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应用XCT断层扫描技术和GAN深度学习模型的多孔介质微观结构定量研究

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生态环境学报 2024年第1期33卷 119-130页

作者：李雪莹陆峥何源杨晓帆北京师范大学/环境演变与自然灾害教育部重点实验室北京100875 北京师范大学/地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 北京师范大学地理科学学部北京100875

物质在土壤中的迁移转化行为是研究地下水动力学的核心问题。定量化表征多孔介质拓扑结构并计算分析相关表面形态学参数,为研究复杂介质内物质运移微观机理提供了重要的数据基础和参数。应用微米级X射线计算机断层扫描(XCT)和图像处理技... 详细信息

物质在土壤中的迁移转化行为是研究地下水动力学的核心问题。定量化表征多孔介质拓扑结构并计算分析相关表面形态学参数,为研究复杂介质内物质运移微观机理提供了重要的数据基础和参数。应用微米级X射线计算机断层扫描(XCT)和图像处理技术,结合前沿的机器学习算法重建和定量分析多孔介质微观结构,可快速、批量创建高分辨率的复杂多孔介质研究样本。首先采用XCT技术,提取石英砂和散装土壤两类典型多孔介质的微观孔隙结构;而后基于生成对抗神经网络(GAN)模型重构复杂多孔介质的微观空间结构,与XCT扫描图像进行交叉验证;最后,计算获取Minkowski形态学参数,并基于多孔介质微观结构开展计算流体力学(CFD)数值模拟,计算石英砂和土壤多孔介质内的流动特征和渗透率。结果表明:1)GAN生成的合成数据与原始数据符合KS同分布,说明GAN能够成功合成与原始图像结构空间分布模式一致的图像;2)Minkowski宏观参数评价误差的较小,KS同分布结果表明,多孔介质样本的结构异质性会在一定程度上影响GAN模型的计算精度和效率;3)Open FOAM模拟计算得到的渗透率结果表明,GAN模型生成的多孔介质图像与原始图像具有一致的统计特征和物理性质。综上,综合运用前沿的XCT扫描、图像处理技术和机器学习算法,构建了土壤微观结构重建和定量分析模型,并结合多孔介质形态学和计算流体力学方法对模型进行了验证和分析。该研究为多孔介质微观结构研究提供了新技术和新方法,为进一步研究复杂多孔介质内溶质运移提供了科技支撑。

关键词：多孔介质 XCT断层扫描 GAN模型 Minkowski参数计算流体力学渗透率

1979-2021年中国南海海表风速和大风事件的变化特征

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高原气象 2024年第3期43卷 696-710页

作者：李晨轩韦志刚北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室北京100875 北京师范大学地理科学学部北京100875

利用欧洲中期天气预报中心European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)最新的第五代再分析资料ECMWF Reanalysis v5(ERA5),定义了大风事件,使用经验正交分解等方法分析了1979-2021年中国南海海表风速和大风事件的变化特... 详细信息

利用欧洲中期天气预报中心European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)最新的第五代再分析资料ECMWF Reanalysis v5(ERA5),定义了大风事件,使用经验正交分解等方法分析了1979-2021年中国南海海表风速和大风事件的变化特征,并对是否受热带气旋的影响进行了区分。结果发现,南海风速分布呈现出十分明显的季节特征,冬季主要为东北风,夏季为西南风;春、夏季南海东北部与其他地区风速变化存在反向关系,除东北部沿海地区外,春季平均风速变化经历了减小-增大-减小的变化,总体呈较弱的增加趋势;而夏季则是增大-减少-增大,总体呈减小趋势。秋季南海风速呈全区一致的变化,呈减小趋势。冬季变为东南与其余部分反向,除西南部外,风速呈显著增强趋势。大风事件发生在风速较大的区域和时间内,冬季和秋季发生大风事件的频次要高于春季和秋季,冬半年要高于夏半年;在冬季和冬半年,大风事件的发生频次在南海中部长山山脉东侧直到南海东北部台湾海峡附近有显著上升趋势;大风事件频次变化趋势随季节改变有很大的差异,冬季和春季大风事件频次变化趋势与夏季和秋季相反。夏半年大风事件频次变化融合了夏季和秋季的变化趋势特点;类似的冬半年大风事件频次融合了冬季和春季的变化趋势特点。在夏季,秋季和夏半年这些受到南海夏季季风影响的季节内,热带气旋对发生的大风事件频次影响更大;对在冬季,春季和冬半年发生的大风事件则影响较小。

