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  • 综述与评述
    魏伟, 白嘉怡
    地球科学进展. 2024, 39(3): 221-231. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2024.018

    随着计算能力的不断提高,数值天气预报模式的水平网格分辨率已经达到公里—次公里量级,这一网格尺度与对流边界层中的湍流特征尺度相当,数值模式可以对有组织对流结构进行解析计算。传统的一维边界层参数化方案(适用于几公里或更粗水平分辨率)和大涡模拟三维湍流闭合方案(适用于几十米以下水平分辨率)的假设条件在这一尺度上均不成立,称为对流边界层的灰区尺度。在讨论传统参数化方法的适用性和局限性的基础上,从理论、方案方法和影响3个方面介绍了对流边界层灰区尺度的研究进展,总结了近20年来国内外发展的各对流边界层灰区尺度模拟方法的特点,探讨了该尺度上边界层过程对数值模式中其他物理过程(如浅/深对流等)的影响,最后展望了未来可能的研究方向和思路。

  • 综述与评述
    孙军, 谷挺, 贾岱, 付阳
    地球科学进展. 2024, 39(1): 12-22. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.073

    氧化亚氮(N2O)是一种重要的温室气体,对臭氧层具有破坏作用。在微藻培养过程中以及富营养化湖泊等以微藻为基础的生态系统中,已经观察到N2O的排放。然而,对于藻类中N2O收支平衡的重要作用以及潜在的藻类N2O产生途径却鲜有报道。综述了近年来藻类排放和吸收N2O的相关研究,主要内容包括藻类与N2O关系研究的发展历程、N2O在藻类体内产生和消耗的几种可能途径、藻类微环境对N2O分布格局的影响及其潜在的对全球气候变化的影响。鉴于政府间气候变化专门委员会目前没有考虑藻类水华或藻类养殖期间可能产生N2O排放,呼吁在全球范围内加强藻类N2O生产相关的实验研究,为全面理清藻类在N2O排放和吸收中的重要作用,全面评估水生生态系统温室气体排放提供支撑。

  • 青藏高原综合科学考察研究
    兰措
    地球科学进展. 2024, 39(1): 46-55. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.079

    气候变暖背景下,全球气候系统各圈层发生了复杂的响应和反馈。作为气候系统重要组成部分的陆地表面是地气水热交换、地球化学要素传输、水文过程产生和植被生长的界面,受气候变化影响显著。气候变化不仅直接影响水文过程,还可以通过影响植被的结构和生理特征,间接影响水文过程。陆面模式是研究气候变化影响和反馈的主要工具。全球描述陆气界面物质和能量交换过程的模式主要有3类:全球陆面过程模式、全球水文模式和全球动态植被模式。3种模式针对不同的科学问题,各有其侧重点,之间的差异较大。从20世纪90年代开始至今的许多陆面模式比较计划不断指出模式的不足及其原因,从而促进了陆面模式的不断发展。然而陆面模式依然存在很多不足,有待进一步提高和发展。如目前的水文模式普遍缺乏动态植被过程,无法准确模拟和预测长期气候变化导致的植被变化对水文过程的影响,累及极端水文事件的模拟和未来水资源的预估。水文过程模型耦合动态植被过程是水文学研究的前沿领域。作为亚洲水塔的青藏高原气候变化显著,冰冻圈要素不仅包括冰川、积雪和冻土退缩,而且植被生长趋好、变绿。因此,在青藏高原气候变化对水文过程的影响研究中,更应考虑气候变化导致的植被变化的水文效应。此外,陆面模式对青藏高原土壤结构内部的水热交换过程描述不足。为进一步提高陆面模式在青藏高原的模拟能力,今后需加强对青藏高原土壤质地观测和数据搜集整理,以及对土壤冻融阶段的水热物理过程的观测,提高对过程和机理的认识,并将有关的认识体现在陆面模式中。

  • 大气探测与遥感
    许健, 张卓, 饶兰兰, 王雅鹏, 闫欢欢, 胡斯勒图, 石崇, 刘嵩, 格根塔娜, 王文煜, 石恩涛, 姚舜, 朱军, 王咏梅, 董晓龙, 施建成
    地球科学进展. 2024, 39(1): 56-70. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2024.002
    摘要 (403) PDF全文 (668) HTML (101)   可视化   收藏

    臭氧是地球大气中最重要的痕量气体之一,在气候变化和生态环境中均扮演着至关重要的角色。对流层臭氧作为光化学烟雾的重要成分之一,其浓度变化与人类活动息息相关。基于卫星遥感技术监测对流层臭氧浓度可以帮助我们更好地发现和定量解释对流层臭氧在不同季节、不同时刻以及不同区域的变化特征,探讨臭氧在对流层中的成因机制。随着卫星遥感技术的全面发展,臭氧遥感产品(例如臭氧总量、廓线等)无论在产品精度或是时空分辨率方面均取得了显著进步,然而,由于受较弱卫星信号与复杂下垫面的影响,对流层臭氧遥感产品精度仍无法满足目前对流层大气成分的精细化科学应用研究。主要围绕对流层臭氧卫星遥感,回顾和分析了臭氧卫星遥感载荷的发展历程和现状,结果表明国内外已基于不同谱段(紫外—可见光、热红外和太赫兹)实现了全球及区域臭氧的时空分布探测;讨论了基于不同技术遥感反演算法(直接与间接反演、多波段联合反演、天底—临边协同反演、基于机器学习技术的创新算法等)的特点及适用性,分析表明算法精度的提升包括从复杂大气背景下的辐射传输模拟、基于地面观测的先验信息优化以及仪器定标与信噪比等多方面的工作;展望了卫星遥感在全球和区域尺度提供可靠对流层臭氧观测数据的应用前景,为对流层臭氧污染的形成机理、人类活动与气候变化如何影响对流层臭氧浓度变化等方面的研究提供关键数据支撑。

  • 院士论坛
    周卫健, 赵雪, 陈宁
    地球科学进展. 2024, 39(1): 1-11. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2024.008

