封面说明

<正>中国北方沙漠、沙地是粉尘释放的重要源区,定量估算这一区域的粉尘释放量有助于评估大气环境质量及其气候效应.目前,对中国北方粉尘释放量的估算主要是基于模型模拟,野外直接观测数据很少.便携式粉尘观测仪(PI-SWERL)是一种新型仪器,与风洞实验原理类似,但简单轻便、易于操作,能较好地反映微地貌粉尘排放量的差异.南京大学鹿化煜等人应用PISWER L对腾格里沙漠和毛乌素沙地的沙丘、干湖、灌丛沙丘、河流冲积物等典型地表的PM10释放通量进行观     

毛乌素沙地的粉尘释放通量观测及DPM模型的野外验证

目前关于中国粉尘源区的释放通量观测数据很少, 被经常使用的DPM粉尘释放模型在中国源区的可靠性还没有得到验证. 2002年春季在毛乌素沙地开展了野外观测实验, 分别观测了跃移通量、< 10 μm的粉尘释放通量、温度和风速梯度. 观测期间平均摩阻风速在0.26~0.35 m·s-1之间, 实测的跃移通量约在0.07~8.00 g·m^-1·s^-1之间, 实测和模拟的跃移通量较为一致, 跃移通量方程经验系数取2.61比较合适; 在3次局地的粉尘释放过程中, 实测的粉尘释放通量约在1~3 mg·m^-2·s^-1之间, 模拟的粉尘释放通量偏高, 说明该模型在低风速条件下还需要校正. 通过与前人数据的比较, 发现松散的砂质土的跃移通量大于具有物理结皮的砂质土和存在大土壤团块的壤质土, 说明在相同摩阻风速条件下, 松散的砂质土的粉尘释放通量最大, 预示中国北方粉尘的主要源地在沙漠和沙漠化的土地.     

全球沙漠面积和粉尘排放量的新估算

沙漠是干旱半干旱地区最重要的地表景观,是粉尘排放的主要源区.确定全球沙漠边界、计算沙漠面积、估算沙漠的粉尘排放量对于定量评估沙漠对气候与环境的影响具有重要意义.利用中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）数据,结合支持向量机（Support Vector Machine,SVM）、试错法及目视解译技术提取了全球沙漠范围.对全球沙漠分区域进行面积和分类精度计算.利用地形、降水、蒸散、地表风速等数据对全球沙漠的环境变化进行分析.基于移动风蚀仪（Portable In-Situ Wind Erosion Laboratory,PI-SWERL）的观测数据,结合地表类型、土壤湿度和摩阻风速估算出全球沙漠的年粉尘排放量.研究表明,全球沙漠面积为～17.54×10⁶km²,总体分类精度为92.37%.沙漠多分布于地形低于2000 m、降水量不足200 mm、全年风速为4～6 m/s的极端干旱和干旱地区.沙漠每年排放～1792.65 Tg粉尘(本文指PM₁₀     

风浪扰动引起大型浅水湖泊内源磷暴发性释放的直接证据

在太湖水温最低的一周, 野外观测了太湖大风浪过程和静风期间水体悬浮物(SS)、总磷(TP)、总溶解性磷(DTP)、反应性活性磷(SRP)的含量及悬浮物中有机质(LOI)和藻类可利用磷(AAP)的含量变化. 所观测的2004年1月23, 24, 26和30日的风速分别为8, 12, 0和0 m/s. 结果表明, 23日8 m/s的风速持续1 h以后, 水体SS平均含量达258mg/L, 24日大风浪持续一天后并且风速增至12m/s时, 水体SS含量也增至507mg/L, 当风速减弱到2m/s以下持续半天后, 26日水体SS含量降至51mg/L, 而继续保持静风5天后, 30日水体SS含量又降至21mg/L. 说明8m/s以上的风速可以引起太湖沉积物的大量悬浮, 且悬浮量随风力的增加而增加. 伴随着底泥的大量悬浮, 大风浪期间的23和24日水体TP, DTP和SRP含量分别达0.210, 0.048, 0.035, 0.299, 0.054及0.026 mg/L, 而静风期的30日则分别为0.076, 0.045和0.017 mg/L, 说明风浪扰动引起的底泥悬浮也引起了内源磷的暴发性释放. 风浪引起的水体SRP含量变化可达100%. 另外, 23, 24和26日水体悬浮物中的AAP含量分别为132, 97和226 mg/kg. 大风浪也带入水体大量的AAP. 据此观测结果估算, 一次风浪过程可以增加水体987t的TP和80t的SRP以及167t的AAP. 太湖地区每年出现风速大于8 m/s且保持1 h以上的天数多达125天, 如此高的大风浪扰动频率, 势必使得水动力扰动成为太湖水体内源磷释放的主要方式, 对水体蓝藻水华暴发前营养盐的供给产生重要作用.     

