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中国科学(地球科学)
中国科学(地球科学)

孙枢

月刊

1674-7240

geo@scichina.org

010-64015883

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学(地球科学)/Journal Scientia Sinica(Terrae)CSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果,以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界,《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI,多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。
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    基于SKEB集合预报的"7?20"郑州极端暴雨可预报性研究

    杨敏余沛龙张立凤潘晓滨...
    2259-2275页
    查看更多>>摘要:本文基于内层格距为3km的WRF模式,利用随机动能后向散射(SKEB)方案,设计了三种不同尺度模式扰动的集合预报试验,研究了2021年"7·20"郑州极端暴雨事件中24h累积降水(RAIN24h)和16~17时小时强降水(RAIN1h)可预报性的多尺度特征.结果表明,随着扰动尺度增大,降水强度的集合离散度增加,预报值与观测降水强度更为接近.在中尺度和对流尺度扰动集合中,RAIN1h在20km以下尺度失去可预报性,RAIN24h在各尺度均未明显失去可预报性,而天气尺度扰动使RAIN24h和RAIN1h失去可预报性的范围延伸至60km及以下尺度.此外,RAIN24h(RAIN1h)最大降水位置预报的不确定性约在400km(50~60km)尺度上,郑州站附近低空南风急流是造成RAIN1h预报不确定性的重要系统,与其相关的快速增强的低层气旋式涡度,中层辐散和上升运动是极端小时降水发生发展的关键动力条件.通过辐散、涡旋和垂直动能谱及其误差谱的分析进一步发现,所有试验中的较小尺度误差能量增长均快于较大尺度,并将在更短的时间内达到饱和.较大尺度扰动不仅加快了较大尺度误差的增长,还通过误差能量降尺度串级使得所有尺度的误差更易增长,这意味着暴雨预报中改善模式对较大尺度系统的预报效果有利于提高极端强降水位置和强度的预报能力.

    随机动能后向散射(SKEB)极端降水集合预报可预报性

    北半球大冰期南大洋南极带生产力演化及其与大气pCo2的关联

    吴一鸣郭景腾赵翔宇肖文申...
    2276-2287页
    查看更多>>摘要:大气CO2分压(pCO2)的降低被认为是启动和发展北半球大冰期(NHG)的先决条件,然而丢失的CO2以何种机制封存在哪个大洋并不明确.南大洋通过表层生产力和深部流通状况的调制可以解释0.8Ma以来大气pCO2的冰期旋回,但不清楚类似机制是否贡献于NHG大气pCO2的降低.利用国际大洋发现计划(IODP)374航次U1524A孔生源蛋白石和有机碳的钛标准化含量和质量堆积速率,重建了3.3~2.4Ma南极罗斯海的生产力演化.结果显示,南大洋南极带生产力呈现明显的阶段性演化特征和长期演化趋势:生产力在3.3~3.0Ma剧烈波动,在3.0~2.6Ma逐渐减小,在2.6~2.4Ma变化不大;总体呈现长期减小的趋势.进一步通过生产力与其潜在影响因素的对比,发现深部流通状况主控了生产力的阶段性演化和长期演化;海冰通过影响光照可能对3.3~3.0Ma的生产力产生影响,而风尘对生产力演化的影响甚微.生产力与大气pCO2记录的对比,显示两者之间不存在耦合关联,表明南大洋南极带生产力不是NHG大气pCO2降低的主要致因.该研究不支持南大洋南极带通过生产力对大气pCO2施加影响,进而驱动NHG;为了揭示南大洋在NHG中的作用,进一步的研究应该聚焦到南极带深部流通状况对大气pCO2的影响,并将类似研究拓展到亚南极带.