    国际地层委员会人类世工作组决议人类世应由全球界线层型剖面和点位(“金钉子”)定义为一个正式的地质年代单位。20世纪中叶以来人类活动突变式增强,改变了原有的地球演化速率和方向,对地球环境造成极为显著的影响,并在地质记录中留下清晰的具有全球同步特性的物理、化学和生物印记,为识别这一年代地层单位的底界提供了最佳选择。当前,全球共有12个人类世“金钉子”候选剖面和点位参评。与此同时,中国学者在人类活动代用指标体系构建、人类世候选“金钉子”研究与国际对比方面取得了突出进展,发现人工放射性核素、微塑料、δ13C、δ15N和硅藻等均可作为人类活动理想的标志物,且远离城市和人类活动影响的中国四海龙湾玛珥湖沉积物剖面对全球信号敏感,239,240Pu浓度于1953年快速增加,多环芳烃、129I、烟炱14C、碳球粒、DNA、δ13C和重金属等指标在1953年前后均存在系统性变化,因此提出1953年作为人类世底界。中国四海龙湾湖沉积物剖面与日本别府海湾沉积物剖面被人类世工作组提议作为人类世“金钉子”辅助剖面。未来人类世科学研究的最终目标应是在阐明人类活动对地球系统影响的基础上,深化人地系统耦合与适应的可持续发展理论和技术创新。

  • 研究论文
    马维兢, 王耀辰, 寇敬雯, 杨海江, 薛冰, 勾晓华
    地球科学进展. 2023, 38(12): 1243-1258. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.078

    水土资源匹配往往直接影响着各个地区的粮食生产状况,是经济社会高质量发展和农业生产现代化的基础。以黄河流经的9个省区[以下简称“沿黄九省(区)”]为例,基于自然本底和用水总量控制状况的可利用水资源、耕地资源总量以及灌溉耕地资源量4个要素耦合构建了水—耕地—粮食三元协同关系模型,探析了2010—2020年沿黄九省(区)“省—市”尺度水土资源匹配的时空演变特征及各影响要素的贡献度。结果表明: 沿黄九省(区)基于自然本底的二元水土资源匹配程度在不断提高,水土资源匹配格局相对稳定但区域差异明显,表现为“西高东低”; 从自然本底状况的耕地总量和灌溉耕地量来看,沿黄九省(区)水—耕地—粮食三元协同匹配格局大致呈现3种情况:西部和东北部为重度缺水地区,北部和中北部地区也存在不同程度的缺水,中部和中东部地区呈现多元化分布格局;从用水总量控制状况来看,耕地总量与灌溉耕地下的三元协同匹配格局存在较大差异。 不同情景下,水资源贡献率平均超过50%,灌溉水有效利用系数和灌溉定额贡献率总和超过30%,表明提高水资源有效利用率、设定合理的灌溉定额对水土资源匹配程度有举足轻重的影响。研究结果有助于增加对水资源开发利用、耕地生产能力和开垦程度以及粮食产量的相互依存、相互制约等纽带关系的认知。

  • 研究论文
    黄春林, 冯娅娅, 高峰, 赵雪雁, 钟方雷, 程清平, 魏彦强, 宋晓谕, 王宝, 王鹏龙
    地球科学进展. 2023, 38(10): 987-998. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.060

    定量评估可持续发展目标(Sustainable Development Goals, SDGs)的进展和指标间复杂的相互作用对于监测SDGs的实现进度以及指导政策制定和实施至关重要。以国家可持续发展议程创新示范区(临沧市)为研究区,基于统计、遥感和监测等地球大数据,在SDGs全球指标框架的基础上,通过实地调研,结合临沧市地域特色和数据获取情况,选取70个SDGs指标构建了评估边疆多民族欠发达地区SDGs进程的指标体系。在此基础上,计算了2015—2020年临沧市16个SDGs得分值和可持续发展综合指数,评价了临沧市SDGs进展状况,提出了临沧市可持续发展面临的关键挑战及解决对策。研究表明,2015—2020年临沧市SDG 6、SDG 7和SDG 13基本保持较高的得分值,其余目标和可持续发展综合指数均呈现增大趋势。在SDGs发展进程方面,16个目标均具有较好的发展进程,SDG 5年均增长率最大,SDG 13基本保持不变;此外,有81%的SDGs指标具有较好的发展进程。该研究可为其他典型示范区推进可持续发展建设提供参考,为推进中国乃至全球欠发达山区可持续发展提供良好借鉴。

  • 综述与评述
    魏江峰, 宋媛媛, 逯博延
    地球科学进展. 2023, 38(9): 881-889. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.055
    摘要 (1446) PDF全文 (415) HTML (57)   可视化   收藏

    降水日循环是气候系统中多种动力和热力过程共同作用的结果,与水循环和陆气相互作用密切相关。在华北地区,降水日循环受到山谷风环流、边界层惯性振荡和海陆风环流等影响,主要表现为凌晨和下午两个峰值。同时,人为排放导致的较高的气溶胶浓度也对降水日循环有一定影响。介绍了华北降水日循环的基本特征和影响因素,并总结了近期在华北降水日循环与陆气耦合的联系、华北降水日循环的模式模拟及气溶胶的影响等方面的研究,归纳了已有的科学认知,总结了现有研究的不足和面临的挑战。总之,深入研究降水日循环及其影响因素,可以帮助我们更好地理解降水的形成机制和演变规律,为提高降水精细化预报能力提供科学支撑。

  • 综述与评述
    史军, 崔林丽, 顾宇丹, 唐娉
    地球科学进展. 2023, 38(8): 771-779. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.042
    摘要 (2269) PDF全文 (1323) HTML (149)   可视化   收藏

    复合极端事件是导致社会或环境风险的多种驱动因子和/或致灾因子的组合,对人类社会和生态系统造成的影响往往比单个极端事件更严重、更具破坏性。首先简要论述了复合极端事件的定义和内涵,包括先决条件事件、多变量事件、时间复合事件以及空间复合事件;然后详细综述了复合极端事件的时空演变特征、复合极端事件变化的影响因素和未来复合极端事件情景预估3个方面的研究进展;最后针对目前研究中面临的问题,提出今后研究关注的重点,包括复合极端事件的变量/指标选取及阈值确定、复合极端事件因子间依赖关系及相互作用、复合极端事件模拟性能评估和未来情景预估以及复合极端事件影响的动态过程及致灾机制。

  • 院士论坛
    丁一汇, 柳艳菊, 徐影, 吴萍, 薛童, 汪靖, 石英, 张颖娴, 宋亚芳, 王朋岭
    地球科学进展. 2023, 38(6): 551-562. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.027
    摘要 (2591) PDF全文 (1500) HTML (235)   可视化   收藏

    西北地区是中国西部大开发的主战场和重要的生态环境安全屏障区,该区气候变化直接影响到“一带一路”倡议实施中的水资源、生态和环境安全。在全球气候变化背景下,西北地区气候呈现出明显的“暖湿化”现象并呈东扩发展趋势,极端降水事件趋多趋强。一方面,降水量的增加有利于该地区的水资源可持续利用和生态环境保护;另一方面,极端降水的增加也对区域综合防灾减灾提出了新挑战。针对近年来备受关注的西北地区气候“暖湿化”问题,从其演变特征、形成原因和物理机制以及未来趋势预估等方面进行了总结和评述,归纳了已有的科学共识,并进一步剖析了当前研究中存在的问题和不足,最后对未来科学研究的重点方向进行了展望。对西北地区气候“暖湿化”趋势、成因及未来预估进行系统回顾,将对今后深入研究西北地区气候“暖湿化”问题具有重要的科学指导意义。

