化能自养微生物的固碳功能及人工调控策略

生物固碳是地球碳循环过程的重要组成部分,也是控制碳排放的有效方法.在海洋深处、水体沉积物、地表土壤甚至极端环境中,化能自养微生物可通过硫化物、氨、氢气等还原性物质的氧化获取化学能固定无机碳.诸多研究表明化能自养微生物的固碳功能对吸收大气、海洋、湿地、土壤和极端环境中的CO₂具有重要作用,特别是对深海、湖泊深层等无光环境以及深海热液区等极端生境中初级生产的重要贡献.然而,目前区域生态系统碳汇核算模型的建立普遍忽视了化能自养微生物类群及固碳潜能,低估自然生态系统实际碳汇能力.本文基于化能自养微生物固碳研究的现状,阐述了化能自养微生物在不同生态系统中的固碳潜能,介绍了参与化能自养固碳过程的主要微生物类群的代谢特征及固碳途径,重点分析了基于固碳途径和能量代谢提升自养微生物固碳效率的人工调控策略及应用进展.最后,本文对区域生态系统化能自养微生物碳汇功能的精准量化、开发人工增汇技术等未来研究方向进行了展望,为认识和调控化能自养微生物驱动的自然碳汇过程,助力实现“双碳”战略目标提供参考.     

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.     

建筑蓄热原理及其设计参数

建筑蓄热是解决建筑热流作用不稳定的核心,通过建筑设计的方式,将建筑部件的“削峰填谷”效应与其他因素耦合,使建筑对热流的调控作用最大化,实现对室内热环境的优化.本文对建筑蓄热相关概念做了辨析,将“建筑蓄热”与“围护结构蓄热”,“保温”与“隔热”,“热惰性”、“热质量”以及“热惰性指标”等相似概念进行区分,总结了建筑蓄热的作用原理和基础模型,揭示了各向异性太阳辐射多过程传输与转化形成的“双高波谷温度波”效应,和部件蓄热、自然通风与长波辐射降温多种热作用形成的“双低波峰温度波”效应,提出了能够表征建筑系统蓄热能力的指标参数.通过对蓄热问题历史发展背景的挖掘和对相关研究现状的梳理,总结了我国在建筑蓄热研究中存在的问题.建筑蓄热在不同气候条件下的应用潜力差异显著,将相关气候指标应用到建筑热工设计分区之中是当务之急;建筑热工设计过度追求构件高指标,实际则是建筑整体低性能,亟需构建以建筑蓄热为代表的热工设计综合指标体系;亟需加强建筑蓄热基础理论研究,强化建筑蓄热与建筑设计之间的联系.     

DNA纳米技术应用于水环境污染示踪

水环境污染是当前人类社会所面临的严峻挑战之一,阻碍了全球生态环境和社会经济的可持续发展.潜在污染源众多和水文地质条件的复杂性导致对污染源追溯、污染范围界定和污染程度量化等问题的研判十分棘手.针对这些难题,已发展了多种水环境污染物迁移示踪系统,例如离子化合物、有色染料和同位素等,这些示踪系统的应用对水环境污染治理起到了重要的推动作用.近年来,快速发展的基于脱氧核糖核酸(deoxyribo nucleic acid,DNA)纳米技术的示踪方法(DNA示踪技术)逐渐崭露头角,其是应用DNA片段作为特异性标记物进行水环境污染示踪.与已有的示踪技术相比, DNA示踪技术具有示踪剂数量巨大、特异性强、检测灵敏、运移及降解特性可控和环境友好等诸多优势,是极具潜力的新一代示踪技术. DNA示踪技术的研发与应用集成了生物化学、材料科学、环境工程和水文地质等多学科知识,是典型的交叉研究领域.为促进DNA示踪技术体系的长足发展以及水环境污染防治能力的不断增强,本文重点阐述了DNA片段作为水环境污染示踪剂的原理与方法,全面梳理了DNA示踪技术体系的发展脉络,总结探讨了DNA示踪技术在水环境污染示踪研究中的典型...     

