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物理引导的深度学习研究综述：进展、挑战和展望

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计算机科学与探索 2024年

作者：陈冲朱啸宇王芳许雅倩张伟中国石油大学(北京)人工智能学院中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程重点实验室可可托海站

尽管深度学习在处理非线性高维问题时展现出强大的能力，但在复杂科学与工程问题中仍面临诸多挑战，如高昂的计算成本、大量的数据需求、难以解释的黑盒特性，以及缺乏对物理规律的建模能力.为此，近年来涌现了一种新的框架——物理引... 详细信息

尽管深度学习在处理非线性高维问题时展现出强大的能力，但在复杂科学与工程问题中仍面临诸多挑战，如高昂的计算成本、大量的数据需求、难以解释的黑盒特性，以及缺乏对物理规律的建模能力.为此，近年来涌现了一种新的框架——物理引导深度学习，通过将领域内的物理知识融入深度学习模型的构建和训练过程中，旨在增强模型的性能、可解释性及其物理一致性.本文对国内外关于物理引导深度学习的相关工作进行了全面梳理与分析.首先，介绍了物理引导深度学习框架的主要动机与理论基础.其次，对物理信息组合与物理信息融合两种模式进行了详细讨论，总结了各方法的特点、局限性与应用场景.最后，分析了物理引导深度学习在多领域应用中的表现，并从计算复杂性与优化收敛问题、控制方程偏离问题、观测数据依赖问题与知识融合困难问题四个方面探讨了该框架目前面临的挑战，并基于此展望该领域未来的发展方向，为未来研究者提供了借鉴思路及多维度视角.

关键词：科学范式物理引导深度学习模型融合控制方程

全球极端降水对不同外强迫的敏感性响应:基于PDRMIP模拟试验

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科学通报 2024年第15期69卷 2093-2106页

作者：武洁石正国解小宁杨永恒刘方圆中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室西安710061 中国科学院大学北京100049 西安交通大学全球环境变化研究院西安710049 中国科学院西北生态环境资源研究院兰州730000

全球增暖背景下极端降水变化受到了温室气体、太阳辐射、气溶胶等自然与人为强迫因素的共同影响.本文基于“降水驱动与响应模式间比较计划”(A Precipitation Driver and Response Model Intercomparison Project,PDRMIP)提供的9个全球... 详细信息

全球增暖背景下极端降水变化受到了温室气体、太阳辐射、气溶胶等自然与人为强迫因素的共同影响.本文基于“降水驱动与响应模式间比较计划”(A Precipitation Driver and Response Model Intercomparison Project,PDRMIP)提供的9个全球气候模式模拟的针对5种不同因子(加倍二氧化碳、增加2%的太阳辐射、10倍黑碳、5倍硫酸盐、3倍甲烷)高强迫情景下的理想试验,利用气候变化检测和指数专家组(Expert Team on Climate Change Detection and Indices,ETCCDI)定义的4个降水指数,详细分析了不同外部强迫因子作用下全球极端降水的响应.结果表明,相比于平均降水,在5种强迫因子作用下极端降水指数均表现出更大的变化.与加倍二氧化碳相比,增加2%的太阳辐射、5倍硫酸盐气溶胶和3倍甲烷强迫下全球极端降水对温度变化的响应更加强烈,而10倍黑碳气溶胶强迫下的降水变化则表现出较强的模式间差异.在加倍二氧化碳、增加2%的太阳辐射和3倍甲烷强迫下,极端降水的变化表现相似的纬向分布特征,最强的降水响应出现在赤道地区;10倍黑碳、5倍硫酸盐气溶胶强迫下则表现出明显的南北半球差异.水汽收支诊断结果揭示了在高强迫情景下,二氧化碳、太阳辐射和甲烷强迫下热带地区更强烈的降水变化主要与热力作用有关,而动力作用可能是导致黑碳、硫酸盐气溶胶强迫下降水变化的主要原因.

关键词：极端降水敏感性 PDRMIP 气候强迫

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兰州市大气挥发性有机物变化特征

环境科学学报 2024年第8期44卷 59-69页

作者：周惜荫高晓清常毅赵素平中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049 甘肃省环境监测中心站兰州730000

基于甘肃省兰州市大气综合观测站(超级站)2020—2021年长时间观测结果,本文利用HYSPLIT模型及OFP方法,估算了兰州市大气挥发性有机物(VOCs)的传输特征和本地贡献.结果表明,不同VOCs种类体积浓度有明显的日变化特点,相对高值主要出现在7... 详细信息