关键词：南海气候变暖 ERA5再分析资料大风事件极端事件

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基于水体交换能力的调水工程对底栖动物群落影响研究

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水力发电学报 2024年第4期43卷 62-72页

作者：方青青王国强张尚弘王运涛张思远华北电力大学水利与水电工程学院北京102206 北京师范大学地理科学学部地理数据与应用分析中心北京100875

水文条件的改变会引起水生态系统的波动变化,大型调水工程的实施会改变水生生物群落结构。本研究分别调研了南四湖和东平湖在调水工程实施前后一段时间的大型底栖动物群落结构,模拟分析了调水工程引起的湖泊水龄变化特征,从水体交换能... 详细信息

水文条件的改变会引起水生态系统的波动变化,大型调水工程的实施会改变水生生物群落结构。本研究分别调研了南四湖和东平湖在调水工程实施前后一段时间的大型底栖动物群落结构,模拟分析了调水工程引起的湖泊水龄变化特征,从水体交换能力的角度探讨了大型调水工程对湖泊中大型底栖动物群落的影响。结果显示,调水工程运行一段时间后,东平湖中大型底栖动物群落在年尺度上从由小体型的水生昆虫类主导转变为由大体型的软体动物主导,南四湖中软体动物的优势在调水工程实施之后更加凸显。在季节尺度上,软体动物占比通常在调水期(非雨季)减小,而在非调水期(雨季)增大。调水工程的实施改变了湖泊水动力场特征,在年尺度上增强了湖泊水体交换能力,调水入流与入湖径流的叠加使湖泊水体的高流速时间变长,这不利于小体型物种稳定生长,进而导致在年尺度上大体型软体动物的占比逐渐增大。此外,调水工程的实施主要是提升了非雨季湖泊的水体交换能力,但增加调水后的非雨季湖泊水体交换能力仍然小于雨季,这也导致软体动物占比在调水工程实施前后均呈现在雨季减小在非雨季增加的规律。

关键词：水动力大型底栖动物南水北调南四湖东平湖水龄

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基于生态原则的青藏高原行政区划调整思考

北京师范大学学报（自然科学版） 2024年第1期60卷 106-111页

作者：潘峰华刘紫星葛岳静宋长青北京师范大学地理科学学部环境遥感与数字城市北京市重点实验室北京

在生态文明建设的新时代,传统行政区划原则和我国的行政区划调整实践对生态因素考虑不够,甚至与生态治理产生了冲突.本文提出行政区划要注重生态原则,要以有利于生态保护和开发作为行政区划调整和优化的重要出发点.在生态意义重大的地区... 详细信息

在生态文明建设的新时代,传统行政区划原则和我国的行政区划调整实践对生态因素考虑不够,甚至与生态治理产生了冲突.本文提出行政区划要注重生态原则,要以有利于生态保护和开发作为行政区划调整和优化的重要出发点.在生态意义重大的地区,行政区划调整应该成为提升生态治理、促进生态文明建设的重要手段.依据生态原则调整和优化行政区划,要充分发挥生态功能区划的指导作用.青藏高原是我国重要的生态安全屏障,但是行政区划的分割在一定程度上影响了生态治理,重要生态项目的规划建设也对现有的行政区划格局提出了挑战.未来应该考虑将行政区划调整作为促进青藏高原生态治理的手段,通过发挥行政区划的资源效应,提升青藏高原的空间治理能力,促进生态文明建设.

关键词：行政区划生态原则空间治理生态文明建设青藏高原

天文旋回约束下东营凹陷中始新统含碳酸盐细粒沉积岩成因分析

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沉积学报 2024年第2期42卷 688-700页

作者：栾旭伟孔祥鑫张金亮蒋龙彭艳霞蔡媛中国地质大学(北京)能源学院北京100083 北京师范大学地理科学学部自然资源学院北京100875 中石化胜利油田山东东营257000 南京大学地球科学与工程学院南京210023

【目的】通过对中国东部渤海湾盆地东营凹陷发育的大套具有韵律特征的富含碳酸盐物质和有机质的湖相细粒沉积岩进行深入研究,以期探究其成因机制以及古气候、古环境的变化特征。【方法】基于岩心和薄片观察,依据沉积构造特征和矿物组分... 详细信息

