武汉台重力长期变化特征研究

利用武汉台超导重力仪长期连续观测资料, 结合FG5和GPS同址观测结果, 研究了重力长期非潮汐变化特征及其与局部气压和水储量变化及地壳垂直运动之间的关系. 结果表明, 超导重力仪观测的重力长期变化存在非常显著的季节性变化, 其总能量的大约70%来自于局部大气和水储量变化, 其中周年变化超过95%的能量都来自于这两种环境因素的影响. 由于缺乏区域水储量(特别是地下水)变化的实际观测资料, 采用的全球陆地水同化模型LaD和GLDAS不能客观地描述台站局部水储量的实时变化, 由此得到的重力变化与实际观测之间存在大约55 d的时间延迟. 通过与FG5绝对重力仪的对比观测获得了超导重力仪的长期漂移率为17.13 nm·s^-2·a^-1, 同址GPS观测表明台站局部区域的地壳呈缓慢沉降态势, 其沉降速率为(3.71±0.16) mm·a^-1, 与之对应的局部重力场变化为(13.88±0.22) nm·s^-2·a^-1, 即伴随着局部地壳运动的重力变化与高程变化的比值大约为-37.41 nm·s^-2·cm^-1, 表明在地壳垂直运动过程中局部伴随着比较大的物质质量调整, 其力学机制有待进一步研究.     

大气重力格林函数

具有噪声低、灵敏度高、连续性和稳定性好等特点的超导重力仪的观测精度已达0.1μGal 或更高量级,它在研究潮汐和非潮汐重力场变化信号中,特别是在地球物理学和地球动力学的应用研究中将起到十分重要的作用.在利用超导重力仪观测重力场变化的同时,还记录到台站和区域气压场变化产生的重力信号.它们通常由三部分组成、即:(1)大气质量变比引起的直接效应;(2)大气质量负荷作用下,弹性地球产生的变形效应;(3)由于变形使地球内部质量重新分布而引起的地球引潮位变化.Farrell引进了地表质量负荷重力格林函数,但当质量密度分布随高程变化时,问题要夏杂得多,我们必须重新考虑这一问题.研究表明,牛顿引力项的主要贡献来自台站近区的低层大气质量变化,而弹性地球的变形对重力场的影响部分主要来自台站远区范围的大气质量负荷效应.     

基于自由落体的牛顿万有引力常数测定

牛顿万有引力常数G是最基本的物理常数之一, 本文根据自由落体原理, 利用FG5/112型高精度绝对重力仪精确测定扰动质量产生的重力变化, 进而测得万有引力常数G. 该方法可重复性强, 通过误差控制及大量重复观测, 可提高测量精度. 通过两次实验, 得到实测万有引力常数G为(6.6665±0.0554)×10^-11 m³/(kg·s²).     

利用卫星重力观测研究近5年中国陆地水量中长空间尺度的变化趋势

重力卫星观测为研究中长空间尺度陆地水量变化趋势提供了崭新的途径. 利用近5年重力卫星GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)的时变重力场观测数据研究了我国中长空间尺度陆地水储量变化趋势. 结果显示, 我国陆地水量变化趋势幅度较大的主要有5个典型区域: 华北京津冀地区、青藏高原区域、三峡库区、青川甘交界区域以及新疆阿尔金山自然保护区. 前两个区域, 陆地水(冰)储量存在明显的减少趋势. 在华北的京津冀地区, 2003~2007年该区域陆地水量以大约2.4 cm/a的速率下降, 相当于约52亿立方米/年(河北省约45亿立方米/年), 河北省水利局统计近30年来, 该省地下水超采平均达到40亿立方米/年; 由GRACE重力卫星“捕捉”到2003年6月三峡蓄水前后库区周围12万平方公里范围内平均水量变化达到5.0 cm等效水柱高; 此外, 研究结果显示在青、川、甘三省(自治区)交界区域陆地水量具有约1.1 cm/a的增加趋势, 表明该区域气候近几年有逐渐变湿润的趋势.     

