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《中国科学:地球科学》2020,(9)
模型与观测是地球系统科学中两种基本的研究手段,它们协同演进、相映成辉;但同时,两者都未臻完美,也因为方法论的差异,表现出相互不协调的一面.数据同化的出现,使得模型与观测协力前行,演奏出一曲和谐的地球系统科学方法论,也因此在地球系统科学中展现出鲜活的生命力和应用价值.文章介绍了数据同化在地球系统科学主要分支领域的应用,追溯了数据同化与理性主义和经验主义方法论的协同演进,分析了它与估计理论和控制论的渊源,回顾了国内数据同化近期研究进展,展望了走向统一的地球系统数据同化所面临的挑战.数据同化理论与方法将不断进化,对增强地球系统的理解和预测提供越来越成熟的方法论. 相似文献
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地磁台站和地磁卫星能观测到饱含钠、氯离子运动海水切割地球主磁场产生的感应磁场数据.计算潮汐感应电磁场的三维高精度空间分布是从潮汐电磁数据中获得海洋底部电导率结构的关键,更是设计与优化地磁台站、电磁卫星轨道的重要依据.现有的潮汐(或运动海水)感应电磁场正演计算方法普遍存在难以精确模拟真实海岸线、不均匀陆地与海水表层、复杂地球深部结构影响的问题,从而降低潮汐感应电磁数据的解释水平.为解决此问题,本文开发了一种基于四面体单元的潮汐感应电磁场矢量有限元计算方法,具备精确模拟真实海岸线、不均匀陆地与海水表层、复杂地球深部结构影响的能力.首先,推导了运动海水感应电磁场满足的边值问题,结合四面体单元,利用矢量有限元计算方法求解了运动海水感应电磁场.然后,利用最新的海洋深度与海底沉积层模型,建立了包含真实海岸线、不均匀陆地与海水电导率分布的地球三维电导率模型,以M2潮汐激励源为例计算潮汐感应电磁场,通过与球谐有限元和积分方程结果的对比,来验证本文方法的正确性.最后,利用计算的高精度M2、N2和O1潮汐感应电磁场信号... 相似文献
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《中国科学:地球科学》2021,(5)
近几十年来,为了更好地认识和管理不同时空尺度的水循环,许多水科学和管理项目相继问世,如生态水文学、全球水文学、社会水文学、供水管理、需水管理和水资源综合管理(Integrated Water Resources Management, IWRM)等.与此同时,示踪、制图、遥感、机器学习和模拟等先进技术也广泛应用于水文过程和水资源研究中.尽管如此,全球水危机仍日益加剧.究其原因在于水文水资源研究和管理之间未能在不同时空尺度建立有效的链接和交流来实现联合国可持续发展目标.流域是水资源管理的基本单元,流域科学有望搭建水文水资源研究与管理之间的桥梁.本文首先回顾水文研究和水资源管理的进展,进而讨论了全球水资源界面临的问题和挑战.在此基础上,提出了流域科学的四个核心组成部分:(1)水文分析;(2)水资源政策;(3)综合治理;(4)管理与反馈.该构架综合考虑水资源拥有量和用水量及水质,量化水循环的储存、通量和质量,基于地球环境边界条件理论确定当地水资源阈值;提出水资源管理的具体可行措施.流域科学为应对当前全球水危机和实现联合国可持续发展目标提供了互补性水资源管理途径. 相似文献
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李新 《中国科学:地球科学》2013,(11):1735-1742
不确定性是定量认识陆地表层系统的最大挑战之一．本文讨论了陆地表层系统中不确定性的来源及减小和控制不确定性的可能途径．从模型模拟的角度,不确定性的首要来源是影响陆地表层的参数、状态变量和近地表大气状态等边界条件的高度异质性．从观测的角度,我们首先用代表性误差的概念统一了由尺度代表性所引起的误差．代表性误差也主要来源于空间异质性,对于定点观测,它指将模型单元的模型状态映射到某一观测在其所代表性空间上的观测值时的误差,对于遥感观测,它是将地表变量映射到遥感原始观测的误差．从控制和减小系统不确定性的角度论证了模型和观测互补的重要性,提出应以随机的观点对待复杂的陆地表层系统;并通过对两种现代数据同化方法的介绍,说明数据同化是如何通过最大限度地融合模型和观测信息,来处理和控制不确定性,从而增强系统的可预报性和可观测性的．我们认为,新一代模型应描述动力学系统的统计分布,而观测应捕捉空间异质性,度量观测的代表性误差． 相似文献