基于甘肃省兰州市大气综合观测站(超级站)2020—2021年长时间观测结果,本文利用HYSPLIT模型及OFP方法,估算了兰州市大气挥发性有机物(VOCs)的传输特征和本地贡献.结果表明,不同VOCs种类体积浓度有明显的日变化特点,相对高值主要出现在7:00—12:00(BJT,下同),相对低值主要出现在0:00—4:00和14:00—20:00,除含氧挥发性有机物(OVOCs)和卤代烃外,其他种类VOCs体积浓度冬季高夏季低;2020—2021年兰州市VOCs种类主要以OVOCs为主,烯烃对臭氧生成贡献最大;VOCs长距离传输源分布在新疆、青海省,短距离输送源主要在甘肃省的中部和东南部地区;1000 m以上高度处,VOCs以长距离输送为主,1000 m以下以短距离输送为主.夏、秋季1000 m以上长距离传输气团携带的VOCs平均体积浓度较高;冬、春季1000 m以上高度短距离传输气团携带的VOCs平均体积浓度最高.本工作对科学制定兰州市大气污染防治对策有重要参考价值.

关键词：大气综合观测站大气挥发性有机物(VOCs) 季节特征 HYSPLIT 兰州市

富营养化湖泊藻华腐解产生的溶解性有机质动态变化及其环境效应

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环境科学 2024年第3期45卷 1539-1552页

作者：张瑾陈明滢郝智能钟寰何欢雷沛南京大学环境学院污染控制与资源化研究国家重点实验室南京210023 南京师范大学环境学院南京210023 中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室北京100085 中国科学院大学北京100049 中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室北京100085

富营养化和有害藻华是湖泊面临的主要环境问题,富营养化湖泊藻华在后期会发生衰亡和腐解并产生大量藻源溶解性有机质(DOM),影响水体DOM的质量和活性,并对关键元素的生物地球化学循环产生重要调控作用.为探究不同富营养化程度湖泊水体藻... 详细信息

富营养化和有害藻华是湖泊面临的主要环境问题,富营养化湖泊藻华在后期会发生衰亡和腐解并产生大量藻源溶解性有机质(DOM),影响水体DOM的质量和活性,并对关键元素的生物地球化学循环产生重要调控作用.为探究不同富营养化程度湖泊水体藻华腐解过程,对藻华腐解过程中水体DOM总量、生物有效性、相对分子质量和组分的动态变化进行分析,并探讨了藻华腐解引发的环境效应.结果表明,藻华腐解显著提高DOM浓度、生物有效性和各荧光组分强度.随着腐解的进行,DOM浓度逐渐降低,而相对分子质量逐渐增大.在分子水平上,超高分辨率质谱结果显示腐解过程中不饱和烃和脂肪族化合物优先被微生物利用,并生成木质素、缩合烃和高O/C值的单宁酸等惰性分子.藻华腐解过程中细菌群落主要优势种从变形菌门(46%)逐渐变为拟杆菌门(42%).此外,藻华腐解还导致水体CO_(2)和CH_(4)排放显著升高1.2~5倍,且排放量可以由DOM光学指标a254预测.该结果为全面揭示藻华腐解过程中DOM特征的动态变化,以及湖泊富营养化治理和环境效应预测提供理论依据和科学支撑.

关键词：溶解性有机质生物有效性相对分子质量藻华腐解温室气体

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阿拉斯加苔原植被优势种地理分布的未来模拟

冰川冻土 2024年第3期46卷 1019-1027页

作者：康国慧吴晓东徐海燕刘桂民张婷殊秋丽陈卓李羽莹王耀新黄韵双兰州交通大学环境与市政工程学院甘肃兰州730070 中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站甘肃兰州730000

北极地区被认为是气候变化最为敏感的地区之一,苔原生态系统在北极生态系统中扮演着至关重要的角色。本研究利用生态位模型MaxEnt,基于物种分布点和环境数据,模拟阿拉斯加苔原植被六个优势种当前(1970—2000年)潜在分布,并预测2021—204... 详细信息

北极地区被认为是气候变化最为敏感的地区之一,苔原生态系统在北极生态系统中扮演着至关重要的角色。本研究利用生态位模型MaxEnt,基于物种分布点和环境数据,模拟阿拉斯加苔原植被六个优势种当前(1970—2000年)潜在分布,并预测2021—2040年SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5情景下的变化,根据各因子贡献率大小确定主导因素。研究结果表明:影响物种分布的最主要环境因子是温度,优势种适生区变化存在空间异质性。相较于当前气候,在2030年四种气候情景下,矮灌木优势种北极果面积均减小,地衣优势种鹿蕊和莎草优势种白毛羊胡子草总面积均增大。在低强迫情景(SSP1-2.6)下,北极果和匍匐矮灌木优势种仙女木适生区总面积增大,然而在中、中高和高辐射强迫情景下,全球变暖加剧,适生区面积减小。半匍匐矮灌木优势种四棱岩须和苔藓优势种塔藓在不同气候情景下适生区总面积无规律性变化,但低适生区面积均减小,向中、高适生区转移。同时,优势物种会向更高纬度和更高海拔地区移动。