拉萨重力潮汐变化特征

重力潮汐变化是固体地球对日、月及近地行星等天体引潮力的响应,是地球内部结构和介质分布特征的综合反映,是其他全球和局部动力学过程研究的基础.本文采用拉萨台超导重力仪(SG)一年多连续观测资料,研究青藏高原地区重力潮汐变化特征.通过与LaCoste-Romberg ET20弹簧重力仪的对比观测,将拉萨的重力潮汐观测归算到武汉国际重力潮汐基准,精密确定了SG的格值为-777.358±0.136nms-2V-1,比其厂家提供的格值小2.2%.观测结果表明,拉萨台SG重力潮汐观测精度非常高,标准偏差为0.459nms-2,4个主要潮波的观测精度均优于0.006%,近周日共振特征表现得非常明显,可以作为区域重力潮汐基准,为青藏高原及其邻区重力观测提供参考.海潮负荷对拉萨重力潮汐观测的影响非常小,仅导致振幅因子不足0.6%的扰动;局部大气负荷效应没有明显的季节性特征,但对重力潮汐和非潮汐变化的观测和研究的影响非常显著,气压改正导致SG观测的标准偏差显著降低.经过海潮和局部气压负荷改正以后,拉萨台SG重力潮汐观测与理论模型之间仍然存在大约1%的差异,可能与青藏高原活跃的构造运动和区域巨厚的地壳有关,当然,要得到确切的结论还有待观测资料的长期积累和相关理论研究工作的进一步深入.     

2014～2016年El Ni?o期间全球平均海平面的年际变化及全球水循环的贡献

自1993年以来,卫星测高的结果显示全球平均海平面(global mean sea level,GMSL)以3 mm/a左右的平均速率上升,并伴随着明显的年际变化.2002年成功发射的重力卫星(Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE)通过高精度测量两颗卫星之间的距离变化(微米级精度)反演全球陆地水时空变化,为全球平均海平面变化的成因分析研究提供了观测基础.综合利用卫星测高、GRACE卫星重力、海水温盐Argo浮标数据,详细分析了2010~2016年La Ni?a和El Ni?o期间GMSL年际变化和年际尺度上陆地水的贡献.结果显示,从2010年开始进入La Ni?a到2011年La Ni?a达到鼎盛期GMSL下降了7.6 mm,其中海水质量减少贡献了5.1 mm;2011~2013年GMSL快速上升了19.2 mm,相应海水质量的增加贡献了12.3 mm;2014~2016年强El Ni?o事件使得GMSL上升了15.1 mm,其中海水质量增加对GMSL的贡献达13.6 mm,该时期海水质量变化是GMSL年际变化的主导因素.同时采用卫星重力正演方法(Forward Modelling,FM)分别研究了澳大利亚+东南亚区域、南美洲区域、北美地区、南极+格陵兰区域的陆地水储量变化,结果表明:2014~2016年El Ni?o期间全球海水质量的增加主要来自于澳大利亚+东南亚区域、南美洲区域陆地水减少的贡献.     

GPS,OBP和GRACE估计地球动力学扁率变化及其地球物理激发

行星地球是一个旋转的扁椭球体,其动力学扁率(即J2)变化主要由地球系统物质流动和各圈层相互作用引起.目前国际上地球动力学扁率测定主要用卫星激光测距(SLR)资料得到,然而SLR地面观测台站少,南北半球分布不均,且不是连续观测,以及受动力学模型和常数等影响.尽管新一代重力卫星(GRACE)观测大大提高了地球重力场球谐系数低阶项一两个数量级,但对二阶项C20不敏感.本文利用全球连续GPS观测得到的地表负荷位移估计地球动力学扁率J2,并联合GPS与海底气压(OBP)以及OBP和GRACE资料分别估计地球动力学扁率J2,比较和分析地球动力学扁率多尺度变化特征及其机理.结果发现GPS单独估计结果振幅偏小,GPS+OBP,GPS+OBP+GRACE和GRACE估计J2周年变化与SLR结果非常接近.而J2半周年变化,GRACE估计相对较差,主要由于GRACE资料处理没有很好扣除约161天的S2潮汐影响.另外,GPS+OBP和GPS+OBP+GRACE估计J2季节内和年季变化与SLR结果较一致,而GRACE和GPS单独估计结果与SLR结果偏差较大.并进一步利用地球物理模型资料研究对J2变化的贡献,结果表明,地球动力学扁率J2季节性、季节内和年季变化主要由大气、海洋和陆地水地表流体质量重新分布和迁移激发.     

利用小波技术检测重力亚潮汐频段的特征信号

基于武汉国际重力基准站超导重力仪长度为5年的重力潮汐观测资料, 利用小波分析技术检测和研究了重力亚潮汐频段与地球内核平动振荡有关的特征信号. 对观测信号扣除合成潮和气压效应 后得到的重力残差实施分析, 结果表明在4~6 h频段上存在着nGal量级的重力振荡信号. 但发现这种振荡信号的频率和振幅具有随时间变化的特征, 分析表明这些信号可能被某种小幅度的非连续源激发所致.     