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1多学科交叉研究是历史发展的必然
20世纪后半叶起,现代科学技术的发展正在不断推倒各门学科之间的壁垒,逐步综合为一个有机的整体.20世纪60～80年代,国际上在天地生领域开展综合研究,1986年国际科联推出了"国际地圈-生物圈计划(IGBP)",该计划以描述和研究控制整个地球系统的物理、化学和生物过程及其相互关系为中心目标.从天体行星和全球尺度认识和研究地球的结构、演化过程和动力学,并把区域性和全球性统一起来,把区域系统置于全球框架中进行研究,从区域解剖--全球对比--建立模型.与此同时,现代科学认识也正向着微观和宏观两个方面延伸,从信息、层次、结构和功能的诸多方面揭示自然界的规律,而任何成熟的科学理论知识本身就能转化为进一步科学研究的方法论.因此,系统科学的综合研究是自然科学发展的必然趋势,也是自然科学向更高层次成熟发展的标志.地球系统科学的多学科交叉研究是传统地球科学发展的必然. 相似文献
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干旱地区土壤-植被-水文耦合、响应与适应机制 总被引：10，自引：0，他引：10
李小雁 《中国科学:地球科学》2011,(12):1721-1730
从单个植株、坡面和流域三个尺度综述了干旱地区土壤-植被-水文耦合与响应的研究进展,并提出今后研究中需要关注的科学问题.未来研究需要通过多学科交叉与融合手段,加强土壤-植被系统整体性综合集成研究,主要包括地上与地下过程、植被退化与恢复过程、自然与人为扰动过程、多尺度与多要素综合观测与模拟.初步提出干旱地区植被的水分聚集适应理论,分析并讨论了树干茎流水分聚集系统、灌丛斑块水分聚集系统和沟道河网水分聚集系统的组成、结构和特点,揭示了不同水分聚集系统对水分胁迫的适应机制,可为干旱地区植被恢复提供理论支撑和实践指导. 相似文献
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硅酸盐岩的风化产物通常可以有效地用于研究陆地表面发生的化学风化作用及其控制因素.选择位于东南亚热带地区的马来半岛和婆罗洲北部,通过分析其主要流域表层沉积物的黏土矿物和主要元素地球化学组成,开展热带地区化学风化及其控制因素的现代过程研究.结果显示,马来半岛的黏土矿物组合以高岭石(平均80%)为主,其次为伊利石(17%),... 相似文献
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地球微生物学是地球生物学的核心分支,主要研究微生物与环境之间的相互作用.其中,一个非常重要的科学问题是在现代板块运动的理论框架下,微生物在驱动生物地球化学循环过程中如何与地球构造活动紧密相关.构造微生物学概念的提出就是要聚焦微生物活动与构造活动过程的协同研究.这样的视角能进一步加强固体地球科学家与微生物科学家之间的交流,使得双方可以更加有效地探索和理解构造和微观尺度上的地球系统的演化与发展. 相似文献
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中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的研究进展及其发展思路 总被引：2，自引：0，他引：2
涡度相关技术经过长期的理论发展和技术进步,已经成为直接测定陆地生态系统与大气间的CO2和水热通量的重要方法.随着涡度相关通量观测在全球范围内的广泛开展,各区域、国家以及国际通量观测研究网络(FLUXNET)也应运而生.在过去10年里,通量观测研究在探讨全球陆地生态系统碳循环和水循环过程及环境控制机理、揭示陆地生态系统碳收支的时空格局、寻找"未知碳汇"等方面取得了显著的成果,也为资源、生态和环境等科学领域的国际交流创造了理想的合作研究平台.随着通量观测研究的不断深入,今后国际通量界将加强引进和开发新的观测技术,扩展通量观测的应用领域,尝试运用通量观测数据来协助研究有关生物地理学、生物地球化学、生态水文学、气象/气候学、遥感和全球碳循环模型等领域的科学问题.