关键词：气候变化苔原植被优势种最大熵模型环境因子适生区阿拉斯加

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高温高含冰量冻结砂土的三轴压缩力学特性

哈尔滨工业大学学报 2024年第7期56卷 124-131页

作者：马付龙刘恩龙王丹康建宋丙堂冻土工程国家重点实验室(中国科学院西北生态环境资源研究院) 兰州730000 中国科学院大学北京100049 四川大学水利水电学院成都610065

为深入研究高温高含冰量冻土的力学特性与变形机制,以不同含冰量的冻结砂土为研究对象,通过开展-1.5℃下的三轴压缩试验,讨论了围压和含冰量对冻结砂土力学特性的影响,并分析了常规饱和冻土与高含冰量冻土在变形机制上的差异。结果表明... 详细信息

为深入研究高温高含冰量冻土的力学特性与变形机制,以不同含冰量的冻结砂土为研究对象,通过开展-1.5℃下的三轴压缩试验,讨论了围压和含冰量对冻结砂土力学特性的影响,并分析了常规饱和冻土与高含冰量冻土在变形机制上的差异。结果表明:针对砂土提出的“冰砂混合,分层压实,下部补水”的制样方法可制出土颗粒分布均匀的高含冰量饱和冻土试样;高含冰量冻结砂土与饱和冻结砂土的强度和体变差异很大,但不同含冰量的高含冰量冻结砂土的应力-应变关系和体变很接近;不同围压下的67%含冰质量分数冻结砂土均为应变软化型,且随着围压的增大,试样应变软化的程度逐渐降低,体变逐渐由体胀向体缩转化;饱和冻结砂土受力时是由土颗粒、冰和未冻水共同承担;而高含冰量冻结砂土主要由冰直接承担外力,冰中夹杂的土颗粒间接地影响了冰的力学性质。

关键词：高温高含冰量冻土砂土三轴试验力学特性变形机制

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近200年青藏高原东南部真布错硅藻记录与环境变化

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地理学报 2024年第5期79卷 1231-1245页

作者：何晋娜索娜卓嘎张继峰曹鹏熙王俊伟袁艳丽葛梦娟杨凤琴刘建宝太原师范学院地理科学学院晋中030619 西藏自治区生态环境监测中心拉萨850000 西藏大学生态环境学院青藏高原生物多样性与生态环境保护教育部重点实验室拉萨850000 西藏雅尼湿地生态系统国家定位观测研究站拉萨850000 中国科学院青藏高原研究所古生态与人类适应团队北京100101 青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室北京100101

近200年来青藏高原湖泊生态系统对气候变暖的响应研究多集中在深水湖泊,而对大量浅水湖泊生态系统的研究较为匮乏。本文以青藏高原东南部浅水湖真布错为研究对象,通过对沉积物柱芯的^(210)Pb、^(137)Cs测年和高分辨率硅藻鉴定分析,重建... 详细信息

近200年来青藏高原湖泊生态系统对气候变暖的响应研究多集中在深水湖泊,而对大量浅水湖泊生态系统的研究较为匮乏。本文以青藏高原东南部浅水湖真布错为研究对象,通过对沉积物柱芯的^(210)Pb、^(137)Cs测年和高分辨率硅藻鉴定分析,重建该湖过去200年来硅藻属种组合变化,并结合沉积物总有机碳(TOC)含量、总氮(TN)含量、碳氮比(C/N)等指标,探讨湖泊生态系统对气候变化等因素的响应。结果显示,1820—1950年硅藻组成中水生植物附生种Encyonema lange-bertalotii的百分含量较高,表明真布错水生植物较繁盛,湖水透明度高。1950年以来,硅藻组合发生了突变,附生种Encyonema lange-bertalotii的百分含量快速下降,耐低光照的small Fragilaria成为优势属,表明水生植物衰退,湖水透明度降低;同时TOC和TN含量升高,C/N减小,指示湖泊生产力和营养水平升高,藻类在湖泊有机质中占比增加。气温快速升高、降水量增加(冲刷流域更多营养物质进入湖泊)和人类活动增强(流域内出现新建寺庙)可能共同导致湖泊生产力升高,藻类繁盛,水生植物衰退,水体透明度下降,最终引起硅藻群落的突变。因此,在青藏高原气候暖湿化背景下,浅水湖泊可能面临生态系统的转变,未来应该加强该类湖泊的监测与保护。本文记录的高原浅水湖泊生态系统突变时间与中国和全球其他地区基本一致,这也为确定人类世的地层标记提供了新的证据。青藏高原湖泊可以作为研究人类世的天然实验室。