  • 综述与评述
    黄春林, 侯金亮, 李维德, 顾娟, 张莹, 韩伟孝, 王维真, 温小虎, 朱高峰
    地球科学进展. 2023, 38(5): 441-452. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.022
    摘要 (1005) PDF全文 (1308) HTML (122)   可视化   收藏

    以深度学习为核心的数据驱动方法逐步应用于地球科学领域,但这类方法在模型的可解释性和物理一致性等方面还存在挑战。在遥感大数据背景下,如何结合深度学习和数据同化方法,发展陆地水循环过程模拟与预报的新技术和新方法成为地球科学领域的重要研究方向。重点梳理了近年来深度学习在改善陆地水循环要素观测数据质量以及深度学习如何减少物理模型不确定性方面的最新进展,从观测、模型和系统集成3个方面凝练出深度学习融合遥感大数据的陆地水文数据同化研究的关键科学问题: 深度学习反演遥感产品时,如何增强样本的时空代表性? 如何发展数据同化框架下物理导引的深度学习新方法? 如何通过“数据—模型”双驱动提升陆地水循环的可预报性?开展相关研究和探索将有助于推动“数据—模型”混合建模方法在水文领域的深入应用,提高陆地水循环过程的模拟和预测能力。

  • 研究论文
    张翔, 孙雯
    地球科学进展. 2023, 38(5): 493-504. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.020

    2015—2017年南非西开普省遭受了特大干旱冲击,造成了城市可用水资源的极度短缺,使其首都开普敦市成为人类历史上首个面临“零日”灾难(关闭该城市水龙头的确切时间)威胁的现代城市。但此次灾害的多种致灾因素的交互机理和过程尚不明确,人为供用水管理如何科学应对自然降水变异的模式有待进一步挖掘。因此,通过气象干旱、水文干旱和城市供用水管理3个维度挖掘其中的关键阶段、空间分布和管理效益。结果表明: 西开普省2015—2017年气象干旱面积和强度显著增加,且2017年5月干旱情况最为严重。相比于标准化降水指数,标准化降水蒸散指数检测到的干旱更为显著。 西开普省的水文干旱在2017年5月最为严重,这与气象干旱的时空特征规律大体一致,体现出气象—水文干旱迅速传播的特征。标准化径流指数结果与水库储水量变化均反映该地区的水资源缺乏,表明此次干旱事件对严重依赖降雨和水库供水的西开普省产生了显著影响。 西开普省政府针对此次干旱演进过程采取了不同等级的用水限制和管理政策,有效推迟和避免了“零日”灾难,但在政治和经济等方面解决用水不平等的问题还值得商榷和改良。研究表明城市干旱问题涉及气象、水文和供用水多个系统及其相互作用,需要从致灾时空过程角度监测、理解和减缓。

  • 综述与评述
    夏亚飞, 刘宇晖, 高庭, 刘承帅
    地球科学进展. 2023, 38(4): 331-348. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.088
    摘要 (484) PDF全文 (811) HTML (201)   可视化   收藏

    矿冶影响区重金属的迁移和富集造成了严重的土壤重金属污染问题。深入了解矿冶影响区土壤中重金属的来源和迁移途径是开展土壤重金属污染高效治理的科学基础。近年来飞速发展的金属稳定同位素在识别土壤重金属污染来源和明确重金属迁移过程等方面有较大的应用优势。对金属稳定同位素分析技术、示踪原理及溯源模型进行系统分析,综述了矿产开采及冶炼过程(高温冶炼、电化学工艺和尾矿风化)导致的金属稳定同位素分馏研究进展,并总结了金属稳定同位素在矿冶影响区土壤重金属污染源解析的代表性应用成果。V同位素体系处于初期研究阶段,土壤重金属源解析应用研究相对缺乏;Zn、Cd和Hg同位素在识别高温冶炼过程相关的重金属污染源时有较大优势;Cu、Tl和Ni同位素可直接指示土壤中矿石的输入。但是,目前还存在部分金属稳定同位素分析难度大、溯源模型应用限制多、金属同位素易发生分馏导致源不确定等问题。在未来的工作中,需进一步探索和优化金属同位素分析方法,建立更多金属稳定同位素指纹图谱,开发适用性更强、结果更精确的溯源模型,明确复杂界面过程和反应中的金属稳定同位素分馏特征及机理,加强金属稳定同位素在追溯土壤重金属污染形成的时间尺度等方面的实际应用。

  • 研究论文
    郑明贵, 于明, 范秋蓉, 林玉华
    地球科学进展. 2023, 38(4): 377-387. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.011

    碳酸锂供需矛盾日益突出,科学预测未来中国碳酸锂需求量,对碳酸锂生产、进出口计划以及国家能源政策的制定具有重要意义。结合基于灰色关联分析和ARIMA-GM-BP神经网络的组合模型,选取2002—2021年中国人均GDP、产业结构、城镇化率、润滑脂产量、陶瓷产量、玻璃产量、空调产量、锂离子电池产量和新能源汽车产量作为需求情景预测的主要驱动变量,对中国2025—2035年碳酸锂需求进行预测,在此基础上提出了针对性的政策建议。结果表明:所选取的驱动变量与碳酸锂需求具有较高的关联性,且组合模型较单一模型预测精度更高。3种情景下2025年、2030年和2035年预测的碳酸锂需求量均值分别为42万t、69万t和103万t。

  • 青藏高原综合科学考察研究
    李育, 段俊杰, 李海烨, 高铭君, 张宇欣, 薛雅欣
    地球科学进展. 2023, 38(4): 388-400. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.015

    湖泊在区域水循环和生态系统演化中起着重要作用。在以往的湖泊演化研究中多利用湖泊沉积物代用指标重建湖泊与气候变化过程,缺乏对湖泊水循环特征的定量研究。基于瞬态气候演变模型、特征时段流域和湖泊水量,以及能量平衡模型,对青藏高原及周边6个典型湖泊进行了水量平衡计算和湖泊演化模拟。结果表明:小柴达木湖和罗布泊全新世期间降水和蒸发的变率较小;色林错和纳木错早中全新世降水和蒸发的变率较大,主要受控于温度和净辐射变化;青海湖和猪野泽早中和中晚全新世降水和蒸发变率接近。系统分析了全新世期间青藏高原不同气候区湖泊水循环要素演化过程,有助于理解该区湖泊演化的古气候学机理。

