆作用。对比我国东部沿海中生代柱状节理流纹岩的大陆边缘构造环境,本研究认为西准噶尔地区在晚石炭世存在由大洋俯冲向陆内环境转变的洋陆转换特征;之前的大洋俯冲主要发育在克拉玛依-包古图一带,具有准噶尔洋板块向西北方向在哈萨克斯坦微陆块之下俯冲的构造极性。正是由晚石炭世柱状节理流纹岩所代表的后造山伸展环境下的富碱岩浆作用,终结了该地区洋陆过渡带环境。