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2014年 第50卷 第3期 刊出日期：2014-05-20

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含非定点碰撞的平面多自由度机械臂系统运动学与动力学研究

姚文莉,高路路,张映雪

2014, 50(3):  397-402. 

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研究多自由度平面机械臂系统的非定点碰撞问题。据机械臂系统的几何特点, 得到相对简单的检验何时、何处发生接触碰撞的方法, 避免一般多体系统确定接触碰撞点的繁琐的迭代搜索过程。运用拉格朗日方法推导非碰撞及碰撞阶段的动力学方程, 并引进牛顿恢复系数, 建立描述含有光滑碰撞过程的机械臂系统运动过程的一般性框架。最后对算例进行数值模拟证实该方法的有效性。

普遍的质速关系和狭义相对论

戴又善,戴亮

2014, 50(3):  403-410. 

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依据相对性原理以及动量守恒和能量守恒定律, 无需利用光速不变假设和具体的时空变换关系证明相对论能量必须正比于相对论质量。通过建立和求解质速关系的微分方程, 自动给出极限速度vm, 并得到一种普遍适用的相对论质速关系。该质速关系既适用于具有静质量且运动速度小于极限速度的“慢子”, 又适用于不具有静质量且运动速度大于极限速度的“快子”以及运动速度等于极限速度的“常子”。在此基础上可确定运动学时空变换的广义洛伦兹变换公式以及动力学的质能关系和能量-动量关系, 从而建立一种更为普遍的狭义相对论理论。无论是否存在无静质量的“快子”和“常子”, 无论是否发现超光速现象, 新的相对论理论都是成立并自洽的。极限速度的具体取值可由实验测量确定, 若取vm=c , 就回到传统相对论的公式, 光速不变则成为相对论的一个推论。

基于Riboswitch的细胞与门构建

陈梅,张路,许进

2014, 50(3):  411-415. 

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利用Riboswitch调控原理, 在大肠杆菌BL21(DE3)菌株中构建一个细胞与门。该与门以实验室常见的阿拉伯糖和异丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷(IPTG)为输入信号, 黄色荧光蛋白YFP为输出信号, 流式细胞仪检测结果显示该细胞与门成功地实现与逻辑运算。该与门利用大肠杆菌BL21(DE3)菌株的特性, 减少了基因线路的负载。此外, 该与门还具有可复用的特点。

北京大学燕园鸟类组成

闻丞,韩冬,李晟,申小莉,陈炜,王昊,朱小健,肖凌云,刘美琦,吕植

2014, 50(3):  416-428. 

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2003?2012年, 在北京大学燕园校区进行鸟类调查446次。其中2010?2012年, 春季、秋季每周平均两次, 夏季、冬季每周平均一次, 总计234次, 468小时。共记录鸟类178种, 隶属14目37科102属, 其中留鸟24种, 旅鸟117种, 夏候鸟24种, 冬候鸟19种, 迷鸟1种。其中有国家I级重点保护鸟类1种, 国家Ⅱ级重点保护鸟类20种, 水鸟28种。燕园各区域中, 静园鸟种最少, 仅记录28种。鸣鹤园鸟种最多, 记录109种。在鸣鹤园和镜春园, 迂回水道与覆盖有天然次生林的土丘交错, 有73种鸟仅记录于上述地点。燕园各区域的次生林和人工绿地比例是影响鸟类多寡的关键因素。

平流层NAM异常对乌拉尔山阻塞高压的影响

孔文文,胡永云

2014, 50(3):  445-455. 

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使用NCEP/NCAR再分析资料, 对53年(1958?2010年)冬季的平流层北半球环状模(NAM)正、负异常下传期间乌拉尔山阻塞高压的活动特征分别进行合成分析。结果表明, 在平流层NAM负异常下传期间, 阻塞高压事件的发生频次更高, 生命期更长, 并且在空间上发展得更加深厚。阻塞高压崩溃之后, 冷空气主体偏北, 所造成的我国北方地区降温也更强。通过对E-P 通量分析发现, 在NAM负异常下传期间, 乌拉尔山区域的波动更容易向上传播, 更有助于对流层乌拉尔山阻塞高压的维持和发展。这些结果对利用平流层环流异常信号预测我国北方冬季短期气候变率, 尤其是寒潮天气有重要意义。

中国鸟类物种丰富度的地理格局及其与环境因子的关系

刘澈,郑成洋,张腾,曾发旭,王逸然

2014, 50(3):  429-438. 

