地球科学与环境学报

MEPM模型:基于深度学习的多变量厄尔尼诺-南方涛动预测模型

2024年05月15 00:00

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是发生在热带太平洋年际时间尺度的海-气相互作用的异常现象,并由Niño3.4指数表征其发生情况; 除此之外,ENSO与众多极端气候事件密切相关。因此,有效的ENSO预测对于预防极端气候事件和深入研究全球气候变化具有重要意义。然而,目前基于深度学习的ENSO预测大多数是预测一个指数或者单一变量,对于模拟多气候要素下的ENSO预测研究较少。通过提出一种利用多气候变量的ENSO预测模型——MEPM模型,其中包括多变量信息提取模块(MIEM)和时空融合模块(STFM),捕获不同气候变量在时空上的相互依赖性,进而提高ENSO预测的准确性。选取了纬向风应力异常(τ_x)、经向风应力异常(τ_y)、海表温度异常(SSTA)和海表下150 m温度异常(SSTA150)4个变量的距平值进行ENSO预测。结果表明:MEPM模型在提前11个月的Niño3.4指数相关技巧上分别比北美多模型集合中的动力预报系统CanCM4、CCSM3和GFDL-aer04高10%、20%和14%。此外,MEPM模型在中期Niño3.4指数相关技巧上显著优于其他深度学习模型,并可提供长达17个月的有效预测。

二氧化碳倍增对植物叶片¹⁵N自然丰度的影响

2024年05月15 00:00

大气CO₂浓度上升通常会提高植物生产力并伴随叶片氮含量的下降。然而大气CO₂如何影响叶片¹⁵N丰度及其相关机理还不清楚。以小麦和向日葵为实验材料,测定了两个CO₂浓度(410与820 μmol?mol^-1)处理下叶片的氮同位比值(δ¹⁵N)和氮含量。结果表明:小麦和向日葵叶片氮含量随CO₂浓度升高呈下降趋势,然而δ¹⁵N对CO₂浓度倍增的响应存在差异。在高CO₂浓度处理下小麦叶片δ¹⁵N显著下降6.5‰,而向日葵叶片δ¹⁵N小幅上升2.1‰,且叶片和地上部生物量显著增加。基于此,小麦的氮营养特征符合氮同化受限假说,而向日葵符合稀释效应假说。小麦叶片δ¹⁵N随叶龄或者细胞年龄的增加而显著下降,因此在利用¹⁵N来研究植物氮代谢时需要区分叶龄的影响。整合分析结果表明,CO₂浓度升高导致非豆科C₃植物的δ¹⁵N显著下降达0.3‰,与小麦的研究结果相符。综上所述,限制硝态氮同化是CO₂影响植物氮代谢和¹⁵N丰度的重要机制。

长株潭城市群生态环境与城镇化时空耦合协调关系——基于遥感生态指数和夜间灯光指数

2024年05月15 00:00

城镇化是推动社会经济发展、影响区域生态安全格局的重要因素,生态环境与城镇化的稳定协调是实现区域可持续发展的保证。为平衡城市群在城镇化发展进程中与生态环境的耦合协调关系,以长株潭城市群23个区(县)为研究对象,综合利用土地利用、夜间灯光和MODIS数据,基于Google Earth Engine(GEE)平台,构建2002～2022年夜间灯光指数和遥感生态指数分别表征城镇化水平和生态环境质量,并采用耦合协调度模型探析长株潭城市群城镇化与生态环境耦合协调的等级聚类和时空差异。结果表明:①2002～2022年,长株潭城市群热度变化显著,降低29.26%,且除炎陵县外,其他区(县)生态环境质量均有不同程度下降,呈倒“N”型或“M”型走势,开福区、天心区、天元区等城镇建设活动多的区(县)遥感生态指数下降幅度最大; ②长株潭城市群城镇化水平有所提高,夜间灯光指数整体呈上升趋势,但2022年增速低于2017年,区(县)之间发展不均衡,城镇化水平较高的区(县)集中在长沙; ③长株潭城市群多数区(县)耦合度在2002～2022年处于从拮抗到磨合过渡的阶段,2012年耦合度整体处于较高水平,但17个区(县)在2017年又落回较低阶段。2022年长株潭城市群大部分区(县)耦合协调度达到协调状态,部分区(县)长期失调,整体耦合协调情况较好,但空间分布不均衡,呈现中北部高、南部低的特征。