太湖沉积物悬浮的动力机制及内源释放的概念性模式

在野外调查观测与实验室试验分析的基础上, 发现了太湖水土界面处物质交换主要发生在沉积物表层5~10 cm范围内. 沉积物的物理化学特征在空间分布较为均匀. 湖流及波浪的观测结果表明, 作用于水土界面上的动力来源在小风速条件下, 波浪与湖流产生的切应力大致相当, 但是当风速较大时, 波浪作用占主导. 导致沉积物悬浮所需的临界切应力约为0.03~0.04 N/m², 相当于野外风速达4 m/s以上的情况. 如果动力强度远大于此临界值, 如风速达6.5 m/s, 沉积物将发生大规模悬浮. 调查发现沉积物中空隙水中的营养盐浓度远较上覆水高, 从而为沉积物营养盐释放提供了客观条件. 通过沉积物表层5~10 cm中空隙水营养盐浓度的分析, 估算了太湖一次大的动力过程所可能造成的内源释放的最大数量, 即总氮浓度将增加0.12 mg/L, 总磷浓度将增加0.005 mg/L. 最后, 提出了大型浅水湖泊内源释放的一般性模式, 即在无风情况下, 沉积物中营养盐的释放主要靠浓度梯度释放, 当有风浪作用的情况下, 将导致沉积物大量悬浮, 沉积物中的营养盐得以释放. 但是, 由于风浪作用的复氧, 将部分抵消由于扰动导致的营养盐从沉积物释放进入上覆水中. 而当风浪过程过后, 悬浮物质沉降并将部分释放的营养盐通过吸附作用带入沉积物中去, 有机颗粒物在沉积环境中降解析出进入空隙水中, 等待下一次风浪过程.     

毛乌素沙地沙障固沙机制与效益评估

沙障是沙区广泛应用的一种固沙工程措施,准确理解沙障的固沙机制并优化其配置模式有助于防风固沙技术的完善.本文以毛乌素沙地腹地发育的4个新月形沙丘作为研究载体,通过对9类(3种材料×3种规格)沙障措施下的沙丘开展地形测量、风沙观测、沉积物采样、植被调查和室内分析等研究,揭示了沙障环境下沙丘的表面过程,评估了各类型沙障防风固沙效果及生态恢复效应.结果表明,沙障具有降低沙丘高度、重塑微地貌形态、降低近地表风速、拦阻沙物质输移以及促进植被恢复的作用,其作用强度大小受控于沙障材料、规格配置及铺设坡位;沙柳沙障是该区防风固沙和促进植被恢复的最佳选择,草绳沙障其次,聚乳酸(polylactic acid, PLA)纤维沙袋沙障最差;沙柳和草绳沙障在1 m×1 m规格下的固沙效益最佳,而PLA沙障在2 m×2 m规格下的固沙效益最佳.此外,本文认为,沙障的防风固沙效益受多个要素的共同影响,单以近地表风速大小或微地貌形态作为衡量标准是不充分的;沙障工程应依据区域固沙需求和实地环境,立足重点目标或需求,因地制宜选择出最适宜的沙障配置模式.     

风浪条件下太湖藻源性“湖泛”的消退及其水体恢复进程

"湖泛"发生后的稳定持续时间是决定其致灾程度的主要指标,风浪的复氧是破坏其稳定性的主要因素.本文采用室内装置模拟、视觉比较和氧化还原条件分析等方法,研究了不同风浪作用下藻源性"湖泛"的稳定性及水体中主要特征参数恢复过程.结果显示:静风对照下,"湖泛"水体黑色在实验过程中始终未消失,水体DO含量保持在约1.5mg/L以下;小风(～2m/s)和中风(～4m/s)下,"湖泛"大约可持续2d左右,"湖泛"消失时的DO含量约6mg/L;大风(～8m/s)下,仅需要14h就可使"湖泛"黑臭完全消失.并且发现,在"湖泛"消失后,保持原来的风速下至144h,没有再出现黑臭的回复;水体溶解性营养物(NH4+和PO43)含量的降低随风浪大小有明显的响应关系.研究结果为藻源性"湖泛"的应急治理提供了决策依据.     