  • 综述与评述
    贾绍凤, 梁媛
    地球科学进展. 2023, 38(3): 221-235. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.009

    为落实科学推进实施调水工程的要求,有力提供高质量发展和生态环境保护所需的水安全保障,结合行业标准规范及相关研究成果,概述调水工程主要研究进展。研究表明我国水利工程需水预测易偏大,综合效益评价完整性需加强,生态补偿机制标准尚未建立,后评价跟踪工作不足。今后调水工程应加强生态环境保护及全阶段跟踪评价、落实全成本定价、完善投融资体制、提升信息化智能化管理水平,以支撑我国水资源配置空间均衡及国家水网建设。

  • 观点
    张强, 叶培龙, 王健顺, 张良, 甘泽文, 王莺
    地球科学进展. 2023, 38(3): 320-329. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.007

    黄河上游是黄河流域最重要的水源涵养区及其产流与汇流区,大致贡献了全流域一半以上的产流量,对整个黄河流域生态保护及水资源安全和粮食安全有举足轻重的意义,科学认识黄河上游自然环境要素变化特征,并洞察该区域自然环境要素之间的协调性问题是当前推动黄河流域生态保护和高质量发展的核心问题。在宏观了解全球气候变暖背景下及国家生态保护工程和水资源管理政策实施过程中,黄河上游气候、水文及生态等自然环境要素6个方面重要特征的基础上,认识到黄河上游流域气候、水文、生态之间存在5个方面的非协调性。并且,从自然环境要素的协调性角度,对如何突破黄河上游生态与发展问题的传统思维和认识误区提出了5点探讨,也对怎样构建具有区域特色的生态保护和高质量发展模式给出了6条思考与建议。这对于在推进黄河上游流域生态保护和高质量发展过程中,科学打造气候、水文、生态与人类的和谐发展模式等具有重要的指导意义。

  • 综述与评述
    马雷鸣, 林红, 储海, 尹春光, 张军平, 陈磊, 王海宾, 徐康, 范旭亮
    地球科学进展. 2023, 38(2): 111-124. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.003

    强对流天气系统发展剧烈,常造成严重的暴雨、雷电、大风和冰雹等灾害。对强对流天气的准确预报一直是国际气象领域研究的难点和瓶颈问题,也是大城市防灾减灾关注的重点。强对流预报技术的发展已经从单纯依赖于雷达的图像识别,发展到雷达、卫星、高分辨率数值模式以及人工智能大数据预测融合应用的新阶段。在回顾国际强对流预报技术进展的基础上,介绍了上海气象业务部门近年来攻关研发的雷达自适应组网观测、雷达外推短临预测和数值预报误差机器学习订正等关键新技术及集成建立的上海强对流智能监测预报系统。这些技术成果的业务应用,在城市防灾减灾和精细化治理中已发挥了重要作用,可供相关研究人员参考。

  • 院士论坛
    冯起, 常宗强, 席海洋, 苏永红, 温小虎, 朱猛, 张举涛, 张成琦
    地球科学进展. 2022, 37(11): 1101-1114. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.084
    摘要 (516) PDF全文 (541) HTML (32325)   可视化   收藏

    中国与蒙古国均是全球生态脆弱区分布面积最大、脆弱生态类型最多、生态脆弱性表现最明显的国家。中国和蒙古国生态脆弱区生态环境状况制约着区域生态和社会经济的可持续发展,对中国和蒙古国生态安全至关重要。因此,深入研究中国和蒙古国生态脆弱区生态系统的特征及其对全球变化的响应机理,为区域的生态环境恢复提供科学依据,是我国生态安全的需要。以碳氮循环为切入点,关注中国和蒙古国脆弱生态系统在全球变化背景下的响应,提出并综述了脆弱生态系统碳氮循环过程及耦合机制、全球变化对脆弱生态系统的影响、全球变化背景下脆弱生态系统安全阈值确定及风险评估、脆弱生态系统对全球变化的适应性管理等重点研究任务。认为面向我国生态安全的重大需求,亟需从以下方面展开研究:系统分析碳氮在水—土—气—生中的周转途径、形态转化及通量特征的年际、季节及昼夜特征,揭示脆弱生态系统碳氮循环过程、时空规律与耦合机制,回答脆弱系统碳氮汇功能发挥的主要机理;构建脆弱生态系统碳氮耦合的过程模型,定量分析不同气候变化强度对脆弱生态系统安全的影响程度和人类干扰对碳氮循环及其生态系统的影响,评估脆弱生态系统在地球系统碳氮循环中的作用及其碳氮的源汇效应,提出脆弱生态系统对全球变化的适应性管理对策和措施。

  • 青促会之地球科学领域
    南峰, 于非, 徐安琪, 丁雅楠
    地球科学进展. 2022, 37(11): 1115-1126. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.061

    中尺度涡对大洋环流、海洋能量平衡、水团分布、热盐和营养物质输运等方面都具有重要意义。根据其垂向密度结构和旋转流速核心位置不同,中尺度涡有表层和次表层中尺度涡之分。基于卫星海面高度计资料的应用,对表层中尺度涡的研究日趋成熟。次表层中尺度涡垂向密度呈透镜式结构,其最大旋转流速核心位于混合层以下,对次表层涡的研究依赖于现场观测资料。目前次表层涡在世界大洋中偶有发现,因此国内外对其研究方兴未艾。聚焦于西北太平洋的次表层中尺度涡,全面回顾了其观测和数值模式的结果,总结了其垂向结构特征、时空分布和移动规律,以及可能的生成机制等。同时展望了其对海洋能量平衡、水团分布、声传播和海洋生物地球化学要素分布等可能的影响,以及未来可能的研究发展方向。

  • 青促会之地球科学领域
    李聪颖, 吴思璠
    地球科学进展. 2022, 37(11): 1127-1140. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.085

    白垩纪大洋缺氧事件记录了地球气候和古海洋环境的显著变化,是全球碳循环的主要扰动事件,受到了国内外学者的广泛关注。近20年来,随着金属稳定同位素测试技术的发展,越来越多的金属稳定同位素(例如钼同位素、锌同位素、铀同位素、铬同位素、镉同位素和钙同位素等)被用于研究大洋缺氧事件期间的环境变化。通过系统总结钼同位素(δ98Mo)、锌同位素(δ66Zn)和铀同位素(δ238U)的地球化学性质以及在大洋缺氧事件中的研究进展,发现钼同位素主要用于指示局部海洋硫化和非硫化环境的转变过程;锌同位素多用于区分局部海洋对初级生产力、大陆风化以及沉积物埋藏/分解等过程的不同响应情况;铀同位素可以估算全球海底缺氧面积占海底总面积的比例,同时可以结合碳—磷—铀耦合模型模拟全球海洋对大火成岩省形成、大陆风化、生物活动等过程的响应机制。但目前这些金属稳定同位素在海洋体系中的循环分馏机制尚未完善,且研究对象主要聚焦于大洋缺氧事件OAE2的沉积记录,未来还需要更系统全面的研究。

