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南极冰盖极端气温变化及未来预估研究

南极冰盖极端气温变化及未来预估研究

作者：翟照晟山东师范大学

学位级别：硕士

极端气温是影响南极冰盖环境演变及冰盖/冰架稳定性的重要因素,它的变化深刻影响着南大洋海冰状况、冰盖表面融化速率、南极及周边海洋生态系统,也对冰芯气候信息解释和科考活动顺利开展产生重要影响。因此,阐明南极冰盖极端气温的时空... 详细信息

极端气温是影响南极冰盖环境演变及冰盖/冰架稳定性的重要因素,它的变化深刻影响着南大洋海冰状况、冰盖表面融化速率、南极及周边海洋生态系统,也对冰芯气候信息解释和科考活动顺利开展产生重要影响。因此,阐明南极冰盖极端气温的时空变化规律、揭示形成机制并预测其未来变化对我们“认识南极、保护南极、利用南极”是十分必要的。然而,目前冰盖尺度极端气温时空变化及其机理尚不清楚,对其未来变化的预估研究也十分欠缺。本论文在分析南极冰盖近年来发生的两次超强天气尺度极端高温事件的形成机制基础上,基于ERA5再分析资料计算了1980-2022年南极冰盖的10个气候变化检测和指数专家组(ETCCDI)定义的极端气温指数,分析了南极冰盖极端气温日数与极端气温值的年际变化和趋势的空间格局,剖析了影响极端气温长期变化的主要海气模态并揭示了影响机理。最后,利用CMIP6多模式集合平均预估了SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5共四种不同情景下2025-2100年南极冰盖极端气温时空变化,对比了不同情景间的差异。主要结论如下:(1)2020年2月西南极冰盖和南极半岛发生超强极端高温事件,埃斯佩兰萨站观测到南极大陆有记录以来的最高温度;2022年3月东南极威尔克斯地也发生了一次超强极端高温事件,创下了地球表面短期内最剧烈的升温记录。两次事件期间,阻塞高压导致的反气旋型环流改变了南极地区由南半球环状模(SAM)主导的环流形势,干扰了盛行西风。阻塞高压及其延伸出的高压脊向冰盖内陆移动导致大气河流沿阻塞高压西侧登陆南极冰盖,驱动源自温带海洋上空的暖湿气流持续侵入冰盖内陆,通过增加向下长波辐射、感热与潜热通量快速加热冰盖表面大气,引发了强烈的极端高温事件。此外,在2020年2月的事件中,焚风效应导致南极半岛东部经历了比西部更剧烈的升温。(2)1980-2022年,南极冰盖极端高温事件强度和频率显著增加,而极端低温事件频率降低,强度减弱,年温差与平均日温差显著增大。过去43年来,南极冰盖各极端气温指数的变化表现出明显的空间异质性。TX90p(暖昼日数)和TN90p(暖夜日数)及其对应的极端温度值、TNx(日最低温极大值)、TXx(日最高温极大值)、TNn(日最低温极小值)、TXn(日最高温极小值)、ATR(气温年较差)、DTR(气温日较差)在南极冰盖大部分区域呈上升趋势,而TN10p(冷夜日数)、TX10p(冷昼日数)以下降趋势为主。大多数指数的变化速率在毛德皇后地沿海区域、由科茨地、龙尼冰架到南极点附近的区域最为显著。南大西洋与威德尔海的气旋型环流驱动暖湿空气入侵南极内陆是该区域极端高温事件频发、强度增加的重要原因。1980-2022年,南极冰盖沿海区域的日温差与年温差缩小,而南极内陆的日温差与年温差增大。(3)1980-2022年南半球高纬度大气环流变率的3个EOF主模态SAM、PSA1(太平洋-南美洲型1)、ZW3(纬向三波列)显著影响了南极冰盖极端气温变化。由热带变化驱动的纬向不对称环流模式ZW3、PSA1增强了由低纬地区向南极冰盖的经向气流与热量输送,导致南极冰盖极端高温事件(TX90p、TN90p)增多、极端低温事件(TN10p、TX10p)减少。SAM正相位代表纬向西风急流和极地涡旋加强,阻碍了热带驱动的大气波列侵入南极内陆,隔绝了极地冷气团与中纬度暖气团之间的热量交换,导致南极冰盖极端高温事件减少、极端低温事件频发,气温年较差与日较差增大。(4)CMIP6多模式集合平均结果表明,SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5情景下,2025-2100年南极冰盖极端高温强度和频率显著增加,而极端低温事件强度减弱、频率降低。由SSP1-2.6到SSP5-8.5情景,随着社会脆弱性和人为辐射强迫增加,未来南极冰盖各极端气温指数的变化速率逐渐增大。空间上,4种情景下TNx、TXx、TNn、TXn、TX90P、TN90P指数在几乎整个南极冰盖都呈显著上升趋势,而TX10P、TN10P指数则呈现显著下降趋势。TNx、TXx、TX90P、TN90P、TX10P、TN10P指数的变化速率在东南极高原最大,而在南极沿海区域、西南极冰盖西部、威尔克斯地较小。TXn、TNn指数增速最高的区域主要分布于西南极冰盖西部、南极半岛、东南极高原与毛德皇后地内陆区域。