多源卫星高度计新融合产品的研发与评估

卫星高度计在海洋环流观测、海平面变化分析和海洋环境预报等多个研究和业务领域得到广泛应用.当前在轨运行的高度计卫星已达5颗(Sentinel-3A、Jason-3、Cryosat-2、Saral/Alti Ka以及HY-2A),观测精度不断提高,但卫星高度计融合产品的有效分辨率(可分辨海面涡旋的最小尺度)仍需进一步提升.本研究以变分原理为基础,改进背景场、背景误差协方差矩阵以及观测误差,建立一种新的多源卫星高度计资料融合方法.以南海及其附近海域为目标区域,在格距为0.08°的规则网格上,融合所有在轨运行的5颗卫星高度计的沿轨数据,得到逐日融合产品.评估分析表明:新方法得到的融合产品的有效分辨率达到125 km左右,与国际上广泛应用的AVISO产品相比(格距0.25°,有效分辨率240 km),有效分辨率提高近一倍,融合产品的精度进一步提高,可用于描述更小尺度的海洋环流结构.     

太赫兹光热电探测方法研究进展

太赫兹波拥有独特的物理特性,在安检成像、通信、无损检测和生物医学等许多领域具有广阔的应用前景.在太赫兹探测系统中,太赫兹探测器是直接影响系统性能的核心器件之一.目前,室温太赫兹探测方法主要分为电子学方法和光热探测方法两类.受制于器件的截止频率,电子学方法难以应用于中高频段太赫兹探测;受制于器件较慢的响应速度,光热效应方法通常难以应用于高速太赫兹探测.光热电探测方法是最近十几年发展的光探测方法, 2014年之后成为太赫兹探测领域的研究热点.相较于电子学方法和传统的光热探测方法,光热电探测方法具有大带宽、零偏压、高速、室温工作等明显优势,非常具有竞争力.本文综述了太赫兹光热电探测技术的最新研究进展,阐述了光热电效应的基本原理和光热电太赫兹探测器的主要性能参数,在此基础上分析总结了太赫兹光热电探测器主要实现方法和研究现状,并对其未来发展方向进行了展望.     

碳纳米管填充聚合物基导热复合材料的研究进展

电子器件的集成度不断提高,对相关的热管理系统提出了更高的要求.高导热材料在热管理领域起着重要的作用.高分子聚合物因其轻质、廉价、良好的绝缘性和加工性,已成为制备导热材料的热门选择.在聚合物中填充高导热的无机填料是提高导热性能的有效手段.碳纳米管是一种具有一维管状结构和优异热学性能的碳纳米材料,在填充型导热复合材料中具有广阔的应用前景.本文综述了以碳纳米管为导热填料提升聚合物基复合材料导热性能的可行措施,分析了碳纳米管的本征结构以及在聚合物基体中的分布状态对复合材料导热性能的影响.最后,总结了碳纳米管填充聚合物基复合材料研究中仍需解决的关键问题,并提出了未来研究方向.     

大容量风电机组用66 kV干式绝缘升压变压器设计

大规模海上风电开发成为当前可再生能源发展的必然趋势,海上风电已从近海走向远海,风电机组(简称风机)容量达8 MW以上.升压变压器将风机出口电压由0.69～1.4 kV升至35 kV及以上,是风电系统的核心装备.远海风电离岸距离50 km,升压变压器的电压需提升至66 kV及以上,因66 kV干式绝缘升压变压器属产品空白,目前普遍采用油浸式变压器.相比油浸式技术,干式绝缘变压器火灾风险低,防爆性能好,易于维护.但传统的环氧树脂浇注干式绝缘变压器技术因存在界面缺陷难以调控而导致局部放电问题,难以应用于66 kV升压变压器.本文提出了一种66 kV/10 MVA干式绝缘升压变压器设计方法,通过对高压绕组绝缘机理的分析,提出了融合半导电屏蔽层和导线绝缘层的高压绝缘屏蔽导线多层共挤设计方法,替代传统绕包电磁线的设计,可实现对导体界面缺陷的屏蔽,以及导线绝缘与高压绕组主绝缘的充分相容,有效解决了绝缘界面缺陷抑制难题.设计了66 kV/10 MVA升压变压器结构,高压绕组具有沿面伞裙结构,可实现紧凑空间的高爬电距离设计.通过对变压器的电场、磁场和热场等多物理场仿真分析,获得了电场、磁场和热场分布特性...     

钠离子电池关键材料研究及工程化探索进展

“双碳”背景下,钠离子电池因成本低廉、安全环保和性能优异等优点受到社会各界的重点关注.低成本的钠离子电池是锂离子电池的有益补充,并将在储能领域展现自己的独特优势,现阶段钠离子电池正处于由实验室探索到产业化推进的关键节点.本文简要介绍了钠离子电池的研究背景,重点介绍了中国科学院物理研究所在钠离子电池关键材料(正极、负极和电解质)、基础理论和工程化探索方面取得的重要进展,对钠离子电池的未来发展方向进行了展望,以期推动钠离子电池的持续发展,加速钠离子电池的商业化应用.     