  • 综述与评述
    张璐, 李倩惠, 孟露, 张强, 张宏昇, 何清, 赵天良
    地球科学进展. 2022, 37(10): 991-1004. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.067
    摘要 (423) PDF全文 (641) HTML (158)   可视化   收藏

    大气边界层是地球表面与大气之间水热、动量、能量和痕量气体等物质交换和输送的重要通道,在天气和气候的演变过程中有着重要作用。深厚大气边界层现象和特征、形成机理以及天气气候效应是大气边界层研究领域的热点问题,也是科学难题。着眼于对天气和气候高敏感、高影响的极端气候区和特殊地理区域,回顾梳理了深厚大气边界层的观测事实,归纳总结了不同地区深厚大气边界层的成因和影响因素,描述深厚大气边界层演变过程中独特的湍流运动图像,解析探讨了深厚大气边界层演变与沙尘滞空之间的关联。最后,提出了深厚大气边界层的未来研究关注重点和实现突破的4个关键科学问题,以期为更加系统地开展深厚大气边界层研究提供参考依据。

  • 综述与评述
    陈小刚, 李凌, 杜金洲
    地球科学进展. 2022, 37(9): 881-898. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.066
    摘要 (765) PDF全文 (546) HTML (127)   可视化   收藏

    全球气候变化对资源、生态和环境的负面影响日益显现,降低大气CO2浓度已经成为全球关注的焦点。潮间带湿地(如红树林和盐沼)具有很强的碳汇功能,是降低CO2浓度和减缓全球气候变化的重要途径。红树林和盐沼作为重要的海岸带蓝碳生态系统,其土壤具有极高的储碳能力。由于受潮汐和降雨等驱动力的控制,红树林和盐沼土壤间隙水碳交换过程在海岸带蓝碳汇估算中具有较大的不确定性。同时,红树林和盐沼间隙水碳交换过程也是海岸带蓝碳汇相关研究中的前沿性科学问题,具有较大的挑战性。红树林和盐沼间隙水交换促使大量沉积物中的碳输出并存储于海洋,其可能是除了湿地碳埋藏之外的另一个重要碳汇,但目前对此尚未开展系统研究。总结论述了红树林和盐沼生境土壤间隙水交换速率及其携带蓝碳通量和控制因素,期望在对全球红树林和盐沼生态系统蓝碳收支和碳汇潜力进行评估中对其土壤间隙水过程携带的蓝碳通量引起足够的重视。这将深化对红树林和盐沼生态系统碳收支平衡和循环过程的认识,进而在全球气候变化的背景下,为更好地发挥海岸带蓝碳汇功能、促进红树林和盐沼生态系统建设和保护以及海岸带可持续发展提供科学支撑。

  • 研究论文
    陈庆强, 王雪悦, 姚振兴, 杨钦川
    地球科学进展. 2022, 37(9): 915-924. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.054
    摘要 (422) PDF全文 (529) HTML (281)   可视化   收藏

    明确盐沼土壤有机碳汇的稳定性对于科学评估海岸带“蓝碳”的碳汇潜力具有重要意义,而土壤有机质的结构组成与土壤有机碳汇的稳定性密切相关。选择长江口崇明岛东部4个成陆年代迥异的围垦区,利用固态13C核磁共振技术研究钻探取得的埋藏盐沼以及钻孔周边的林地表层土壤样品的有机质结构特征,揭示土壤有机质更新过程中有机质结构组成的变化。结果表明: 不同年代围垦区土壤有机碳官能团由表层到深层的变化特征类似,自表层的林地土壤样品至埋藏的盐沼样品,烷基碳与芳香碳的含量增加,而烷氧碳与羰基碳的含量降低。埋藏盐沼样品的烷基碳/烷氧碳含量值、芳香度与疏水碳/亲水碳含量值均大于钻孔周边林地表层土壤样品。随着埋藏深度增加,土壤有机质化学结构稳定性增强。 自西向东林地表层土壤样品烷基碳/烷氧碳含量值、芳香度、疏水碳/亲水碳含量值均小于1,呈逐渐增长趋势;脂肪族/芳香族含量的值则逐渐降低。自西向东林地表层土壤样品有机质整体分解程度较低,但呈逐渐提高趋势,有机质稳定性逐渐增强。这与树木种植时间由西向东逐渐变早,表层土壤发育时间变长有关。 自东向西,埋藏盐沼样品有机碳官能团含量与比值的变化表明,随着成陆时间延长土壤有机质稳定性不断增强。综上所述,随着成土时间延长,盐沼土壤有机质分解程度不断提高,有机质中结构稳定的组分所占的比例不断增加,易分解组分的比例不断降低,土壤有机质的稳定性不断提高。运用固态13C核磁共振技术研究长江口不同年代围垦区土壤有机质化学结构组成的变化,为揭示土壤碳汇稳定性的时间趋势及其化学机制提供了重要依据。

  • 综述与评述
    赵兵科, 汤杰, 雷小途, 张雪芬, 段晚锁, 李泓, 高志球, 钱传海, 鲍旭炜, 骆婧瑶, 张帅
    地球科学进展. 2022, 37(8): 771-785. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.053

    国家重点研发计划项目“近海台风立体协同观测科学试验”(2018 YFC1506400)针对防台减灾国家需要和缺乏台风直接探测资料这一制约我国台风学科发展和业务预报能力提升的关键瓶颈而立项,经过3年(2018年12月至2021年12月)的研究,全面完成了项目的目标任务。采用目标观测指导外场观测—基于观测资料的诊断和理论分析—数值模拟及观测资料验证—观测研究成果业务应用的技术路线,首次对近年来我国自主研发的新设备高空无人机及平流层飞艇等开展了台风探测适应性改造,完成近海台风“地—海—空—天”多基平台立体协同观测方案设计,组织实施了16个近海目标台风的多基平台协同的外场观测试验,基于多源直接观测资料的分析对台风模式物理过程参数化方案进行了改进,并应用于国家级的台风业务模式,效果显著,实现台风业务模式的路径和强度预报精度提高5%、降水预报精度提高3%~5%的预期目标。构建的台风多平台观测体系及协同观测方案,将为我国近海台风直接观测的业务建设奠定基础,并有望实现由目前的“跟跑”向“并跑”和部分“领跑”迈进。