    罗斯海生源蛋白石有机碳深部流通状况海冰海洋碳循环

    陆地水对南海海平面变化的贡献及其对ENSO交替事件响应的再评估

    杨鹏飞霍学深马中天
    2288-2303页
    查看更多>>摘要:区域海平面变化与区域陆地水和厄尔尼诺南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)存在密切关联.本研究评估了南海海平面变化与ENSO之间的关系,陆地水储量(terrestrial water storage,TWS)对非比容海平面(non-steric sea level,NSSL)的影响以及比容海平面(steric sea level,SSL)和NSSL对海平面异常(sea level anomaly,SLA)的贡献.在2003年到2015年期间,SLA呈现出了(6.65±0.78)mm/a的长期趋势,主要归因于SSL.此外,在这段时间内,交替出现的不同强度的ENSO事件也可能是导致SLA异常高的趋势的原因.相比于SSL,NSSL对SLA贡献了季节性信号,而NSSL在季节尺度的变化主要受湄公河流域的TWS影响,其他时间尺度的变化可由珠江流域和红河流域的TWS所解释.与TWS的贡献相比,降水和蒸散发的贡献则相对较小.此外,海平面变化与ENSO之间的负相关关系也被揭示,海洋Niño指数与SLA/SSL/NSSL之间的互相关系数为-0.36/-0.37/-0.62,分别在海平面变化滞后2/3/2个月时达到上述相关性.这些发现系统地重新审视了不同因素对海平面变化的贡献,为深入分析陆地水和其他潜在因素对南海海平面上升的影响提供了参考.

    南海海平面变化陆地水储量ENSO

    青藏高原东缘中国地震科学实验场三维速度模型及其构造意义

    吴建平蔡妍王薇王未来...
    2304-2326页
    查看更多>>摘要:中国地震科学实验场位于青藏高原、华南块体和印度板块的交汇地带,地质构造复杂、地壳变形强烈,是我国大陆强震最活跃的地区.高分辨率的壳幔三维速度结构是认识强震孕育环境、壳幔变形机制和深部动力学过程的重要基础.本研究基于接收函数与面波联合反演方法构建高垂向分辨率三维初始速度模型,采用双差层析成像方法获得了中国地震科学实验场最高横向分辨率为0.25°的三维P波和S波速度模型CSES-VM1.0.受Sn观测资料的限制,S波速度模型在下地壳和上地幔顶部的分辨率降低,使其更接近接联合反演给出的初始模型.基于人工爆破观测数据的检验表明,与以往的速度模型相比,新模型的初至P波理论走时更接近观测值.横跨2022年芦山6.1级地震和泸定6.8级地震震源区的速度剖面揭示,前者发生在青藏高原与四川盆地相接触的软弱带附近,后者位于花岗岩分布区,北段受强度较大的高速体阻挡.扬子板块西缘存在断续分布的显著高速异常带,揭示了新元古代中基性侵入岩的空间分布,并在很大程度上控制了断裂带的分布形态,甚至影响大地震的破裂过程;攀枝花附近存在沿北东-南西和南北向分布的两个高速异常,它们可能与新元古代和中晚二叠世的中基性侵入岩分布有关.在实验场西南地区,成像结果清晰地揭示出临沧花岗岩带、思茅盆地"中轴"断裂带隆起区以及哀牢山杂岩带的空间分布,展现出比以往成像模型更高的空间分辨能力.本项工作建立的速度模型可为地震科学实验场深部构造研究、高精度地震定位和强地面运动模拟等提供重要基础.

    青藏高原东缘地震实验场扬子块体西缘三维速度模型双差层析成像

    横向各向同性介质水平地应力诱导的正交各向异性地震响应特征研究

    潘新朋路程旭赵志者柳建新...
    2327-2346页
    查看更多>>摘要:沉积地层普遍具有VTI(具有垂直对称轴的横向各向同性)特征,然而在水平地应力的影响下,沉积地层中的裂缝往往会产生各向异性闭合,进而导致水平地应力作用下VTI介质呈现出明显的正交各向异性特征,并影响地震波的传播特征.已有研究重点关注各向同性背景介质在应力作用下引起的弹性波速度各向异性,而未考虑VTI背景介质对于水平地应力诱导各向异性和地震波传播响应特征的影响.针对上述问题,本文首先通过非线性声弹理论建立了水平地应力作用下VTI介质的有效弹性刚度张量,再分别通过波动方程和散射理论建立了水平地应力作用下VTI介质的精确与线性化近似的地震纵波反射系数方程,最后对比分析不同类型弹性反射界面处水平地应力诱导的正交各向异性地震响应特征.结果表明,线性化近似的地震反射响应特征在低于10MPa的小应力条件下与精确方程拟合良好,且诱导产生的方位相关正交各向异性能够准确表征VTI介质在水平地应力作用下的地震响应特征.本文的研究结果也为地应力的地震预测提供了一种新的理论方法和思路.