京津风沙源地表释尘到达典型城市沙尘量及其源解析

土壤风蚀引起的地表沙尘释放是大气环境中可吸入颗粒的重要来源.准确估算地表沙尘释放对城市大气环境中可吸入颗粒物的贡献,是国家制定大气环境治理规划和决策的依据.本文结合地面调查、野外观测、遥感影像解译等手段,估算了风力作用下京津风沙源土壤风蚀引起的0～2.5、2.5～5、5～10、10～20μm沙尘输移到北京、张家口、赤峰、大同、呼和浩特、锡林浩特、包头、榆林的量,揭示了到达各城市不同粒径组沙尘量的变化规律,并从区域、土地利用、风向等方面进行了源解析,提出了京津风沙源治理的核心是PM₁₀(尤其是PM_2.5),治理区域需优先考虑农牧交错带、荒漠草原、燕山丘陵,治理的地类依次是耕地、沙地(漠)和草(灌)地,为京津风沙源治理宏观战略部署、总体方案优化与调整提供决策依据.     

朝鲜第六次核爆后InSAR地表形变测量与分析

利用InSAR小基线集(SBAS)方法得到了朝鲜第六次核爆后其中心17 km×22 km范围内一些部位不同时刻(2017年9月10日～2018年6月1日每12 d间隔)的累积地表形变量.将这些测量点依空间相邻关系聚集成14个集合,按照集合内各点平均相干性进行加权平均得到各集合的累积形变量.观测结果显示:(1) SBAS-InSAR能有效观测第六次核试验的热辐射后效阶段形变过程,爆炸中心附近在爆炸后10余天仍存在地表抬升现象,随后开始下沉,不同地方下沉速率和下沉量不同;(2)在冬春季可观测到可能主要因围岩内裂隙水冰冻带来的地表下沉减缓甚至抬升的现象, 2018年5月24日因朝鲜对部分核设施进行爆破使地表形变出现抬升.研究结果表明:(1)第六次核试验的热辐射后效阶段主要表现为围岩受高温高压作用变酥变软,变质后的围岩在重力作用下被压实并开始下沉,沉降的时间过程可以用Weibull模型进行拟合分析;(2)考虑受核爆影响的变质岩层厚度等因素建模分析最大沉降量,得到了爆炸中心垂直向影响距离约为1800～2300 m,变质后的岩石形变系数约为7×10~(-5)～8×10~(-5),统计拟合优度为0.8,P值接近于0.     

近40 a中国气候变化趋势及其同蒸发皿观测的蒸发量变化的关系

利用中国62个设有太阳辐射观测的常规气象站观测资料, 详细分析了蒸发皿观测的蒸发量与环境因子的相互关系及其对全球气候变化的响应. 结果表明, 近40 a中国西部相对湿度呈上升趋势, 每年最大上升达0.20%/a. 中国东部相对湿度呈下降趋势, 每年最大下降达-0.22%/a; 61%的观测站观测的降水量呈上升趋势, 最大上升达10.52 mm/a²; 79%的观测站观测的总云量呈下降趋势. 全国98%的台站气温呈上升趋势, 最大上升达0.11℃/a; 76%的台站地表温度亦呈上升趋势, 而87%的台站日温差呈下降趋势. 85%的观测站观测的总辐射和77%的观测站观测的10 m风速呈下降趋势. 全国66%的台站蒸发皿观测的蒸发量呈下降趋势, 最大下降达-24.9 mm/a². 蒸发皿观测的蒸发量与许多气象因子之间存在相关, 但与大气相对湿度的相关最好. 各种气象要素呈现的变化是对全球气候变化的响应.     

利用GPS 位移反演日本Mw 9.0 仙台地震及Mw 7.9 强余震静态位错模型

基于GPS 观测的M_w 9.0 日本仙台地震同震形变及震后8 h 的地表形变, 考虑分层介质模型的影响, 反演了主震及震后8 h 的断层的位错分布. 结果显示, 主震位错对应的矩震级为M_w 8.98, 最大同震位错量可达23.3 m, 在震中区显示出纯逆冲特性, 震中两侧断层错动显示出一定的走滑分量. 另外, 约90%的地震能量发生在40 km 深度以上. 而由震后8 h 的地表形变反演的结果显示, 这一期间释放能量约相当于一个M_w 8.13 的地震, 位错主要分布在主震破裂的西南区域, 最大位错量约1.5 m, 破裂峰值区与M_w 7.9 强余震有明显的对应关系, 暗示震后8 h的断层错动主要是由M_w 7.9 强余震引起的. 另外, 主震破裂的深部延伸面在震后0.2~0.4 m 的滑动可能主要是无震余滑.     