螺环基闭合环状结构化合物的研究进展

螺环基闭合环状结构化合物是一类以螺环芳烃作为构筑单元形成的闭合环状结构的化合物,主要包括大环、共价有机框架(COF)、金属有机框架(MOF)等.此类化合物拥有规整的环状结构、可调的尺寸和形状、丰富的空间构象及光学活性等特点,在传感、药物输送、吸附、分离、光学器件、分子识别等领域有着广泛的应用.根据它们空间维度的不同,可以分为零、一、二、三维螺环基闭合环状结构化合物.本文综述了近年来螺环基闭合环状结构化合物的研究进展,重点介绍了这类化合物的结构特性、合成方法、性能表征以及应用,将为化学、材料科学、生命科学、有机光电子等领域设计和制备具有更多功能的新材料提供强有力的支持.     

数据驱动的锂离子电池全生命周期状态参数评估

机器学习作为人工智能核心技术之一,通过对当前数据的学习找出复杂问题之间的关系而被广泛应用,机器学习作为研究锂离子电池状态参数估计的新技术,相关报道也层出叠见.本文首先回顾了传统模型中的电化学模型和等效电路模型在电池状态估计的研究进展;然后基于这些模型当前的局限性,回顾、分析、比较了不同机器学习模型在电池状态参数估计中的应用进展及取得的成绩;最后指出了当前基于数据驱动的人工智能方法在锂离子电池状态参数评估过程中所面临的问题,并对未来发展提出了建议.     

池沸腾强化传热中的三维瞬态热传导反问题

回顾了近年来在池沸腾实验过程中衍生出的三维瞬态热传导反问题和相关计算方法的研究,提出了基于制定优化问题的Tikhonov正则化法和迭代正则化法来求解相关的反问题.在对前者的研究中,一种基于模型函数策略的改进Tikhonov正则化法被开发和用于快速估算最优正则化参数,从而加速整个反问题求解过程.对于后者,针对工程上可获得的高分辨率测量数据与有限微热电偶测量数据两种情况,开发了基于共轭梯度法的迭代正则化策略对相关反问题进行求解.近期,针对使用薄加热箔表面这一特殊池沸腾实验提出了一种新的两步直接法.该方法不需要求解大量由偏微分方程约束的优化问题,而是通过近似重构偏微分方程模型的Dirichlet边界条件,将不适定的反问题转化为一个适定的,易于求解的正问题.这种方法在计算效率方面具有优势.此外,在数值计算方面,由于实际实验的非均匀测量配置以及待估算的表面沸腾热流密度在空间和时间尺度上具有发生快速变化的特性,提出了一种新的随时间变化的有限元网格自适应细化策略来进一步加快反问题求解过程.该策略的准确性与效率通过几个典型工程案例得到了验证.基于此,在一个实际单泡核沸腾实验中重建了环状沸腾热流密度模式...     

基于热电转换的超级电容器性能及应用研究进展

超级电容器是一种具有良好应用前景的储能器件,因具有优良的电化学性能以及可进行便捷的热电转换而被广泛应用于电子产品、汽车制造等领域.本文基于超级电容器热电转换功能,简要介绍了超级电容器的种类及工作过程中发生的热诱导效应,综述了在热电转换时超级电容器性能的研究进展.最后,总结了超级电容器在热电转换方面的应用并对其发展方向进行了展望.     

一种提高积雪深度估算精度的D-InSAR方法

积雪深度(雪深)是反映积雪时空变化规律的重要参数,是全球及区域气候变化与水文循环等研究不可或缺的观测变量.差分合成孔径雷达干涉(differential interferometric synthetic aperture radar, D-In SAR)技术利用降雪前后微波穿透积雪层形成的差分干涉相位与雪深建立几何函数关系,被广泛地应用于区域小尺度雪深估算研究.然而,其估算精度受干涉像对相干性、局地地形和积雪介电常数等因素的影响.本研究基于高分辨率Sentinel-1 SAR数据,通过引入高相干系数区域、Sentinel-2光学影像、Google Earth影像和地表覆盖类型选取地面控制点优化雪深差分干涉相位解缠精度,利用卫星局地入射角和实测积雪密度降低斜距-相位关系模型经验误差,估算得到青藏高原东北部八宝河流域2021年消融期雪深时空分布,同时根据卫星同步积雪实测资料详细探讨了雪深估算误差来源.122个地面雪深实测数据(气象站点+野外测量)验证结果表明,优化后的D-In SAR差分干涉处理能提高雪深估算精度, RMSE为3.9 cm, MAPE为20.03%, R²     