    水平地应力非线性声弹性理论线性滑移理论正交各向异性地应力预测

    利用多特征深度学习模型的同震滑坡智能化提取

    皇甫文超邱海军崔鹏杨冬冬...
    2347-2362页
    查看更多>>摘要:同震滑坡的智能化提取是地震后应急救援和风险评估的重要手段.然而,具有相似光谱特征的道路和裸地等地面物体总是干扰同震滑坡的精准遥感提取,从而使得现有方法难以快速和准确地收集同震滑坡信息并评估其影响.为提高同震滑坡提取的准确度,本研究提出了一种基于多种滑坡识别特征数据集的深度学习模型(ENVI-Net5_MF)用以自动提取同震滑坡.ENVINet5_MF在构建的过程中结合了滑坡增益指数(LGI),该指数能够扩大同震滑坡与裸地和道路之间的特征差异,有利于消除来自裸地和道路对同震滑坡提取的干扰.利用多时相PlanetScope图像,以日本北海道同震滑坡和中国米林同震滑坡为研究对象,分别在这两个区域进行了同震滑坡智能化提取实验.提取结果和方法性能评估表明ENVINet5_MF取得了比对比方法更加优异的性能,即ENVINet5_MF检测到的同震滑坡与地面参考数据最吻合,并且ENVINet5_MF的精度高于对比方法以及耗时最短.本研究提出的ENVINet5_MF大大提高了同震滑坡提取的准确性,为同震滑坡提取提供了一种高效的方法,可满足同震滑坡灾害的快速响应.

    同震滑坡智能化提取深度学习滑坡增益指数PlanetScope影像

    基于非静压模型的粤港澳湾区精细海啸灾害评估

    朱艺帆安超余厚云张伟...
    2363-2388页
    查看更多>>摘要:粤港澳湾区暴露在滨海断裂带和马尼拉俯冲带的潜在海啸威胁之下,因人口稠密、设施密集和地势低洼容易遭受重大人员和财产损失.以往的海啸研究对滨海断裂带的震源破裂机制做了较简单的假设,并且在海啸模拟中大多使用比较粗糙的水深和高程数据,难以对详细的灾害特征进行预测.本文基于垂向积分的非静压模型,开发了并行色散海啸数值模型PCOMCOT,显著提高了海啸精细模拟的效率;整合、校正了多种地形数据源,构建了粤港澳湾区的高精度大范围地形模型;通过断层自发破裂的动力学模拟获得了较可靠的滨海断裂带震源模型.针对滨海断裂带和马尼拉俯冲带的典型地震情景,应用PCOMCOT计算了粤港澳湾区的海啸波、流以及岸上淹没.结果显示,滨海断裂带珠江口段如果发生具有正断分量的Mw7.5右旋走滑地震,激发的海啸将主要冲击香港地区,可能造成1m和-2m左右的最大正波和负波,以及具有轻微破坏力的海啸流(≥1.5m/s).马尼拉俯冲带如果发生Mw9.0超大地震,能够在澳门离岛、香港维多利亚港周边市区造成较大范围的深度1m以上淹没,并在港澳地区的狭窄水域引发灾难性海啸强流,且局部高速流动(≥3m/s)与淹没灾害的空间分布并不一致,其潜在危险性不容忽视.