  • 研究论文
    王任一, 张登辉, 郭书生, 黄导武, 许彪
    地球科学进展. 2022, 37(8): 851-862. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.047

    针对涠洲油田不同气油比油层具有相近中子挖掘效应特征,造成高气油比油层识别困难的问题。利用测井解释、油层测试分析、岩电实验和数值模拟等方法,对不同气油比油层测井响应特征、形成机理和侵入带电阻率影响因素等方面进行综合研究表明: 中高气油比油层具有近乎接近的中子挖掘测井响应特征。只有在低气油比及相近地层压力情况下,中子挖掘效应法才能有效区分气油比高低,它是一种“窄谱”识别方法。 油气流体压缩系数对气油比变化很敏感,气油比越高,油气流体压缩系数越大,二者呈近似线性关系。利用油气流体压缩系数识别油层气油比方法,是一种“广谱”识别新方法。 通过求取重构后阵列感应电阻率测井曲线间互信息矩阵,可使隐含在阵列感应电阻率测井资料中气油比高低信息得到放大,互信息矩阵中互信息值的大小近似反映气油比高低信息。基于互信息矩阵的气油比识别方法,克服了中子挖掘效应法的适用限制条件,实现利用油气流体压缩系数对不同气油比油层的“广谱”识别。

  • 综述与评述
    程维明, 宋珂钰, 周成虎, 汤国安
    地球科学进展. 2022, 37(7): 661-679. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.037
    摘要 (542) PDF全文 (703) HTML (177)   可视化   收藏

    从地貌信息图谱概念的起源——地学信息图谱开始介绍,论述了地貌信息图谱的概念与发展历程,从具体研究的角度归纳了包括地貌形态特征图谱(地面坡谱、剖面谱、二维格局谱系、地形纹理谱)和地貌发育谱在内的地貌信息图谱研究类型及研究现状。结合遥感、计算机和人工智能等技术的发展,分析了知识图谱与信息图谱结合的研究方法在未来地貌研究中的前景,总结了地貌信息提取、地貌信息分类和地貌制图等地貌信息图谱关键技术研究进展,并从构建完备的地貌信息图谱体系、提升地貌信息图谱关键技术、加强全球地貌格局与演变的精细化与定量化研究三方面对未来地貌信息图谱的发展进行了展望,以期为地貌研究工作的数字化、信息化和智能化提供参考,进而服务于国家资源环境重大战略并推进地貌学科的发展。

  • 研究论文
    王学良, 李洪源, 陈仁升, 刘俊峰, 刘国华, 韩春坛
    地球科学进展. 2022, 37(7): 726-741. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.027
    摘要 (513) PDF全文 (559) HTML (151)   可视化   收藏

    系统分析黄河径流量变化是实现黄河流域生态保护和高质量发展的重要基础研究。基于11个水文站和19个气象站1956—2020年实测径流量和气象数据,采用线性回归法和Mann-Kendall检验法,定量和定性分析了兰州水文站以上区域黄河干流和主要支流大夏河、洮河、湟水和大通河径流演变特征及其驱动因素。结果表明:1956—2020年研究区各水文站径流量变化有增有减,其中源区及西北部呈微弱增加趋势,东南部为减少趋势,非源区全部为减少趋势;各站径流量突变年份在1990年前后,1990s径流量基本为研究时段最低值,之后缓慢增加,到2020年前后达到或超过历史丰水值;与年径流量变化趋势相异,研究区各站冬季径流量除人类影响剧烈的大夏河以外均呈增加趋势。降水和冰雪融水量变化是源区径流量变化的主要原因,区域用水和耗水加大导致非源区实测径流量减少,在2010s之后融雪径流量增加、且积雪融水在缓解研究区1990s枯水状况中起到了关键作用,而冻土退化则是导致研究区年内径流过程线变缓和冬季径流增加的主要原因。

  • 综述与评述
    张光辉, 杨扬, 符素华, 张岩
    地球科学进展. 2022, 37(6): 551-562. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.032
    摘要 (452) PDF全文 (700) HTML (127)   可视化   收藏

    切沟侵蚀是重要的土壤侵蚀类型,是小流域侵蚀泥沙的主要来源。准确预报切沟侵蚀空间分布及其强度的时空变化,对于优化小流域水土保持措施配置、维持区域粮食产能和保障区域生态安全,具有重要的理论和实践意义。地形临界模型、敏感性评价、切沟形态特征经验关系、侵蚀预报模型和景观演变模型是预测切沟发育部位、评价发育概率或估算切沟侵蚀强度的主要方法。从这些方法的基本思路与原理出发,系统分析了相关研究进展,对比了研究结果的差异并评价了各方法的优缺点。未来研究需聚焦切沟监测方法优化与数据积累、切沟演变过程与数据可比性、预报方法遴选及区域适宜性、经验模型研发与参数区域分异,以及切沟侵蚀机理研究与过程模型研发,从而为促进切沟侵蚀预报研究、阻控切沟侵蚀、保障区域社会经济可持续发展提供技术支撑。

  • 综述与评述
    王劲松, 姚玉璧, 王莺, 王素萍, 刘晓云, 周悦, 杜昊霖, 张宇, 任余龙
    地球科学进展. 2022, 37(5): 441-461. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.022
    摘要 (836) PDF全文 (1049) HTML (315)   可视化   收藏

    青藏高原是承受自然灾害脆弱性较高的地区。该区域经常遭受雪灾、干旱、大风、雷电、冰雹和洪涝等气象灾害的危害,其中,干旱是该区域除雪灾外影响最为严重的气象灾害。随着气候变化和人类活动的加剧,青藏高原由气象灾害造成的损失不断加剧。为此,着眼于青藏高原的区域特点,对其气象干旱研究现状进行了梳理与分析,系统总结了青藏高原气象干旱的主要研究成果,揭示了青藏高原气象干旱时空分布的基本特征:干旱的高发区在高原的北部、东北部、西南部和东南部,高发时段为1980年代和2000年代;归纳了青藏高原气象干旱监测和预测的主要技术方法:基于干旱指数开展的干旱监测评估和基于干旱影响因子利用气候模式进行的干旱预测;给出了青藏高原干旱灾害风险的发生规律:青藏高原东北部偏南地区是农牧业干旱灾害的高风险区,东北部、西南部和东南部是较高风险区;高寒草原比高寒草甸面临的干旱灾害风险高。基于数值模式和未来情景,预估21世纪青藏高原气温升高、降水增加;但由于降水增加表现出明显的时空分布不均匀性,未来发生季节性和区域性气象干旱的可能性仍然很大;同时,提出了青藏高原气象干旱研究在资料、技术方法和模式应用等方面存在的问题,并结合国际前沿,展望了青藏高原气象干旱未来研究需关注的关键科学问题和技术领域。