中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)是FLUXNET的重要组成部分,经过3年多的连续观测和研究已在涡度相关通量观测技术和方法、典型陆地生态系统碳水交换过程及其环境响应机理、生态系统碳水通量模型开发等方面取得了一系列重要进展.研究发现中国的主要森林生态系统在2003～2005年度都为大气CO2的汇,青藏高原上的高寒草甸生态系统也表现为较弱的碳汇,而封育的内蒙古半干旱羊草草原却表现为弱的碳源;在大的空间尺度上,温度和水分是决定陆地生态系统碳收支的关键环境因子.ChinaFLUX的发展思路拟以典型生态系统通量的联网观测与陆地样带研究相结合为技术途径,开展多尺度、多过程、多途径、多学科的综合集成观测,重点探讨生态系统的水、碳、氮循环过程机理及其耦合关系. 相似文献
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为考虑洪水预报误差的空间变化,提出一种基于微分响应的流域产流分单元修正方法.该方法建立了各单元流域产流与流域出口流量之间的微分响应关系,采用正则化最小二乘法结合逐步迫近进行反演求解,将产流误差估计量分配给相应单元流域实现流域产流分单元修正.将构建的方法应用于大坡岭流域和七里街流域进行新安江模型产流修正,比较分析了流域产流分单元修正、流域面平均产流修正和自回归修正的效果.结果表明：流域产流分单元修正效果优于流域面平均产流修正;随着预见期的增大,产流微分响应修正效果优于自回归修正.该方法通过汇流系统将流域出口断面流量信息进行分解用于修正各单元流域产流,有利于提高实时洪水预报精度. 相似文献
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陆地生态系统碳循环的多尺度试验观测和跨尺度机理模拟 总被引：11，自引：1，他引：11
准确估计陆地碳汇时空变化是预测气候变化和执行温室气体控制协议的基础.近10年来,以大型试验环境控制、涡度相关测定和定量遥感为代表的新技术手段的应用推动了多尺度生态观测网络的建立,获得和积累了大量有关陆地生态系统碳循环变化的数据.但是这些高强度和多尺度观测并没有显著降低对陆地碳汇及其变化估计和机理认识的不确定性.其主要原因是这些观测主要是在各个尺度上分别进行的,而生态系统碳循环变化取决于从生物个体的短期反应到区域生态系统格局长期变化各个尺度过程的相互作用.试验和观测总是在特定尺度上进行的,认识和定量表达跨尺度相互作用需要应用机理模拟的方法.但是,现有的生态机理模型以单一尺度试验观测数据为基础,不能现实地模拟生态系统大尺度格局、结构和过程对环境变化的动态响应和适应.估计和预测由多尺度过程相互作用决定的陆地碳汇变化要求构建新的生态系统理论框架和机理模型,集成和定量表达从生理生态过程响应到生态系统格局适应性变化的传递机理和非平衡生态系统演替机制.多尺度数据-模型融合(Data-modelfusion)是近年来发展起来的生态系统碳循环研究的新方法,它包括应用多尺度观测数据建立跨尺度机理模拟模型;应用多种观测数据在不同尺度上对模型进行检验和验证;应用动态观 相似文献
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1引言方法论（methodology）就是把某种共同的发展规律和研究方法为讨论对象的一门学问。各门科学都有方法论，地震预报科学当然也应有自己的方法论。地震预报科学发展的巨大动力是人类社会的减灾需求和地球科学的发展需要，这二者之间是紧密相连的，因此，对地震预报科学发展规律的研究，如果抛开地震预报科学的内在因素，那是属于宏观的地震预报方法论范畴。地震预报工作者在研究地震预报课题时，也可以不考虑地震预报发展的外在推动力，专门就地震预报内在体系中的特定问题来进行分析研究，这样就需要考虑最有效的研究方法，同时也要懂得… 相似文献
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地球系统模拟和混沌时间序列 总被引：18，自引：0，他引：18
地球系统是非线性的系统.为了模拟地球系统,我们就必须了解非线性科学的最新进展.本文从非线性科学角度论述了地球系统模拟中的几个关键问题,如尺度是分层次的,不同尺度之间存在着相似性及标度律,同时也存在差异性及非均匀性.为此还介绍了一些概念:吸引子、分维、信息和熵等.最后本文还说明如何从地球系统中所观测到的时间序列取得地球系统模拟所需要的信息. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2020,(3)