中国陆域近地层风能资源的气候变异和下垫面人为改变的影响

研究在全球变暖的气候背景下, 我国近地层风能蕴藏的气候变化以及下垫面人为改变对其气候变化的影响, 将有助于我国风电发展的长期规划和风能资源的合理开发. 利用代表性较好的全国600多个地面站的40 a的常规风速观测资料, 以及NCEP/NCAR 1960~1999年的10 m高程的40 a的再分析资料, 根据Kalnay和Cai在诊断和估算下垫面人为改变对地面气温变化贡献的研究方法, 通过分析比较由地面器测观测资料和NCEP/NCAR再分析资料风能密度十年变化趋势之差异, 提出了由于下垫面的人为改变所引起的我国陆域风能蕴藏长期变化的量级估计. 分析结果表明: 近40 a来, 我国年平均风速序列保持整体上减弱的气候变化趋势, 并且逐年降低的现象在中国陆域普遍存在; 由于下垫面人为改变的影响, 导致了我国近地层风能密度以减弱的十年变化趋势为主, 并且使得我国区域平均的风能密度的十年变化趋势值达-3.84 W·m^-2/10 a, 接近人为因素与自然因素共同影响引起的风能密度的十年减弱趋势值(-4.51 W·m^-2/10 a).     

浑善达克沙地沙尘气溶胶的物理化学特性

基于春季内蒙古浑善达克沙地, 针对大气气溶胶进行外场采样和元素分析的资料, 对沙尘气溶胶的物理化学性质进行了分析研究. 结果表明, 观测期间气溶胶平均个数和质量浓度分别为274.8 cm^&#8722;3和0.54 mg/m³, 晴天分别为31.4 cm^&#8722;3和0.07 mg/m³. PM10对沙尘质量浓度起着主导作用. 小粒子占沙尘绝大多数, 沙尘天气半径小于等于4.0 μm的粒子数浓度占到总浓度的93.7%. 沙尘数浓度较大时, 粒子谱分布为双峰, 而较小时却为单峰. Al和Fe等地壳元素主要来自局地土壤源, Pb和S等污染元素主要来自外部污染源, Mo, V和Co来自外部沙尘源. 局地土壤源、远距污染源和外部沙尘源是沙尘气溶胶的主要来源.     

干旱区荒漠无机固碳能力及土壤碳同化途径

干旱区荒漠的非生物固碳能力一些学者至今怀疑,关键在于地上通量观测到的CO_2吸收结果是否在土壤碳库得到体现.本研究在我国西北干旱区,将荒漠划分为砾质荒漠(戈壁)、沙质荒漠(沙漠)和壤质荒漠三大类,从颗粒组成、总含盐量、有机碳和无机碳含量等方面测定分析,研究不同类型荒漠土壤有机碳和无机碳(soil inorganic carbon,SIC)密度和储量变化,并与高寒生态系统进行比较.结果表明,不同类型荒漠平均0~30 cm表土层和1 m深土壤SIC密度分别为2.8和10.1 kg C m~(-2).相比较,壤质荒漠的SIC密度最高,1 m深土壤达到12.1 kg C m~(-2).针对土壤对CO_2的吸收和无机固定,提出土壤碳同化(soil carbon assimilation)概念.荒漠生态系统固碳是植物碳同化与土壤碳同化,即有机和无机过程的结合,荒漠土壤无机碳密度和储量是有机碳的5倍.土壤碳同化途径分为3个阶段:CO_2与H_2O反应阶段、CO_2或弱碳酸与土壤溶液阳离子反应阶段、生成溶解碳酸盐与沉淀碳酸盐附着于土壤颗粒和向下沉积阶段.土壤碳同化能力随着土壤有机碳含量、含盐量、水分、粉粒和黏粒含量的增加而提高.     