关键词：南极冰盖极端气温时空变化 CMIP6 大气环流

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代理模型辅助的昂贵超多目标进化算法研究

代理模型辅助的昂贵超多目标进化算法研究

作者：翟照敏山东师范大学

学位级别：硕士

多目标优化问题普遍存在于现实生活之中,而多目标进化算法已成为解决这些问题广泛认可的主流方法。然而,许多实际问题被归类为昂贵的多目标优化问题,因为它们的真实评估需要大量的计算、时间或资源,多目标进化算法在解决这类问题时面临... 详细信息

多目标优化问题普遍存在于现实生活之中,而多目标进化算法已成为解决这些问题广泛认可的主流方法。然而,许多实际问题被归类为昂贵的多目标优化问题,因为它们的真实评估需要大量的计算、时间或资源,多目标进化算法在解决这类问题时面临挑战。为此,代理辅助的进化算法(Surrogate-Assisted Evolutionary Algorithms,简称SAEAs)被广泛运用。SAEAs利用有限数量的昂贵的真实评估来构建代价上廉价的代理模型,从而利用代理模型替代真实评估辅助优化。尽管如此,现有的单一代理模型使用中存在一些局限性,如过度拟合、局部最优解陷阱以及适应性不足等,因此有必要多个代理模型结合使用。此外,随着目标数量的增加,当优化目标超过三个时,算法的复杂性和计算成本也相应增加,在多维空间中搜索Pareto前沿变得更加困难,因此,需要更多的评价资源,这类问题也被称为昂贵的超多目标优化问题。在解决这类问题时,研究多个代理模型的结合使用尤为必要。基于此,本论文的主要研究工作包括以下两个方面:(1)为了应对单一代理模型的局限性,提出了一种双模型辅助基于分解的昂贵多目标进化算法(A Dual-Model Assisted Evolutionary Algorithm Based on Decomposition for Expensive Multi-Objective Optimization,简称MOEA/D-DMA)。该算法的核心在于其双模型管理策略,通过建立两种模型并进行交叉验证来生成偏差参数,以结合两种代理模型的预测结果替代真实评估。其次,引入了一种双算子繁殖策略。对于每个分解的子问题,算法在每一代选择相同的亲本群体,应用两个繁殖算子生成两个候选子代解,再选择最有前景的子代。通过双模型管理策略和优化策略,MOEA/D-DMA提升了预测精度和高效勘探能力。在UF基准问题上进行了一系列实验,其结果表明该算法有效地应对了强非线性和多个局部最优解等挑战,以及单一代理模型辅助进化算法陷入局部最优解陷阱等问题,在昂贵多目标进化算法领域具有竞争力。(2)针对昂贵超多目标优化问题,提出了一种复合模型辅助的昂贵超多目标进化算法(A Composite Surrogate-Assisted Evolutionary Algorithm For Expensive Many-Objective Optimization,简称CSA＿MaOEA)。该算法的关键在于复合模型管理策略和填充采样准则。首先,复合模型管理策略将代理模型分为两种不同的:基于所有经过昂贵的真实评估的数据集构建全局模型,以及针对数据集聚类产生的子集构建局部模型。其次,考虑到收敛性、多样性和不确定性的要求,提出了一种新的填充采样准则来指导后代解的选择。实验比较了所提出的算法的复合模型和填充采样准则上的有效性,并将算法与其它五种代理辅助算法进行了对比。实验结果表明,CSA＿MaOEA在收敛性和多样性方面均显著优于其他五种代理辅助的进化算法。同时,它也有效地应对了昂贵超多目标优化问题中的三大挑战:目标空间的极大性、Pareto支配性的失效以及真实评估成本的高昂。