大气环境中微塑料分布与迁移及生态环境影响研究进展

新兴污染物微塑料广泛分布于水体、陆地和大气环境中,大气中的微塑料研究起步较晚,但其潜在生态环境影响的范围更广.本文以2015年以来发表的大气微塑料相关文献为基础,对室外环境大气与室内大气中微塑料的分布、来源、迁移过程和生态环境影响进行了系统的综述.研究表明,大气微塑料已分布于全球大气中,其分布特征与室内外环境、下垫面类型和污染扩散等环境因素相关.大气环境中微塑料主要来源于塑料制品的生产、使用和回收过程,少量来源于陆地和海洋中积累的微塑料.值得关注的是,新冠肺炎疫情中口罩的使用可能加重了大气中的微塑料污染.微塑料在大气环境中可发生悬浮、沉降和扩散等迁移过程,并受到微塑料形态、风力、风向和降水等因素的影响.微塑料在大气中的扩散,也称大气传输,是全球塑料循环的重要一环.目前多采用混合单质点拉格朗日集成轨迹模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory, HYSPLIT)进行后向轨迹模拟以研究其扩散路径,主要通过统计沉降量并结合空气动力学模型估算其传输量.大气中的微塑料能够影响区域大气环境质量,可能通过影响热收支和水循环等因...     

催化臭氧净水过程中催化材料晶面的作用

非均相臭氧催化氧化(heterogeneous catalytic ozonation, HCO)技术在难降解有机物去除和提高废水可生化性方面应用广泛.非均相金属氧化物是稳定有效的HCO材料.通过晶面调控手段,可改变金属氧化物催化材料表面原子排列顺序,从而暴露出特定晶面.晶体暴露的晶面种类与比例可显著影响HCO过程中臭氧(O3)分解、污染物降解及消毒副产物生成效率.本文在实验结果和理论研究进展的基础上,系统综述了晶面调控HCO催化材料的合成方法与控制机理、强化HCO过程的增强机理以及其在水处理中的应用,如污染物降解、灭菌及副产物毒性抑制等.最后,针对晶面调控HCO催化材料现有研究的不足和实际应用所面临的挑战,从机理探索和材料开发两方面进行了展望.     

下荆江急弯段凸冲凹淤演变过程与机理

三峡工程运用后,下荆江急弯河段出现凸冲凹淤的弯道演变现象,威胁防洪与航运安全.下荆江8个弯道为急弯(相对曲率B/R>0.5), 6个急弯段的弯顶上游区域发生了明显的凸冲凹淤过程,且主要表现为凸岸边滩冲刷下切、河岸持续崩退,凹岸深槽回淤并形成长条形心滩,导致断面形态由不对称的三角形变为W形.本文采用水沙及实测流场资料,从水流流速重分布、来沙组成变化及河岸土体组成等3个方面研究了急弯段凸冲凹淤的演变机理.结果表明:(1)急弯段水流流速重分布规律有利于弯顶上游凸冲凹淤现象的形成,在弯顶上游段流速分布主要受曲率变化控制(贡献率占67%),导致主流长期偏靠并冲刷凸岸,凹岸流速较小且易形成水流分离区,利于泥沙落淤;(2)由于上游来沙量减少约82%,细沙比例减小,粗沙比例增加,导致弯顶上游凸岸边滩冲刷后,无法及时回淤,故凸岸边滩总体呈冲刷下切趋势,但粗沙可在流速较小的凹岸侧落淤形成心滩;(3)在凸冲凹淤过程长期作用下,河床横比降减小,曲率变化对流速横向分布的贡献率增大,主流继续向凸岸摆动,进一步促进了凸冲凹淤过程的发展.因此,在水沙条件相对稳定的情况下,下荆江急弯河段凸冲凹淤过程会继续发展,在...     