2022年青海门源Mw 6.6地震的发震断层及孕震构造模式

2022年1月8日青海门源盆地北缘发生Mw 6.6地震,震源机制反演表明此次地震属于左旋走滑事件.震后10 d内,近600个余震被检测到,最大余震为M 5.1级.此次地震发生在祁连-海原左旋走滑断裂系统的冷龙岭段,该断裂段全长127 km,由古地震研究确定的特征地震大小在Mw 7.3～7.5.为了更为全面理解此次地震的震源机制以及当地孕震模式,我们分析了地震波形,获取了主震和17个Ms≥3.0余震的震源机制与矩心深度.利用升、降轨道SAR数据获取的像元偏移数据和同震干涉相位(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)确定了两条地表破裂带的位置,并利用InSAR数据反演了主震的滑动模型.研究发现,此次地震破裂带对应于冷龙岭断裂西段和托莱山断裂的阶区,发震断层存在3个形变中心,最大滑动量约为4 m,出现在冷龙岭断裂上,形变中心深度为4 km.滑动模型显示释放了累计能量～1.58×10¹⁹Nm,约合矩震级Mw 6.68,与本文利用地震学方法得到的Mw 6.58接近.结合区域活动构造特征、1986和2016年两次门源地...     

山地冰川表面分布式能量-物质平衡模型及其应用

基于“七一”冰川物质平衡、水文气象观测资料, 结合DEM数据, 初步建立了一套时间分辨率达1 h、空间分辨率为15 m的冰川表面分布式能量-物质平衡模型. 模型考虑地形对太阳辐射的遮蔽效应, 引入新的冰川反照率参数化方案, 并发现分布式能量-物质平衡模型对气温垂直递减率、降水梯度、降水固/液态划分指标等参数较敏感. 利用该模型对2007年6月30日20:00~10月10日12:00时段“七一”冰川粒雪线高度变化、物质平衡演变、融水径流状况及其对气候变化的响应等过程进行了模拟研究. 结果表明, 冰川物质平衡高度结构主要受反照率高度结构的影响, 反照率大小直接影响冰川物质平衡水平. 气候敏感性试验表明, 物质平衡对气温变化非常敏感, 它对气温变化的响应呈非线性特征; 而物质平衡对降水量变化敏感性相对较弱, 对降水量变化的响应是线性的. 增温引起的冰川物质亏损量不能靠降低相同气温来得到弥补, 物质平衡变化对气候变暖具有不可逆效应. 气温升高1℃, 即使降水量增加20%, “七一”冰川也会呈现较大的物质亏损状态.     

碳氮添加对不同湿润程度的温带森林土壤氧化亚氮排放影响

采用室内土柱培养的方法,研究不同湿润程度(55%和80%WFPS)条件下外源碳(葡萄糖,6.4 g C m·2)和两种形态氮(NH4Cl和KNO3,4.5 g N m-2)的添加对温带成熟阔叶红松混交林和次生白桦林土壤氧化亚氮(N2O)排放量的影响.研究结果表明:除了高湿润程度单施NH4Cl的白桦林土壤外,湿润程度增加以及外源碳和氮添加均能显著促进两种林分土壤N2O排放量,并存在两两交互作用.葡萄糖添加使阔叶红松混交林和白桦林土壤在整个培养期内N2O累积排放量分别增加0.53~2.67和4.70~29.32 mg N2O-N m-2,尤其是高湿润程度和白桦林土壤更为明显;同时伴有葡萄糖添加后两种林分土壤矿质氮含量显著减少,特别是高湿润条件下白桦林土壤水浸提NO3-含量降低幅度更大.这说明了白桦林土壤N2O释放量对外源碳添加的激发效应更敏感,并随土壤湿度增加而加剧.低湿润条件下,培养初期外源氮添加显著抑制葡萄糖对土壤N2O排放量的促进作用,之后随着氮形态和林分类型而发生变化;高湿润条件下,外源氮添加显著增强葡萄糖对土壤N2O排放量的促进作用,且硝态氮强于铵态氮(P0.05).葡萄糖添加能增加两种林分土壤微生物碳含量和微生物碳/氮比(P0.05),显示可能改变土壤微生物群落结构.两种形态氮的添加均能增加两种林分土壤水和K2SO4浸提的溶解性有机氮(DON)含量,尤其是阔叶红松混交林土壤(P0.05),但两种形态氮之间无差异.多元线性逐步回归分析显示,实验条件下白桦林土壤N2O累积排放量受到WFPS、水浸提NH4+-N和水浸提DON含量及微生物碳/氮比的影响,共同解释其61%的变化,其中水浸提DON含量贡献率最大;阔叶红松混交林土壤N2O累积排放量受到WFPS、水浸提NH4+-N和微生物碳含量的影响,共同解释其50%的变化,其中水浸提NH4+-N含量贡献率最大.上述结果显示,加湿对森林土壤N2O排放量的增加与土壤活性氮含量、湿润程度和微生物量有关.