  • 综述与评述
    陈亚宁, 李玉朋, 李稚, 刘永昌, 黄文静, 刘西刚, 冯梅青
    地球科学进展. 2022, 37(2): 111-119. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.006
    摘要 (1216) PDF全文 (1738) HTML (216)   可视化   收藏

    干旱区约占地球陆地面积的41%,养育了世界上超过38%的人口,是大多数发展中国家和贫困人口的聚集地,也是全球气候变化影响和响应最敏感的地区之一,对其气候、水文和生态环境变化开展研究是十分必要的。近几十年来相关研究不少,但结论比较零散,也有很多不一致的地方。基于对国内外文献的分析,归纳梳理了气候变化下干旱区的气候、水文、面积和类型的变化及其这些变化对生态系统的影响。梳理的主要结果如下:干旱区CO2排量约为湿润区的30%,但升温速率却比湿润区高20%~40%。在过去的半个多世纪,干旱区面积增加了约2.61×106 km2,预计21世纪末,全球干旱区面积将继续扩大约5.8×106 km2,占陆地总面积的一半以上。在全球变暖背景下,干旱区中以降水和冰雪融水补给为基础的水资源系统将会更为脆弱,冰、雪等水文要素及水资源构成发生改变,水文波动加大,水资源不确定性加剧。伴随干旱区面积扩大和干旱程度增加,干旱区水资源短缺、水体面积萎缩、生态系统退化、荒漠化程度也随之加剧,未来干旱区社会经济发展和生态安全保障将面临更严峻的挑战。这些归纳梳理所凝练出的一些综合性结论,对政府决策以及未来提出可信明确的科学认识具有一定的参考意义。

  • 青促会之地球科学领域
    段晚锁, 秦晓昊
    地球科学进展. 2022, 37(2): 165-176. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.010

    综述了我国学者近年来用非线性最优扰动方法探索热带气旋目标观测及其外场试验的主要进展,具体包括:从提高数值模式初始场精度的角度,用条件非线性最优扰动方法确定了热带气旋路径和强度预报的目标观测敏感区,并成功应用于“风云四号”气象卫星和下投探空仪台风目标观测外场试验,助力业务部门获得了宝贵资料。从减小模式误差或外强迫不确定性的角度,将非线性强迫奇异向量方法应用于探讨热带气旋强度预报的敏感性,揭示了模式误差的敏感气象要素和敏感区,以及海表温度强迫的敏感区;用集合扰动的思路识别了热带气旋快速增强过程预报的行星边界层的模式误差敏感区。讨论了目前热带气旋目标观测研究存在的问题以及可能的解决方法,展望了未来热带气旋目标观测研究应努力的前沿方向,及其在实际预报中的应用前景。

  • 青促会之地球科学领域
    王姣娥, 黄洁
    地球科学进展. 2022, 37(2): 177-186. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.011

    交通系统是人类经济社会活动的重要空间载体,在全球—区域—地方发展中不断促进各类生产生活要素与人口流动,交通—区域发展交互是人文与经济地理学研究的重要内容。在中国高速交通快速发展和“以人为本”的出行理念下,国内交通地理学在以任务带学科、多学科交叉融合、大数据挖掘与技术多元化的发展模式下,瞄准学科难点和研究瓶颈,服务国家发展需求。围绕交通—区域发展交互领域进行相关的理论与方法创新,以中国科学院地理科学与资源研究所交通地理研究团队为代表,阐明近10年来在交通地理学学科的创新发展。主要贡献在于: 高速化、网络化和复杂化视角下的交通地理学理论与方法创新; 交通系统与区域—地方互动机制; 交通大数据支持下的城市空间组织机理。基于学科理论与方法,研究成果在交通基础设施布局与区域发展、“一带一路”互联互通、新冠疫情防控与交通出行等方面进行了实践应用,为交通强国战略背景下交通地理学研究添砖加瓦。

  • “青促会成立10周年之地球科学领域”专刊
    姜大膀, 田芝平, 王娜, 张冉
    地球科学进展. 2022, 37(1): 1-13. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.098

    回顾了课题组近年来有关末次冰盛期和中全新世气候模拟分析的研究进展,包括中国气候、东亚和全球季风以及相关的主要大气环流系统等变化。多模式试验数据的分析表明,末次冰盛期中国降温和年均有效降水变化与重建记录定性一致,但模拟幅度偏弱;中国冻土区扩张、永冻土区活动层变薄,中国西部冰川物质平衡线高度降低;东亚季风变化在不同模式间差异较大,中国季风区范围和季风降水减小,北半球陆地季风区南移、全球季风区缩小和降水强度减弱共同引起全球季风降水减少;全球降水和潜在蒸散发共同减小使得全球干湿变化总体很小;北半球西风带在高层北移、低层南移,热带宽度变化依赖于指标的选取,厄尔尼诺—南方涛动气候影响、热带太平洋沃克环流均减弱并东移。在中全新世,多模式模拟的中国年和冬季偏冷仍然与大部分重建记录显示的偏暖不同;东亚冬季风增强,东亚夏季降水变化存在空间不一致性;中国和全球尺度的季风区范围和季风降水均增加;东北多年冻土退化、青藏高原多年冻土向低海拔扩张,北半球永冻土区减小、季节性冻土扩张、冻土区北退、永冻土区活动层变厚;全球干旱区面积总体变化很小;夏季东亚西风急流显著减弱并北移,厄尔尼诺—南方涛动减弱,热带太平洋沃克环流加强并西移。上述变化主要是对末次冰盛期大范围冰盖和较低温室气体浓度或中全新世轨道强迫的响应,海洋反馈起一定调制作用,植被反馈作用具有不确定性;模式与记录不一致的原因仍待深入探究。

  • “青促会成立10周年之地球科学领域”专刊
    汪嘉宁, 马强, 王凡, 刘彤, 张航, 张志祥
    地球科学进展. 2022, 37(1): 26-36. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.107

    中国科学院西太平洋科学观测网实现了对西太平洋深层西边界流的长期连续和组网观测。基于观测网获取的数据并结合模式数据,逐步摸清了深层西边界流在雅浦—马里亚纳海沟连接区季节性入侵西太平洋的路径、流量和动力机制,揭示了地形罗斯贝波引起的深层季节内振荡特征和能量来源,发现了深海与上层海洋和气候变化联系的“高速公路”,改变了以往“深海是死水、杂乱无章和非常缓慢变化”的传统认知,就该方面的创新进展进行了总结,并讨论了下一步太平洋深层环流的观测和研究设想。