关键词：青藏高原浅水湖泊硅藻古生态气候变化

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青海湖入湖口水温演变初步研究

干旱区研究 2024年第9期41卷 1503-1513页

作者：谢刚王甜甜于涛董靖玮陈世强王梦晓张圣杰张浩铭兰州理工大学石油化工学院甘肃兰州730050 中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院青海湖综合观测研究站青海刚察812300

受全球气候变暖的影响,青藏高原湖泊、河流的温度显著升高,水温变化与水生生物的繁育息息相关,但目前对于青海湖裸鲤洄游产卵的重要场所——河流入湖口的水温研究较少,水温变化对于裸鲤产卵的影响也尚不明确。因此本研究基于刚察气象站... 详细信息

受全球气候变暖的影响,青藏高原湖泊、河流的温度显著升高,水温变化与水生生物的繁育息息相关,但目前对于青海湖裸鲤洄游产卵的重要场所——河流入湖口的水温研究较少,水温变化对于裸鲤产卵的影响也尚不明确。因此本研究基于刚察气象站观测数据、中国区域地面气象要素驱动数据集(CMFD)、欧洲中期天气预报中心第五代陆面再分析数据集(ERA5-Land)、第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的多模式数据,尝试利用Fresh water Lake Model(简称FLake模式)模拟青海湖最大支流布哈河入湖口处水温并评估其适用性,探讨了再分析数据和CMIP6多模式数据驱动模拟历史(1981—2014年)水温的集合的优越性,预估了未来时期(2024—2100年)三种情景下的水温演变及成因,结果表明:(1)CMFD和ERA5-Land模拟水温的集合优于单个模式的模拟水温且在短期和长期模拟结果精度都较好,CMIP6多模式长期的模拟水温集合优于单个模式的模拟水温,可以较好的再现再分析数据模拟水温的集合。(2)未来布哈河入湖口的水温随着排放强度的增加显著升高,与水温呈正相关的气象因子从大到小依次为气温、比湿、向下长波辐射和向下短波辐射,呈负相关的气象因子是风速;除远期高排放情景(SSP585)的向下短波辐射,其他情景的气象因子与水温的关系均通过了95%的显著性检验。(3)近期(2024—2040年),三种情景的水温较历史时期均有少许升高,水温间的差异不大,青海湖裸鲤产卵的窗口期略微缩短,水温升高会对裸鲤的产卵造成轻微影响;中期(2041—2060年),三种情景的水温进一步升高,水温间的差异逐渐显现,裸鲤的产卵窗口期明显缩短,水温升高对裸鲤的产卵有一定的危害;远期(2081—2100年),三种情景的水温差异更显著,SSP126和SSP245情景的升高速率减慢;SSP585情景的水温升高速率依旧加快,水温持续升高导致裸鲤的产卵窗口期显著缩短,一定程度限制了青海湖裸鲤的产卵活动。

关键词：布哈河入湖口 FLake模式 CMIP6预估水温青海湖

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基于粒径分布和薄膜水的土水特征曲线模型

长江科学院院报 2024年

作者：朱世旺李双洋姜琪赵建沅周尚琪刘慧颖中国科学院大学中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室

利用粒径分布曲线预测土水特征曲线（SWCC）的传统模型在计算含水量时通常需要将粒径分布曲线分段处理，且往往忽略了土壤颗粒表面的薄膜水含量，导致预测精度受到很大限制。为了解决以上问题，本文基于颗粒点对点接触假设，使用威布尔... 详细信息

利用粒径分布曲线预测土水特征曲线（SWCC）的传统模型在计算含水量时通常需要将粒径分布曲线分段处理，且往往忽略了土壤颗粒表面的薄膜水含量，导致预测精度受到很大限制。为了解决以上问题，本文基于颗粒点对点接触假设，使用威布尔函数描述粒径分布曲线，通过杨拉普拉斯方程确定毛细水含水量，并考虑薄膜水含量的影响，建立一个基于粒径分布和薄膜水的土水特征曲线模型。然后选取非饱和土壤数据库（UNSODA）中26个土壤样品进行验证，并与AP模型和MV模型进行对比分析。结果表明，相较于AP模型和MV模型，新模型能更准确地预测土壤的土水特征曲线，且由于考虑了薄膜水含量，使新模型在高基质吸力段的含水量预测误差显著减小。

关键词：土水特征曲线粒径分布曲线毛细水薄膜水