中国陆域干旱演变预估及其生态水文效应

全球变暖改变了大气圈、水圈、陆地圈与生物圈的水文生物地球化学循环过程,对降水、大气湿度、陆地水储量等气象水文要素及生态系统生产力产生显著影响.现有研究较少采用陆地水储量预估未来旱情,也未能量化水热通量和生态系统碳收支对干旱的响应机制.本文首先基于GRACE/GRACE-FO重力卫星识别中国陆域干湿状况,采用大气再分析、机器学习重构和通量观测等多源数据评估对流有效位能、水汽辐合通量、生态系统总初级生产力等水-热-碳因子对干旱事件的反馈效应;然后基于ISIMIP2b框架下全球气候模式集合,考虑3种代表性浓度路径,结合动态植被模型、全球水文模型和陆面模式,预估未来陆地水储量及旱情演变特征;最后,探讨气候变化下干旱对生态系统生产力的影响,并量化干旱预估各环节的不确定性.研究发现,陆-气耦合作用与旱情演变具有复杂的互馈效应, 21世纪末中国干旱历时和烈度可能大幅度增长;旱情加重影响了中国大多数陆域的生态系统净生产力,未来生态系统碳汇对干旱的调控功能减弱,且较高碳排放情景下植被受干旱胁迫影响造成的固碳下降现象更加严峻.     

用一年生植物研究大气Δ14C 分布与化石源CO2排放

利用加速器质谱(AMS)技术, 通过测量北京地区一年生植物放射性碳同位素(¹⁴C), 系统分析了2009 年5~9 月北京地区大气Δ¹⁴C 水平和化石源CO₂浓度分布. 研究结果表明, 北京地区大气Δ¹⁴C最高值为29.6‰±2.2‰, 最低值为-28.2‰±2.5‰, 表现出远郊-近郊-市区依次递减趋势, 这与由人类活动(人口密度、交通流量等)引起的化石源CO₂ 排放增加呈相反的变化趋势, 即人类活动频繁地区大气Δ¹⁴C值较低. 2009 年5~9 月北京地区大气化石源CO₂浓度变化范围为(3.9±1.0)~(25.4±1.0) ppm, 每排放1 ppm 化石源CO₂可使大气Δ¹⁴C水平下降~2.70‰. 用AMS 测量一年生植物¹⁴C这一方法, 为快速示踪大气化石源CO₂浓度提供了有效手段.     

瞬态吸收光谱研究水相中三丁基锡与·OH自由基反应机理

利用355 nm激光闪光光解技术研究了无氧和氧饱和两种条件下三丁基锡与亚硝酸水溶液的紫外光解反应. 实验表明,·OH自由基攻击三丁基锡阳离子(SnBu₃⁺)的正丁基生成SnBu₃⁺·OH 加合物, 其二级生成速率常数为(1.05±0.07)×10¹⁰ L·mol^-1·s^-1. SnBu₃⁺·OH 加合物在无氧时发生一级衰减, 其衰减速率常数为(3.50±0.32)×10⁵ s^-1; 氧饱和时, SnBu₃⁺·OH 加合物衰减速率比无氧时要快很多, 表明SnBu₃⁺·OH 加合物能迅速与O₂发生反应, 生成SnBu₃⁺·OHO₂ 加合物. 根据实验结果和动力学推导得到其二级生成速率常数为(6.4±1.3)×10⁸ L·mol^-1·s^-1.     

内核平动三重谱线的实验探测

固态内核的平动振荡是地球基本简正模之一, 又称为Slichter模, 由于地球的自转和椭率, 该简正模将会出现谱峰分裂现象, 产生三重谱线. 根据Slichter模的谱峰分裂特征, 采用全球地球动力学计划观测网中全球分布的6台超导重力仪(SG)的同步、长期、连续观测资料的积谱探测Slichter三重谱线存在的可能性. 分析结果表明, 在Slichter三重谱线可能出现的亚潮汐频段(0.162~0.285 cph), 6台SG观测平均噪音水平为0.0158 nm/s², 可观测到全球谐信号的振幅为0.0152 nm/s2; 说明如果Slichter模存在, 就有可能被全球SG识别. 在全球SG观测中发现了周期分别为5.310, 4.995和4.344 h的一组全球谐信号, 恰好符合Slichter模的谱峰分裂特征, 意味着这组信号有可能来自于内核的平动振荡, 由此可以推断内外核边界的密度差介于PREM和1066A地球模型提供的相应数值之间.     