关键词：多目标优化问题昂贵超多目标优化问题多目标进化算法代理辅助

基于改进蝴蝶搜索算法的DGPS整周模糊度快速解算

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中国惯性技术学报 2024年第2期32卷 139-145页

作者：尚俊娜罗照旺杭州电子科技大学通信工程学院杭州310018

为了快速准确地解算差分全球定位系统(DGPS)整周模糊度,提出了一种改进蝴蝶搜索算法(IBOA)求解整周模糊度。首先在蝴蝶优化算法(BOA)的香味系数中加入一个自适应权重,弥补BOA算法觅食行为中较弱的搜索能力;其次使用动态切换概率权衡BOA... 详细信息

为了快速准确地解算差分全球定位系统(DGPS)整周模糊度,提出了一种改进蝴蝶搜索算法(IBOA)求解整周模糊度。首先在蝴蝶优化算法(BOA)的香味系数中加入一个自适应权重,弥补BOA算法觅食行为中较弱的搜索能力;其次使用动态切换概率权衡BOA算法中全局搜索与局部搜索的比例;最后在全局搜索和局部搜索阶段引入新的迭代位置更新策略,提升了算法全局搜索能力和跳出局部最优能力。与最小二乘模糊度降相关平差算法(LAMBDA)算法进行1000个历元数据的解算对比实验,结果表明所提算法的平均搜索成功率比LAMBDA算法提高了5.07%。

关键词：差分全球定位系统整周模糊度改进蝴蝶搜索算法自适应权重

大直径盾构隧道近接高架桩基群施工影响分区方法与分区控制技术研究

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现代隧道技术 2024年第3期61卷 276-289页

作者：葛照国中铁十四局集团大盾构工程有限公司南京211899

为探究大直径盾构隧道施工近接高架桩基群的影响分区并提出有效的综合控制措施,以上海机场联络轨道工程中七宝山站—华井站区间盾构施工近接高架桩基群为工程背景,采用数值模拟以及理论分析提出近接影响分区方法,采用数值模拟与现场测... 详细信息

为探究大直径盾构隧道施工近接高架桩基群的影响分区并提出有效的综合控制措施,以上海机场联络轨道工程中七宝山站—华井站区间盾构施工近接高架桩基群为工程背景,采用数值模拟以及理论分析提出近接影响分区方法,采用数值模拟与现场测试验证的方法探究分区加固方案的控制效果与有效性,主要得到以下结论:(1)基于水平近接度与垂直近接度建立的近接影响分区方法可以用于桩基群的近接度分析;(2)建议强影响区采用MJS加固+隔离桩+承台下方袖阀管注浆的组合加固措施,弱影响区采用隔离桩控制的分区控制技术;(3)隔离桩主要起到隔绝土体水平变形的作用,MJS加固和承台下方注浆加固主要起到加固土体,减少土体受开挖扰动产生的松动滑移;(4)分区控制技术可以实现承台整体沉降降低50.4%、水平位移降低69.7%,桥墩柱整体沉降降低47.7%、水平位移降低56.0%,墩柱的倾斜度减小37.1%~46.9%。

关键词：大直径盾构隧道近接施工高架桩基群影响分区加固技术

单向复合材料均质化弹性性能预测的集成学习模型:基于SHAP方法的可解释性分析

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Acta Mechanica Sinica 2024年第3期40卷 109-122页