科希斯坦-拉达克弧及其周缘地块的古地磁学研究进展

对于科希斯坦-拉达克弧在印度-亚洲碰撞前的构造属性,学界存在两种不同的认识:陆缘弧和洋内弧.厘定其构造属性,将直接关联新特提斯洋古地理重建方案,对进一步解析印度-亚洲碰撞时间、位置和方式,以及恢复亚洲大陆构造变形历史等具有重要科学意义.本文在总结白垩纪至古新世科希斯坦-拉达克弧及其周缘地块古地磁数据的基础上,主要从古地磁学的视角,重建科希斯坦-拉达克弧及周缘地块的时空构造格局,厘定科希斯坦-拉达克弧的构造属性.在晚白垩世,喀喇昆仑地块与拉萨地块西缘的古纬度一致,两者基本稳定位于亚洲大陆南缘;科希斯坦-拉达克弧在90 Ma位于南半球赤道附近,而在64 Ma已经向北漂移到北半球低纬度地区;特提斯喜马拉雅在75 Ma左右作为印度被动大陆边缘,其中部和东部分别位于16.7°和19.4°S.在64 Ma科希斯坦-拉达克弧与拉萨地块西缘之间仍然被南北向宽度约为900 km的洋盆所分隔,意味着科希斯坦-拉达克弧为洋内弧.在重建印度-亚洲碰撞系统时,综合考虑特提斯喜马拉雅及科希斯坦-拉达克弧的古地磁数据,构建了印度-亚洲三阶段碰撞模型.该模型不仅协调了一系列地质证据,还为新特提斯洋古地理重建及亚洲陆内...     

糖尿病预防研究的创举:大庆糖尿病预防研究36年回顾

糖尿病前期是血糖介于正常范围和糖尿病诊断标准之间的一类高血糖状态,该人群每年有5%～10%的风险会进展为糖尿病,终身患糖尿病的风险达70%.糖尿病是全球五大慢性病之一,每年造成近万亿美元的卫生支出.我国糖尿病患者数量和因糖尿病死亡数量均位居全球首位,且未来30年数量仍将增长,预防糖尿病刻不容缓.大庆糖尿病预防研究是世界上开始时间最早、干预时间和随访时间最长的通过改变生活方式预防糖尿病的随机对照研究,与美国糖尿病预防项目、芬兰糖尿病预防研究共同被誉为糖尿病一级预防领域的里程碑式研究,自1986年至今已有36年历史,首次提供通过改变生活方式可以预防糖尿病的强有力证据,并进一步证明生活方式干预在干预结束后能持续降低30年糖尿病发病风险和相关并发症(如视网膜病变、心血管疾病)及其死亡的发生风险,甚至延长1.44年的寿命,为糖尿病防控工作提供了科学证据.随着人口老龄化进程加快和人均预期寿命提高,糖尿病相关疾病负担日渐加重,学习和借鉴大庆糖尿病预防研究为应对当前糖尿病挑战具有重要意义.为此,本文对大庆糖尿病预防研究的时代背景、研究设计、主要成果和贡献做系统介绍与回顾,并对未来的糖尿病预防研究方向进...     

2021年7月河南极端暴雨过程概况及多尺度特征初探

2021年7月17～22日,河南省发生了致灾严重的极端暴雨过程,气象观测站最大6日累积降水量为1122.6 mm(鹤壁市),最大小时雨强高达201.9 mm(郑州市),突破了中国内陆小时雨强历史纪录.利用气象雨量站、探空和多普勒天气雷达等观测资料以及ERA5再分析资料对极端暴雨概况和多尺度特征进行了初探.结果表明,此次极端暴雨过程是在对流层高、中、低层以及中、低纬度多尺度大气系统共同作用,并叠加地形影响下产生的:(1)西南季风将南海的水汽向西北太平洋输送并经由热带气旋“烟花”向北抽吸,西北太平洋上的水汽经“烟花”北部的偏东低空急流和异常偏北偏强的副热带高压西南缘的东南气流向河南输送;这条异常的东进河南的热带气旋远距离接力水汽输送通道导致河南可降水量正异常.(2)对流层高层,河南位于短波槽前辐散区;对流层低层,河南及附近为低涡或倒槽影响,这些均有利于低层大气的辐合和上升.此外,伏牛和太行等山脉对水汽的汇聚和对低层偏东或东南气流的抬升有作用.(3)副热带高压和异常偏强的大陆高压连成“高压坝”,阻碍了中高纬度冷空气南下,郑州极端暴雨发生在暖湿层深厚的环境场中,降水系统呈现低质心热带型雷达回波...