2000～2021年北半球多年冻土区NDVI变化趋势及其影响因素

2024年05月15 00:00

气候变暖正在导致北半球多年冻土区的土地覆被类型和植被生物量发生快速变化,而不同冻土类型区和不同土地覆被类型区对气候变化的响应程度尚不清楚。基于Slope趋势分析和皮尔逊相关性分析,量化了2000～2021年北半球多年冻土区归一化植被指数(NDVI)的时空变化及其对气候变化的响应。结果表明:约21.43%的多年冻土区NDVI值表现出显著增长趋势,其中连续和不连续多年冻土区的NDVI值增长速率是零星多年冻土区的2～3倍。在月尺度上,约33.75%多年冻土区的NDVI值在6月呈显著增长趋势,其中连续多年冻土区和灌丛植被类型区的增长速率最快。气温、降水量和活动层厚度均呈显著上升趋势,积雪覆盖率呈下降趋势。气温升高对俄罗斯等低纬度冻土区的植被生长起到了促进作用; 降水在蒙古高原等一些特定干旱区对植被生长具有促进作用,但在俄罗斯中部和加拿大南部存在不利影响; 积雪对于俄罗斯南部等积雪覆盖较低地区的植被生长有促进作用,而对于北极等积雪覆盖较高的地区存在不利影响; 活动层厚度的增加有助于俄罗斯北部等冻土区的植被加速生长。总之,北半球多年冻土区植被整体呈增长趋势,气温升高仍然是北半球多年冻土区植被生长的主控因素,但不同多年冻土类型区的NDVI值增长有着明显的月份差异,因此在以后植被模型的发展和改进时需要考虑月份的差异。

秦岭北麓沣河流域地下水-地表水化学特征及转化关系

2024年05月15 00:00

秦岭北麓沣河是“长安八水”之一,对其水环境现状、影响因素及地表水-地下水转化关系进行深入研究是河流生态修复的关键。根据2022年7月在沣河流域采集的62个地下水样和17个地表水样的分析结果,采用数理统计法、Piper图、Gibbs图、离子比法和氢氧同位素分析了地下水和地表水化学特征及其影响因素,探究了地下水和地表水的转化关系。结果表明:①研究区地下水为弱碱性,约有50%为极硬水、25%为硬水,溶解性总固体(TDS)较大,最大值高达1 916 mg?L^-1,NO^-₃浓度较高; 地表水为弱碱性,为软水或微硬水,溶解性总固体较小,有机物含量较高; 地表水和地下水阳离子均以Ca²⁺为主,阴离子均以HCO^-₃为主,地表水基本是HCO₃-Ca型水; 地下水化学类型主要有HCO₃-Ca、HCO₃?SO₄-Ca、HCO₃-Ca?Mg和HCO₃?SO₄-Ca?Mg型,分别占比24.19%、24.19%、16.13%和9.68%,且水化学类型空间变化较大。②研究区水化学特征主要受到岩石风化作用的控制,蒸发浓缩和大气降水也有一定影响; 水中Na⁺除岩盐溶解外,还有硅酸盐风化的影响,Ca²⁺、Mg²⁺和HCO^-₃主要来源于方解石、白云石等碳酸盐的风化溶解; 地下水中阳离子交替吸附作用普遍发生,对Ca²⁺和Na⁺浓度影响较大; 人类活动增加了部分地下水中SO^2-₄、NO^-₃和Cl^-浓度,相比之下地表水受到人类活动的影响较小。③研究区洪积扇扇顶-扇中主要是地表水补给地下水,补给比例为46.62%; 洪积扇前缘主要是地下水补给地表水,补给比例为13.62%; 下游平原主要是地表水补给地下水,补给比例为38.39%。