【目的】通过对中国东部渤海湾盆地东营凹陷发育的大套具有韵律特征的富含碳酸盐物质和有机质的湖相细粒沉积岩进行深入研究,以期探究其成因机制以及古气候、古环境的变化特征。【方法】基于岩心和薄片观察,依据沉积构造特征和矿物组分含量进行岩相划分。结合沉积环境和沉积速率的差异,将目标层段划分为四个单元,采取Multi-Taper Method(MTM)方法对樊页1井(FY1)沙四上(Esu4)到沙三下(Esl3)亚段的自然伽马(GR)测井曲线进行分段频谱分析。【结果】通过宏观和微观沉积观察,将东营凹陷地区发育的细粒岩划分为纹层状泥质灰岩、纹层状灰质泥岩、弱纹层状灰质泥岩、透镜状泥质灰岩和块状泥岩五种岩相。频谱分析结果显示,四个单元均记录了米兰科维奇旋回信号,包括125 kyr、38.7 kyr和18.7 kyr的周期。基于火山灰测年数据,我们建立了精度为38.7 kyr的“浮动”天文年代标尺,并确定东营凹陷沙四上到沙三下细粒岩沉积的总持续时间为5.3 Myr。进一步分析发现,18.7 kyr岁差旋回与碳酸盐岩含量变化之间存在良好的对应关系,表明地球轨道参数对含碳酸盐细粒沉积岩的沉积作用具有显著影响。【结论】本研究利用旋回地层学理论,从天文周期控制沉积作用的角度,揭示了湖泊沉积的古气候、古环境变化特征。通过分析,我们发现地球轨道参数(特别是18.7 kyr岁差旋回和125 kyr偏心率旋回)共同驱动了气候的变化,进而控制了含碳酸盐细粒沉积岩的沉积作用。具体表现为,在岁差极大值点或偏心率极小值处,日照量增多,湖盆水体温度升高,有利于方解石结晶和灰岩沉积;而在岁差极小值或偏心率极大值处,日照量减少,湖盆水体温度降低,细粒物质主要来自陆源输入,以泥岩沉积为主。这一研究成果对于非常规油气勘探开发具有重要的科学和指导意义。

关键词：旋回地层学东营凹陷 “浮动”天文年代标尺含碳酸盐细粒沉积岩

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1980—2016年中国北方风蚀气候侵蚀力的变化

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地理科学 2024年第4期44卷 703-710页

作者：刘伟邹学勇刘博王汝幸王祖正天津师范大学地理学部天津300387 北京师范大学地理科学学部北京100875 中国环境科学研究院北京100012 合肥大学旅游与会展学院安徽合肥230601

随着修订风蚀方程(RWEQ)的提出,采用增加了冻结因子的气候因子(WF)表达风蚀气候侵蚀力更具有科学性和必要性。基于中国北方风蚀区157个气象站1980—2016年的观测数据,逐月计算了各站点气候因子,并探讨了气候因子时空分布变化特征及影响... 详细信息

随着修订风蚀方程(RWEQ)的提出,采用增加了冻结因子的气候因子(WF)表达风蚀气候侵蚀力更具有科学性和必要性。基于中国北方风蚀区157个气象站1980—2016年的观测数据,逐月计算了各站点气候因子,并探讨了气候因子时空分布变化特征及影响因素。结果表明:①1980—1997年,年气候因子值表现为快速下降,从940.46 kg/m下降到273.03 kg/m;而1998—2016年,年气候因子值表现相对稳定,在139.81~398.85 kg/m范围内波动。②春季气候因子值约占全年63%,其变化也显著高于其它季节,这也是土壤风蚀发生在春季的主要原因。③气候因子的高值区分布在新疆东部、青海西部、40°N以北的内蒙古中西部,这与气压中心和高大山体地形分布有关。

关键词：气候因子土壤风蚀全球变暖北方风蚀区

青藏高原地区绿色全要素生产率时空分异与驱动机理

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长江流域资源与环境 2024年第6期33卷 1182-1196页

作者：刘庆芳谢佳亮张先甜吴卫宋金平杨显明北京师范大学地理科学学部北京100875 华南理工大学旅游管理系广东广州510006 湖南师范大学旅游学院湖南长沙410081 湖南财政经济学院湖南省经济地理研究所湖南长沙410205 青海师范大学地理科学学院青海西宁810016

提高绿色全要素生产率是促进青藏高原地区经济社会高质量发展的重要举措。基于2000~2019年青藏高原地市州面板数据,综合运用全域Malmquist-Luenberger指数、非参数Kernel核密度估计、空间马尔科夫链和面板分位数回归等方法,分析青藏高... 详细信息