    海啸灾害淹没海啸流非静压模型粤港澳湾区

    超深层白云岩成因与规模储层控制因素——以四川盆地震旦系灯影组和寒武系龙王庙组为例

    李茜朱光有张志遥
    2389-2418页
    查看更多>>摘要:为探究超深层白云岩成因与规模储层控制因素,本文以四川盆地震旦系灯影组和寒武系龙王庙组为研究对象,开展了详细的岩石学和微区的X射线衍射、微量元素、C-O-Sr-Mg同位素实验分析.结果显示,灯影组和龙王庙组共发育6种基质白云岩和4种胶结物.其中灯影组沉积背景为局限台地,发育特殊的微生物和微晶白云岩,且白云石粒径小(<30μm),有序度低(Min=0.55),晶胞参数大,Na含量极高(Max=788ppm),87Sr/86Sr与同期海水一致,δ13C、δ18O低于同期海水,δ26Mg小(Min=-2.31‰).晶体更粗且有序度更高的粉晶、细晶和方解石质白云岩与微生物和微晶白云岩具有近似的δ13C、87Sr/86Sr.灯影组沉积时期具有适宜微生物生存的古海洋条件,微生物率先诱导原生白云石在海水中直接沉淀并在海水成岩阶段形成微生物白云岩和微晶白云岩,在后续成岩过程中经受溶解-重结晶、构造、热液的作用,促使晶体更粗、有序度更高的白云岩以及各类胶结物的形成.龙王庙组沉积背景为台内滩,发育特殊的颗粒白云岩,且白云石粒径大(>30μm),有序度高(Min=0.7),晶胞参数小,Na含量较高(Max=432ppm)、Fe和Mn含量低,δ26Mg和δ13C与同期海水一致,δ18O和87Sr/86Sr均高于同期海水,多期波动的δ26Mg与沉积旋回之间相互耦合.龙王庙组白云岩是通过蒸发海水与灰岩交代而成,海平面的周期性变化控制着龙王庙组白云岩发育的厚度和规模.震旦系至寒武系白云岩发育期正好处于Rodinia裂解向Gondwana聚合的转换期,超大陆的裂解聚合事件促使震旦纪与寒武纪具有迥异的海水性质、微生物活性和沉积气候背景,可能是导致两个层位具有不同白云岩成因的根本因素.超大陆的裂解聚合还控制着四川盆地震旦系至寒武系的沉积相展布和深部构造活动,从而决定了超深层白云岩储层的分布,以及孔隙形成、保存和调整机制.在研究其余地区或层位的超深层白云岩成因-成储机理时,尤其是处于超大陆聚散的特殊时期,理清构造作用驱动下海水性质、微生物活性、沉积环境、断裂体系的综合特征,是有效约束白云岩成因-成储机理和预测超深层规模性优质白云岩储层分布的核心问题.

    超深层白云岩超大陆演化微区地球化学灯影组龙王庙组四川盆地

    三叠纪末期四川盆地湖泊风暴记录及其驱动机制

    曾建理张廷山Mihai Emilian POPA王永栋...
    2419-2436页
    查看更多>>摘要:风暴岩是由风暴形成的事件性沉积序列.风暴的形成理论上要求水体温度26.5℃以上.由于宽度和水温的限制,使得湖泊上空不太可能形成热带气旋并出现风暴岩.四川盆地上三叠统须家河组为一套辫状河三角洲-湖泊相建造,近年来广泛报道有风暴沉积记录.广元紫兰坝剖面须五段古土壤层面的原位树木化石材料提供了风暴的新证据.9例材料中6份原位树木的倒伏方向集中呈北西向,与下伏地层中古水流数据相反,推测广元地区三叠纪末期曾盛行东南风.新店子剖面和四川盆地须家河组内砂岩内普遍发育有呈撕裂状或具塑性变形的泥砾.泥砾无搬运痕迹,显"八"字型特征,被解释为风暴滞留沉积,表明须家河组沉积时期曾普遍受到风暴作用的影响.晚三叠世期间盛行"巨型季风"气候,"巨型季风"因其表面风最大风速低,并非四川盆地须家河组风暴沉积的原因."巨型季风"气候体制下,须家河组风暴岩的驱动机制是特提斯洋上空热带气旋东移登陆四川盆地西缘的结果.环特提斯域风暴岩对比统计数据显示,三叠纪末期特提斯低纬度地区普遍出现大规模风暴潮,四川盆地须家河组顶部广泛出现的风暴岩很可能是三叠纪末期极热事件的沉积响应.

    四川盆地三叠纪末期须家河组风暴沉积热带气旋

    基于密集台阵的银盘水库区域地震研究——隐伏断层的地震和地质证据

    尹光耀张怀龚丽文白起鹏...
    2437-2442页