湿热山地丘陵流域化学风化过程的碳汇估算

通过对地表化学径流组成的分析, 应用化学物质平衡法和扣除法对增江流域化学风化过程产生的大气CO₂ 吸收通量进行估算. 结果表明: 在碳酸盐岩地层不纯且分布面积较少的增江流域, 径流溶解质主要由HCO₃^-, Ca²⁺, Na⁺和溶解性Si 组成; 硅酸盐矿物的化学风化过程是增江河流溶解质的主要来源, 其次是碳酸盐矿物化学风化过程的贡献.大气CO₂ 是增江流域岩石化学风化的主要侵蚀介质. 增江流域岩石化学风化过程对大气CO₂ 的吸收通量是(3.50~3.81)×10⁵ mol km^-2 a^-1, 仅比热带-亚热带玄武岩和碳酸盐岩流域低, 高于温带-寒温带流域化学风化过程对CO₂ 的吸收通量. 受湿润季风环流影响的北半球中低纬度带地表化学风化过程构成全球生物地球化学循环的一个重要碳汇.     

利用CLM模拟陆面过程中稳定水同位素季节变化

将稳定同位素作为诊断工具引入CLM(Community Land Model), 并对巴西马瑙斯站在平衡年的不同水体中稳定同位素的季节变化进行了模拟和分析, 旨在通过对陆面过程中稳定水同位素的模拟试验, 了解陆面过程中稳定水同位素的循环过程, 以补充观测资料之缺乏, 并最终利用稳定同位素的变化特性进行水文气象过程的预测. 模拟的结果表明, 降水、水汽和地表径流中的δ¹⁸O均存在显著的季节性变化, 并与相应的水量存在反比关系. 与IAEA/WMO监测数据相比, CLM的模拟基本上揭示了降水中δ¹⁸O的实际分布特征. 另外, 模拟的月降水量与月δ¹⁸O之间的降水量效应以及大气水线(MWL)均接近实际状况. 这在一定程度上说明, 引入稳定同位素效应的CLM的模拟是合理的. 但也看到, 模拟的降水中δ¹⁸O的季节差异明显小于实际值, 降水中δ¹⁸O的季节变化展示了赤道地区理想的双峰型特点, 但实际的分布却是单峰型. 这些差异的产生可能与CLM本身的模拟能力有关, 也可能与强迫资料的准确性有关.     

西藏地热异常区CO2 脱气研究: 以朗久和搭格架地热区为例

地球CO₂ 脱气作用在长时间尺度上对大气CO₂ 浓度有着巨大的影响, 是全球碳循环模型的重要组成部分. 西藏地区独特的构造条件形成大量水热异常区, 为研究热液运移过程中CO₂ 脱气作用提供了绝好的条件. 通过对朗久和搭格架地热异常区地质环境、水汽特征的研究表明两区热液组成成分均由钾长石和钠长石控制, 但出露温泉水朗久地区为Na-Cl 型, 搭格架地区为Na-HCO₃ 型. 两个地热田温泉水中CO₂ 分压模拟结果显示温泉水在从含水层向地表迁移过程中发生脱气作用. 通过对朗久地热田和搭格架地热田不同CO₂ 脱气机理的研究, 分析出不同的CO₂ 脱气量计算公式并计算出朗久地热田CO₂ 的脱气通量约为3.6×10⁶ kg km^-2 a^-1, 搭格架地热区CO₂ 的脱气通量约为3.3×10⁶ kg km^-2 a^-1.     

基于全球超导重力仪观测资料考虑液核近周日共振效应的固体潮实验模型

基于全球地球动力学合作观测网络20个台站28个系列的高精度每分钟高密度采样超导重力仪观测数据, 精密测定了地球液核近周日共振参数(包括共振周期, 共振强度和品质因子). 研究了共振周期与理论值间的差异, 用重力手段证明了真实地球液核动力学扁率要比流体静力平衡假设下获得的动力学扁率大约5%的重要结论. 构制了考虑液核共振效应的重力固体潮汐实验模型, 3个实验模型间的差异小于0.1%, 与目前广泛使用的Dehant(1999)和Mathews(2001)理论模型间的最大差异仅为0.4%, 可为全球固体潮、大地测量研究和空间技术等提供最新的重力潮汐实测参考模型.     