提高绿色全要素生产率是促进青藏高原地区经济社会高质量发展的重要举措。基于2000~2019年青藏高原地市州面板数据,综合运用全域Malmquist-Luenberger指数、非参数Kernel核密度估计、空间马尔科夫链和面板分位数回归等方法,分析青藏高原地区绿色全要素生产率的时空演化特征及其驱动机理。结果表明:(1)研究期内,青藏高原地区绿色全要素生产率的演化趋势相对稳定,在省区和地市州层面上均波动起伏,上下徘徊,呈现“多峰”波浪型集聚形态;(2)青藏高原地区地市州绿色全要素生产率空间分异的连续性和稳定性良好,在空间上存在跨越式转移的可能,并在连续转移过程中存在“马太效应”;(3)经济发展水平、产业结构和人口规模均能在不同水平上促进青藏高原地区绿色全要素生产率的提升,而城镇化进程的加速不利于绿色全要素生产率的增长。

关键词：高质量发展绿色全要素生产率全域Malmquist-Luenberger指数空间马尔科夫链青藏高原地区

基于冷暖季放牧区划分的玉树州草畜平衡估算及变化分析

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草业科学 2024年第4期41卷 1007-1019页

作者：夏兴生马国秀车红岩潘耀忠黄永生李宏达青海师范大学高原科学与可持续发展研究院青海西宁810016 青海师范大学地理科学学院青海西宁810016 北京师范大学地理科学学部遥感科学国家重点实验室北京100875 青海省草原总站青海西宁810008

玉树州作为三江源高寒生态屏障区以牧为主农牧业结合发展的核心地区,草畜平衡不仅关系生态屏障安全,也对实现科学的畜牧业经济管理具有重要的指导意义。因此,本研究以探究高寒生态屏障区天然草地的草畜平衡变化为目的,选择玉树州为研究... 详细信息

玉树州作为三江源高寒生态屏障区以牧为主农牧业结合发展的核心地区,草畜平衡不仅关系生态屏障安全,也对实现科学的畜牧业经济管理具有重要的指导意义。因此,本研究以探究高寒生态屏障区天然草地的草畜平衡变化为目的,选择玉树州为研究区,利用2014-2019年MOD13A1 NDVI产品数据和MOD17A3H NPP产品数据、统计数据、植被类型数据,在划分县域冷暖两季放牧区的基础上,以“木桶效应”确定了各县(市)天然草地的合理载畜量并对其草畜平衡进行了评估。结果表明:1)按照理论上的自然轮牧规律,参考固定面积比例和年内NDVI的时空分布规律划分的玉树州各县(市)冷季放牧区分布于较温暖的沟谷地区,暖季放牧区处于高寒区域,且冷季放牧区产草量大于暖季放牧区。2)年际间冷暖季放牧区干草产量均呈波动增长趋势,年均增长率均在3.00%以上且暖季放牧区年产草量增长率大于冷季放牧区。3)2014-2019年玉树州整体的草畜平衡状态由临界超载和超载波动转为平衡,但各县(市)草畜平衡状态存在差异,推测可能是因为自然保护区和国家公园生态工程支持的空间范围差异引起的。本研究对进一步修订三江源自然保护区和国家公园建设方案,实施高寒生态屏障区生态和畜牧业经济的良性发展策略具有一定的参考价值。

关键词：遥感轮牧木桶效应高寒草地载畜量生态屏障区青藏高原

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浪漫土耳其--自然奇景,炫彩之都

地理教学 2024年第14期 F0002-F0002,F0003页

作者：关潇赵鹏飞北京师范大学教育学部北京100875 华东师范大学地理科学学院上海200241

土耳其地跨欧亚,位于地中海之滨,因其重要的地理位置,享有“亚欧十字路口”的美称。每年数千万的游客来到土耳其,不仅可以感受亚欧文明交融的独特文化,也可以欣赏海天一色的风光,体验高山滑雪的激情,乘坐热气球鸟瞰独具特色的地貌景观,... 详细信息

土耳其地跨欧亚,位于地中海之滨,因其重要的地理位置,享有“亚欧十字路口”的美称。每年数千万的游客来到土耳其,不仅可以感受亚欧文明交融的独特文化,也可以欣赏海天一色的风光,体验高山滑雪的激情,乘坐热气球鸟瞰独具特色的地貌景观,体会土耳其独特的自然景观和历史文化。作为世界文化遗产之一的棉花堡,是钙华形成的天然梯田,位于土耳其西南部的丘陵地带。棉花堡的形成过程较为复杂。喀斯特地区的地下温泉水中含有大量以碳酸氢钙形式存在的可溶性钙离子,温泉水沿岩石裂隙涌出,在地形凸起处流速较快,水中可溶解的二氧化碳减少,钙离子以碳酸钙的形式析出,不断沉积,形成了层层叠叠的半圆形白色钙化堤,远远望去就像棉花建成的城堡。

关键词：高山滑雪碳酸氢钙温泉水世界文化遗产地貌景观岩石裂隙土耳其钙离子