黄河沿线九省区水资源承载力评价及时空变化特征

2024年05月15 00:00

评估水资源与社会经济、生态环境之间的协调性可为黄河水资源利用和管理提供指导。通过构建基于水资源、社会经济和生态环境3个子系统的水资源承载力评价指标体系,采用VIKOR法对黄河沿线九省区2008～2021年水资源承载力进行评价,并引入Mantel检验法分析了水资源承载力类型及其影响因素。结果表明:黄河沿线九省区水资源承载力在2008～2021年呈现持续提升趋势,且随着社会经济发展和生态环境保护的加强,水资源承载力水平在2015年后显著提升; 水资源承载力整体上呈现西部强、东部次之、中部弱的空间格局,其中青海最强,宁夏最弱。各省区水资源承载力类型各不相同,青海、甘肃和陕西属于水资源禀赋型,宁夏和内蒙古属于水资源-社会经济型,四川、山西、河南和山东属于综合型。水资源禀赋是黄河沿线九省区水资源承载力的本底,且产水模数、人均水资源量、降雨深是水资源子系统的主控因子,但对社会经济和生态环境子系统依赖度高,需在产业升级、用水效率提高和生态环境保护等方面加强。

柴达木盆地北缘路乐河新生代地层剖面磁组构特征及其构造意义

2024年05月15 00:00

柴达木盆地是青藏高原北部面积最大、地层厚度超过10 km的新生代沉积盆地。通过揭示盆地内新生代地层保存的磁组构信息,可以重建区域构造应力方向,进而探讨青藏高原北部构造变形及其动力学机制。通过对柴达木盆地北缘路乐河新生代地层样品各方向磁化率进行测量,获得了1 070个样品的磁组构信息,并对磁组构形态和相关参数进行分析。结果表明:柴达木盆地北缘路乐河剖面23.7～9.9 Ma地层的磁组构表现为初始变形磁组构,磁线理指示了挤压应力的方向,9.9～5.2 Ma地层的磁组构以沉积磁组构为特征,未记录到明显构造应力方向。利用磁偏角去除构造旋转的影响后,路乐河剖面沉积地层磁组构记录的挤压应力方向在不同的时段存在差异。23.7～18.1 Ma聚集在约25°方向,揭示柴达木盆地北缘早中新世遭受近SN向挤压应力; 18.1～15.2 Ma挤压应力方向发生逆时针旋转,由约25°旋转至约-20°; 15.2～9.9 Ma挤压应力方向发生顺时针旋转,由约-20°旋转至约20°。这些结果揭示柴达木盆地北缘挤压应力方向在中中新世先发生逆时针旋转(18.1～15.2 Ma),后发生顺时针旋转(15.2～9.9 Ma)。综合周边的构造格架及前人构造变形分析的相关结果认为,柴达木盆地北缘中中新世以来构造应力的旋转可能与东昆仑山和祁连山双向挤压应力的叠加紧密相关。

东天山小热泉子铜锌矿床伴生硒富集机制

2024年05月15 00:00

小热泉子矿床位于东天山大南湖—头苏泉岛弧带西段,是赋存于石炭纪火山-沉积建造中的火山块状硫化物(VMS)矿床。小热泉子矿床伴生硒等关键金属,但硒赋存状态及富集机制研究较为薄弱,制约了硒的综合利用。在矿床地质特征研究基础上,对不同成矿期次的矿石中硫化物开展全自动综合矿物分析、电子探针成分分析,探索小热泉子矿床中硒赋存状态和富集机制。结果表明:小热泉子矿床中硒主要呈硒独立矿物硒方铅矿或赋存于硫化物的晶格中。硒方铅矿呈半自形—他形产出,粒径多小于30 μm,包裹于喷流沉积期和热液叠加期的黄铜矿中,其Se含量(质量分数,下同)为20.25%～23.87%,平均值为22.15%,S含量为1.11%～2.61%,平均值为1.92%,Pb含量为72.49%～76.57%,平均值为74.51%,平均化学式为Pb(Se_0.78 S_0.17),S/Se值为0.087。不同期次黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿等硫化物中的Se含量分别为0.07%、0.15%和0.29%,S/Se平均值分别为716、222和110。其中,喷流沉积期硫化物的Se平均含量为0.20%,S/Se平均值为212,热液叠加期硫化物的Se平均含量为0.05%,S/Se平均值为938,显示Se含量具有下降趋势。结合前人流体包裹体研究结果,小热泉子矿床中硒富集机制归因于较高温、较高氧逸度的岩浆流体环境,硒富集伴随成矿系统温度和氧逸度的降低而减弱。