作者：王文照赵云妹李岩 School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics Tongji UniversityShanghai 200092China

本研究提出了一种可解释的集成学习(EML)数据驱动方法,用于快速预测单向纤维增强复合材料的均质化弹性性能.我们选择了三种机器学习模型――随机森林(RF)、极端梯度提升机(XGBoost)和轻量梯度提升机(LGBM)来构建EML模型.基于实验并建立... 详细信息

本研究提出了一种可解释的集成学习(EML)数据驱动方法,用于快速预测单向纤维增强复合材料的均质化弹性性能.我们选择了三种机器学习模型――随机森林(RF)、极端梯度提升机(XGBoost)和轻量梯度提升机(LGBM)来构建EML模型.基于实验并建立微观纤维分布的概率统计模型,结合有限元仿真,建立了反映纤维随机分布特征的代表性体元(RVE)模型,并创建相关数据集.通过准确性、效率、可解释性和泛化性等指标对EML模型的性能进行了全面评估,研究结果表明:(1)EML模型有效提升了基机器学习模型的预测精度(R2=0.962,MS E=5.41);(2)我们使用基于合作博弈理论的SHAP可解释性方法对预测结果进行了分析,其中,全局解释发现纤维的体积含量是影响复合材料均质化弹性性能的决定性变量,而局部解释阐明了输入特征对预测结果的关键影响机制;(3)EML模型在实验数据上表现出良好的泛化能力,计算结果与实验数据吻合度高,实现了复合材料均质化弹性性能的高效精准预测.

关键词： Composite materials Homogenization Ensemble learning Interpretation Model generalization

强化异常威客汉姆酵母对白酒酿造中微生物结构及酯类合成的影响

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中国食品学报 2024年第6期24卷 278-287页

作者：石馨惠明田青王洪照河南工业大学生物工程学院郑州450001 工业微生物菌种保藏与选育河南省工程研究中心郑州450001 河南豫坡酒业有限责任公司河南驻马店463900

异常威客汉姆酵母在白酒酿造中利于酯类化合物的合成。酯类是白酒的重要风味物质,其种类、含量对白酒的品质起至关重要的作用。采用模拟固态发酵技术研究白酒生产中人工添加异常威客汉姆酵母改善白酒风味物质的机制。试验共分为两组:空... 详细信息

异常威客汉姆酵母在白酒酿造中利于酯类化合物的合成。酯类是白酒的重要风味物质,其种类、含量对白酒的品质起至关重要的作用。采用模拟固态发酵技术研究白酒生产中人工添加异常威客汉姆酵母改善白酒风味物质的机制。试验共分为两组:空白组(a组)和添加异常威客汉姆酵母Y-1(b组),取不同发酵时期的酒醅样进行GC-MS分析,结果表明添加Y-1菌株可显著提高酒醅样品中酯类及其它风味物质的含量,其中b组中浓香型白酒主体酯己酸乙酯含量显著高于a组(P<0.05),发酵25 d时b组中己酸乙酯含量(856.1±4.00)mg/L。分别对发酵过程中两组酒醅进行高通量测序,Alpha多样性结果表明b组细菌群落多样性和丰富程度皆高于a组,而真菌的多样性和丰度较相似,各属间丰度有一定差异。结论:利用异常威客汉姆酵母发酵生产白酒,通过生物强化作用改变乙酸乙酯含量,从而导致其它风味物质的变化,该变化主要是由添加异常威客汉姆酵母引起微生物结构的变化所致,说明异常威客汉姆酵母Y-1具有提升固态发酵白酒风味物质的能力,尚需在实际生产中做进一步验证。

关键词：异常威客汉姆酵母白酒固态发酵微生物强化高通量测序技术

世界各国科研机构及高等院校优势学科比较——基于1981-2020年著名国际科技奖项的探讨

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科学学研究 2024年

作者：李强孟宪飞董照辉中国科学院科技战略咨询研究院中国农业科学院农业经济与发展研究所清华大学科研院中国农业科学院战略研究中心

该项研究通过构建科技创新活动投入产出模型，将用以表征国际一流学科的创新知识产出，从传统的论文、专利等成果形式，后移为国际学术界普遍认可并主动给予高额奖金和崇高荣誉的国际著名科技奖项。通过定义奖项声誉系数、国别差异系数... 详细信息