正1引言全球变化水文学是全球变化研究与水文学交叉的一门新兴前沿学科.全球变化水文学综合水文学、气候学和地理学,研究不同时间和空间尺度上陆地水循环与全球变化相互作用,其核心目标是理解陆地水循环演变的自然和人为因素及其影响与反馈.随着地球演化进入人类主导的新地质时代——"人类世",在气候变化、土地利用/覆盖变化、人类用水活动等因素影响下,陆地水循环系统正在发生快速变化,水文过程呈现非稳态特征,对水文学的更新与发展提出了新需求(Abbott等, 2019).在此背景下,全球变化水文学(Global Change Hydrology)应运而生,试图厘清水循环变化的自然波动和人类"印记",以更好地理解水循环变化,为水资源可持续管理服务. 相似文献
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《地球物理学进展》2015,(5)
油藏地球物理技术是在地球物理技术自身进步和油田开发技术需求的"双驱动"背景下发展起来的,它能够综合运用多种地球物理方法研究油藏非均质性和动态性,从而提高油藏模型建立精度及流体预测和监测水平.通过多年深入研究,攻关形成了高精度三维地震、井间地震、3DVSP、多波多分量地震、非一致性时延地震、微地震、多尺度资料联合拓频、多尺度资料联合储层反演和多尺度资料约束配油藏建模等关键技术,形成了一整套对复杂陆相油藏进行精细研究的油藏地球物理集成配套技术.该技术系列在胜利油田以KX71断块为代表的典型复杂岩性油藏、以YX油田为代表的典型复杂断块油藏等试验区进行了应用,大幅度提高了油藏模型精度,显著提高了油气采收率.最后,本文探讨了油藏地球物理技术未来的发展方向. 相似文献
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地球系统科学综述 总被引：14，自引：0，他引：14
首先从人类面临全球性的重大问题、地球系统的全球化和地球系统科学的关系与传统地球科学三个方面介绍了地球系统科学提出的背景,阐述了地球系统科学国内外研究现状．然后,详细介绍了地球系统科学的概念与研究方法,主要包括研究思路、基本概念、地球系统过程、全球——区域信息获取、海量信息处理和分析及地球系统模型等．第三,构建了地球系统科学理论基础．主要包括：地球系统的连续动态系统、离散动态系统、地球系统的随机性、地球系统的自组织和地球系统的简单巨系统与复杂巨系统,重点介绍了地球系统科学子系统与各圈层相互作用的动力学模型与效应．第四,概述了地球系统的数字表达一数字地球和地球系统科学是可持续发展战略科学基础．最后,简述了中国开展地球系统科学研究的方向和面临的主要科学问题。 相似文献
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纳米尺度科学的研究者们在1 nm(纳米)到100 nm 空间范围内探索自然运作规律。尽管地球科学家们以探索大尺度、复杂的过程而自豪,但几乎所有地质现象的本源都来源于纳米尺度的现象。据保守估计,地球近表面由10~(30) nm~2的非生物和生物表面构成(Hochella and White,1990;Whitman, 相似文献
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地球物理信号中普遍含有噪声，消除噪声是地球物理信号处理中的关键技术之一.奇异功率谱分析（SSA）是在状态空间（又称相空间）中研究（系统）动力学、非线性科学与混沌现象的方法.本文在状态空间中通过SSA分解，研究、应用地球物理序列的尺度不变性进行多维分形滤波：通过在状态空间的SSA分解，构造了经验正交函数系（EOF）；在EOF子空间中定义了两种尺度与测度后，发现了两种测度与尺度皆在多个尺度范围内存在尺度不变性；利用这种尺度~测度的尺度不变性，设计、实现了多维分形奇异功率谱(MSSA)滤波模型；处理解释了大洋钻探（ODP）1143A孔岩芯自然反射性（NGR）资料；Fourier功率谱分析结果证明，MSSA能有效地压制噪声，提取有用信号.研究得出，嵌入维数对MSSA基本无影响（小于1/1000），多维分形滤波器（MSSA）能有效压制噪声或提取有用信号. 相似文献