断层斜交岩质高边坡开挖变形特征及其治理效果评价——以陕南地区某岩质高边坡为例

2024年05月15 00:00

为厘清断层斜交岩质高边坡开挖变形特性以及边坡治理后的时变特性,以陕南地区某断层斜交岩质高边坡为例,综合采用现场调查、数值模拟以及多点位移监测等方法分析断层斜交岩质高边坡破坏机制,归纳了断层斜交岩质高边坡的主要致灾因子,分析了边坡开挖过程中的变形特性,并探讨了边坡治理的时效性。结果表明:研究区域地形陡峭,受断层和坡脚开挖影响呈现出典型临空地形地貌,且受地质构造影响,出露岩体破碎程度较高,节理裂隙发育; 基于数值仿真论证了断层斜交岩质高边坡采用“上部锚索锁固+中部坡体刷方+下部锚索和抗滑桩加固”方案治理的可行性,现场调查和监测数据结果表明边坡治理效果明显; 断层处流土溶蚀效应明显,强降雨诱发岩质高边坡后缘断层附近平台发生塌陷,在断层和坡脚部位增设排水措施后坡体病害得到有效缓解,整体变形速率得到有效控制。研究成果对断层斜交岩质高边坡的治理及破坏机制分析具有参考意义。

穿越富水断层时红层泥岩隧道的受力响应

2024年05月15 00:00

为了解红层泥岩隧道穿越富水断层破碎带时衬砌结构的受力状态,对甘肃某在建隧道邻近富水断层带的红层泥岩断面开展了围岩、初支钢拱架和二次衬砌(二衬)混凝土应力的长期原位监测,分析了富水断层突水突泥治理期间红层泥岩隧道结构的受力规律。结果表明:受富水断层的水分渗流影响,施工期隧道拱顶的围岩压力最大,为498.28 kPa,在二衬施作后,拱顶围岩压力逐渐降低,而仰拱承受围岩压力持续增加,仰拱最大围岩压力达352.75 kPa。初支钢拱架具有明显的非对称分布,拱架外侧受力呈“上大下小”分布特征,最大压应力位于拱顶与右拱腰,右拱腰受断层活动产生的压应力影响而弯曲破坏; 拱架内侧受力呈“上小下大”特征,最大压应力位于仰拱左侧。二衬混凝土总体满足隧道安全系数要求,受富水断层直接影响的拱顶与右拱腰混凝土承受最大压应力; 由于施工结束后断层破碎带向隧道基底围岩的持续水分渗透,仰拱混凝土应力稳定时间较长,在长期运营中具有底鼓风险,在隧道运营中应重点关注隧道基底变形。研究结果为后续类似隧道工程的加固方案优化和排水方案确定提供相应参考。

地球科学与环境学报

MEPM模型:基于深度学习的多变量厄尔尼诺-南方涛动预测模型

二氧化碳倍增对植物叶片15N自然丰度的影响

长株潭城市群生态环境与城镇化时空耦合协调关系——基于遥感生态指数和夜间灯光指数

2000～2021年北半球多年冻土区NDVI变化趋势及其影响因素

秦岭北麓沣河流域地下水-地表水化学特征及转化关系

黄河沿线九省区水资源承载力评价及时空变化特征

柴达木盆地北缘路乐河新生代地层剖面磁组构特征及其构造意义

东天山小热泉子铜锌矿床伴生硒富集机制

断层斜交岩质高边坡开挖变形特征及其治理效果评价——以陕南地区某岩质高边坡为例

穿越富水断层时红层泥岩隧道的受力响应

二氧化碳倍增对植物叶片¹⁵N自然丰度的影响