该项研究通过构建科技创新活动投入产出模型，将用以表征国际一流学科的创新知识产出，从传统的论文、专利等成果形式，后移为国际学术界普遍认可并主动给予高额奖金和崇高荣誉的国际著名科技奖项。通过定义奖项声誉系数、国别差异系数、优势衰减系数和规范化的学科优势指数计算，该方法能够较好地从国家、机构层面对学科总体和各学科优势进行比较。根据176个奖项1981-2020年6469人次授奖数据对71个国家的261个科研机构和480所高等院校的测算结果，虽然我国学科优势指数整体排在全球第12位，且同济大学和国家杂交水稻工程技术研究中心在建筑和农学领域分别进入全球前10位，但相比于我国发表国际论文数量比肩美国的领先优势仍有巨大落差，反映出我国在重大原创性成果产出方面与发达国家的明显差距。这种显著差距警醒我们要避免单纯以“漂亮”的国际论文及其衍生指标来评价学科发展水平、制定发展战略、配置科技资源，以免造成重大战略误判。除此以外，本研究还针对现有科研组织模式和绩效评价导向中存在的问题，从建立著名国际奖项标准规范并将其纳入统计评价体系，改变科研人员绩效工资与年度考核结果直接挂钩的评价导向，以及提升我国科技奖励体系对原始创新的识别度、提升国际化水平并设立中国特色国际科技大奖等方面给出政策启示。

关键词：科研机构高等院校优势学科著名国际奖项原始创新

循环肿瘤DNA在结直肠癌临床管理中的研究进展

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中华胃肠外科杂志 2024年第3期27卷 287-294页

作者：姜照宇付卫北京大学第三医院普通外科北京大学第三医院肿瘤中心北京100191

近年来,结直肠癌(CRC)在诊疗方面取得长足进步,但目前标准治疗方案仍存在诸多不足,因此亟需更有效的生物标志物,用于患者的个性化治疗。循环肿瘤DNA(ctDNA)检测作为一种动态、非侵入性的液体活检方法,克服了组织活检在检测肿瘤异质性和... 详细信息

近年来,结直肠癌(CRC)在诊疗方面取得长足进步,但目前标准治疗方案仍存在诸多不足,因此亟需更有效的生物标志物,用于患者的个性化治疗。循环肿瘤DNA(ctDNA)检测作为一种动态、非侵入性的液体活检方法,克服了组织活检在检测肿瘤异质性和分子演变中的不足。多项研究证据表明,ctDNA在复发风险分层、指导治疗决策和早期复发监测等方面展现出巨大前景。此外,ctDNA的应用还可提高临床研究的效率和药物开发。然而,ctDNA检测前变量和分析过程的标准化尚未统一,其技术成本也较高昂,这些均限制了其推广应用。本文总结了关于ctDNA在CRC临床管理中的现有证据,并提出了其局限性和改进策略。

关键词：结直肠肿瘤循环肿瘤DNA 风险分层复发监测

践行全球发展倡议谱写中国援外和国际发展合作新华章

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求是 2024年第12期 41-45页

作者：罗照辉国家国际发展合作署

发展承载着人民对美好生活的向往,是解决一切问题的总钥匙,也是人类社会的永恒主题。2021年9月21日,习近平总书记在第七十六届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话,把脉世界大势,洞察百年变局,郑重提出全球发展倡议,重振联合国2030年可... 详细信息

发展承载着人民对美好生活的向往,是解决一切问题的总钥匙,也是人类社会的永恒主题。2021年9月21日,习近平总书记在第七十六届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话,把脉世界大势,洞察百年变局,郑重提出全球发展倡议,重振联合国2030年可持续发展议程,为各国聚焦发展、团结发展、共同发展,推动全球发展迈向平衡协调包容新阶段,注入了思想动力,提供了行动指南。

关键词：思想动力国际发展合作平衡协调世界大势中国援外联合国大会聚焦发展倡议