马脾铁蛋白磁性纳米颗粒的低温磁学性质研究

系统地认识铁蛋白内核磁性纳米颗粒的磁学性质, 对于建立和完善以铁蛋白为基础的磁共振成像技术以及环境磁学研究具有重要意义. 马脾铁蛋白具有反铁磁性的纳米内核. 结合透射电子显微镜和低温磁学测量技术, 研究马脾铁蛋白内核的磁学性质与温度、外加磁场大小、内核粒度以及观测频率之间的关系. 在5 K 下, 等温剩磁获得曲线(IRM)和直流退磁曲线 (DCD)的交点(R=0.46)表明铁蛋白颗粒间具有很弱的静磁相互作用. 磁滞回线、磁化率和剩磁结果都一致地表明, 室温条件下铁蛋白纳米颗粒表现为超顺磁性, 在低于其阻挡温度T_b(~12 K) 时, 由于纳米颗粒表面出现未补偿自旋磁矩或者由于内部晶格缺陷而产生未补偿磁矩, 铁蛋白会呈现出寄生铁磁性和反铁磁性两种特征, 因而具有载磁能力和磁滞现象, 出现稳定单畴(SD) 的性质. 超顺磁性铁蛋白的热弛豫过程遵循Néel-Arrhenius 方程, 通过频率(AC)磁化率计算获得马脾铁蛋白颗粒的平均有效能垒E_a 为(5.52±0.16)×10⁻²¹ J; 磁各向异性能常数K_eff 为 (4.65±0.14)×10⁴ J/m³; 前指数频率因子f₀ 为(4.52±2.93)×10¹¹ Hz. 这些新结果对于深入理解纳米尺度的反铁磁性颗粒的磁性机制以及在医学上的潜在应用都具有重要意义.     

中、比、法三国超导重力仪潮汐观测资料综合对比分析与研究

综合分析了中国武汉、比利时布鲁赛尔和法国斯特拉斯堡３台超导重力仪近２７ａ的长 列观测数据,获得了不同台站观测资料的重量因素,精密测定了地球潮汐常数。文章对用不同引潮位展开、考虑加权滤波、做气压改正、删除错误数据以及规定数据段均方差上限等问题进行了讨论。利用全球海潮模型对分析结果进行了负荷改正,研究了观测残差和气压变化间的相关性,在时间和频率域内测定了大气重力导纳值,并研究了导致与标准地球潮汐模型间     

基于国际超导重力仪观测资料检测地球固态内核的平动振荡

基于全球分布的14个台站GWR超导重力仪21个高精度潮汐重力观测系列(约86年), 检测了地球固态内核平动振荡现象. 将观测数据分成G-Ⅰ组(8个较长观测系列)和G-Ⅱ组(13个较短观测系列). 首先对各台站每分钟原始观测数据实施仔细修正, 消除由地震和电脉冲等导致的错误数据和大气变化等干扰影响, 再扣除理论潮汐重力信号获得观测残差. 然后分别对各残差系列做Fourier谱分析, 最后基于多台站资料迭积技术, 求得亚潮汐频段上的积谱密度估计. 在进一步消去剩余气压效应后, 检测到8个公共谱峰. 计算了这些谱峰的本征周期、品质因子和共振强度. 数值结果说明其中3个公共谱峰的本征周期与Smith理论值间的最大差异小于1.0%, 这种一致性说明了利用高精度地表重力观测可检测到固态内核的动力学现象. 还检验了数值计算的可靠性, 对地球自转和椭率可能导致的谱峰分裂现象进行了简要的探讨.     

长江下游悬浮物Sr-Nd 同位素组成的季节性变化与物源示踪

对长江悬浮物的物源进行示踪研究是认识长江演化、亚洲季风演化和青藏高原隆升的途径之一. 通过对长江下游南京段悬浮物的季节性采样, 系统地分析了悬浮物的Sr-Nd同位素组成. 结果显示, 长江下游悬浮物中酸不溶物的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值在0.725352~0.738128 间变化,ε_Nd(0)值的范围为-10.55~-12.29, Sr-Nd 同位素组成呈现出明显的季节性变化, 夏季洪水期相对于非洪水季节有较低的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值和较高的ε_Nd^N(0)值. 研究表明长江下游悬浮物Sr-Nd 同位素组成的季节性变化主要受物源变化控制. 在季风气候影响下, 长江上游地区物理剥蚀强度的变化是造成下游悬浮物Sr-Nd 同位素组成季节性变化的主要原因. 这一发现,为进一步应用Sr-Nd 同位素方法来研究地质历史时期长江沉积记录提供了重要的参考. 同时, 计算得出长江悬浮物酸不溶物Sr 和Nd 同位素组成的入海特征值为⁸⁷Sr/⁸⁶Sr= 0.728254,ε_Nd(0)= -11.26.