  • “青促会成立10周年之地球科学领域”专刊
    李稚, 李玉朋, 李鸿威, 刘永昌, 王川
    地球科学进展. 2022, 37(1): 37-50. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.124
    摘要 (1303) PDF全文 (399) HTML (54)   可视化   收藏

    全球变暖加剧了中亚地区的干旱威胁,使得因干旱引发的水资源短缺、生态退化及跨境河流争端等问题更加突出。研究显示:过去半个多世纪,基于帕默尔干旱指数表征的中亚地区干旱程度整体变化趋势不显著,但伴随着区域的高温波动,中亚地区帕默尔干旱指数自2000年以来呈现明显下降趋势,约65%的区域表现为干旱化程度加剧,且在未来共享社会经济路径下中亚地区干旱强度持续增强。设计“去趋势”数字试验定量解析干旱指标对气候变化中各项因子的敏感性,发现气温对中亚干旱化趋势影响较大,降水变化加大了干旱的变率。从不同干旱亚类来看,中亚地区极端干旱区和干旱区面积以0.02×104和0.22×104 km2/a的速率增加,主要集中在新疆塔里木盆地北缘和哈萨克斯坦南部等地区。同时,平原荒漠区的植被蒸腾和土壤水耗散量加大,浅层土壤含水量(0~10 和10~40 cm)分别约有84%和81%的区域表现为下降趋势,导致一些依靠地下水和土壤水维系生存的、抗旱性弱的浅根系荒漠植物衰亡,生态农业干旱加剧,且水文干旱呈更加复杂的态势,研究结论为中亚地区水资源规划管理和生态保护提供科学依据。

  • “青促会成立10周年之地球科学领域”专刊
    胡石建, 李诗翰
    地球科学进展. 2022, 37(1): 51-64. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.121
    摘要 (1722) PDF全文 (928) HTML (48)   可视化   收藏

    海洋热浪对海洋环境、生态系统和经济生活具有非常重要的影响。近年来,全球气候变暖导致海洋热浪加剧,海洋热浪研究迅速发展成为一个重要的研究前沿。全面回顾了国内外海洋热浪研究的科学背景和研究现状,总结了海洋热浪的多种定义、时空分布特征、形成机制、海洋热浪对海洋环境和生态系统的影响,以及在未来全球气候变暖背景下,海洋热浪可能发生的变化趋势。此外,讨论了海洋热浪研究领域一些尚未解决的重要科学问题,并基于此展望了未来可能的研究发展方向。

  • “青促会成立10周年之地球科学领域”专刊
    薛存金, 苏奋振, 何亚文
    地球科学进展. 2022, 37(1): 65-79. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.108

    地理世界中存在一类具有产生、发展和消亡的地理现象/对象,综合对地观测技术和多源信息获取技术的发展提升了获取这种动态地理现象的能力。现行的地理时空分析方法以点、线、面、体为基本单元,以数据获取尺度为分析尺度,割裂了地理现象的时间连续性,限制了地理时空动态的分析能力。把产生、发展和消亡的动态演变抽象为地理过程,从演变过程的尺度,提出一种新的地理时空分析方法。首先,提出“地理过程—演变序列—时刻状态”的分解抽象和逐级包含的地理时空过程语义,并基于“节点—边”的图思想建立地理时空过程图表达方法和存储模型,实现地理对象(节点)和对象演变行为(边)一体化表达和存储;其次,以地理过程为基本单元,设计“地理状态对象提取—演变序列追踪—过程对象重构”的过程对象提取方法,并基于节点的出度(该节点引起其他节点变化的边的个数)和入度(其他节点引起本节点变化的边的个数)实现过程对象演变行为的识别;再次,以地理过程为分析尺度,拓展时空邻域为过程邻域、时空相似性为过程相似性,设计面向过程的地理时空挖掘方法,开展地理对象及其演变行为的时空模式挖掘;最后,以1950—2019年月尺度的太平洋海洋表面温度异常变化过程对象为例,挖掘了海洋表面温度异常变化结构及其行为,并分析了与ENSO类型之间的关联模式,验证了所提方法的可行性和适用性。

  • “青促会成立10周年之地球科学领域”专刊
    陈更新
    地球科学进展. 2022, 37(1): 80-86. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.113

    热带印度洋环流动力研究对认识海盆尺度物质和水体交换、区域乃至全球气候变化具有重要意义,亦服务于人类的生产生活。回顾了近年来基于中国科学院南海海洋研究所热带印度洋观测取得的环流动力方面的研究进展,探讨提出海洋波动桥梁概念,即:赤道波通过水平传播、垂向传播和东边界反射,在赤道上混合层、次表层和中深层调制着赤道流系的生成与变化;随着波动能量在东边界以沿岸开尔文波和反射罗斯贝波的形式往外赤道传输,赤道动力过程亦调节着外赤道的环流结构变化。作为能量传输的十字路口,海洋东边界是环流变化的动力支点。在其支撑下,海洋波动成为环流间重要的能量纽带,贡献于环流的动力联系,是东印度洋环流多尺度变化的重要内因。基于观测,初步探讨了大尺度气候模态等外因对热带东印度洋环流的影响。凝练的海洋波动桥梁动力学框架,为进一步研究热带印度洋的环流的特征、变化及影响提供科学启示。

  • “青促会成立10周年之地球科学领域”专刊
    杨晓新
    地球科学进展. 2022, 37(1): 87-98. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.122

    水体稳定同位素作为贯穿水循环的介质,是研究大气环流过程和传输路径的有效手段。介绍了水体稳定同位素技术在青藏高原大气环流研究中的应用,聚焦典型站点降水、河水和冰芯等水体稳定同位素的季节和空间变化特征,揭示了大气环流对地表水稳定同位素高程效应的显著影响,以及大气降水对地表水的主导;引入降水稳定同位素标准判断亚洲夏季风爆发时间;通过冰芯稳定同位素揭示了厄尔尼诺—南方涛动对整个青藏高原水循环的影响及其响应机制的区域差异。在未来的研究中,将加强跟地球系统模型的结合,关注水体稳定同位素在不同时间尺度的控制因子、突变过程以及激发机制,进而量化古气候替代指标中的稳定同位素变化、从较长的时间尺度上重建影响青藏高原的水汽来源的演变历史。同时关注过量氘等具有水汽来源诊断能力的参数,研究其与大尺度环流参数的相关性,从海表温度、蒸发等陆—气相互作用分析并将高原环流过程与全球环流过程紧密结合综合分析。