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基于中国鸟类分布数据和增强型植被指数(EVI)、海拔、气温、降水等环境和地理因子数据, 探讨中国鸟类及其主要类群的物种丰富度的地理格局及可能的影响因素。结果显示, 中国鸟类物种丰富度存在着一定的随纬度增高物种丰富度降低的趋势, 物种丰富度高值地区包括大兴安岭、小兴安岭、长江下游、武夷山、西双版纳、天山西部、喜马拉雅山东南麓至横断山脉等若干地区, 而在青藏高原大部、长江以南部分地区等出现低值, 但线性回归显示, 纬度梯度不明显。相关性分析结果显示, 与物种丰富度的Spearman相关性系数较高的环境因子有EVI、年均温、年平均降水等多种, 说明环境因子对物种丰富度的地理格局存在复杂的共同作用机制。因子分析结果显示, 这些环境因子可以分为能量、海拔变幅、气温稳定性、距最近大型水体的距离等4种主要因子。

新型多孔单细胞观测芯片设计及在细菌抗药性研究中的应用

姜香丹,欧阳颀,罗春雄

2014, 50(3):  439-444. 

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提出一种新型多孔单细胞观测芯片的设计和实现方法, 结合多孔板操作简单和微流控芯片单细胞观测的优势, 为微流控芯片的推广利用提供新思路。在芯片中设计由小孔、特定高度的培养腔室和栅栏组成的并排对称单元, 这三层高度结构把细胞限制在培养室单层固定生长。利用PDMS材料在等离子体处理后对液体的浸润性和对气体吸收的特性, 在小孔加入菌液后细胞很快被自动吸入细胞培养室。只用10 μL液体就可以完成长时间观测细菌所有单层形态变化过程以及高通量并行对比, 实现不同大肠杆菌菌株在不同抗生素浓度下的并行对比分析。此芯片制作的方便性与能在单层细胞程度下实现高通量并行对比的优越性, 使它在大肠杆菌的抗药性以及流式分选后期研究等方面应用前景十分广阔。

热带气旋与海洋暖涡间的海-气相互作用

刘欣,韦骏

2014, 50(3):  456-466. 

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采用区域海?气耦合模式WRF-sbPOM, 设计敏感性试验, 通过控制海洋暖涡(WCR)的有无以及暖涡与热带气旋(TC)的相对位置, 对理想性TC与WCR间的海-气相互作用进行模拟研究。结果表明, 当TC经过WCR后, 因为WCR区域较厚的暖水使海表温度在TC经过后并没有明显的降低, 削弱了海?气间的负反馈机制, 所以TC强度增大。但受作用时间、气旋强度以及WCR处较强流速的影响, TC强度增大的程度不同, 移动速度较慢的TC有明显增强, 移动速度较快的TC增强不明显。同时TC向海洋中输入大量的机械能, 与WCR的反气旋式环流发生相互作用, WCR的形状由最初的圆形变为椭圆形, 热容量损失约30%, 动能损失约60%。

贵州省盘县中三叠世羊圈幻龙新材料的研究

尹超,郝维城,孙作玉,孙元林,江大勇

2014, 50(3):  467-475. 

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详细描述产自贵州省盘县新民乡羊圈村中三叠统关岭组上段的一件近于完整的羊圈幻龙新标本, 并补充完善该种头后骨骼学信息。厘定后的羊圈幻龙的鉴定特征为: 4个前颌骨獠齿后面跟着一个小的前颌骨齿; 5~6个小的上颌骨齿后面跟着一对上颌骨獠齿; 腕骨4块; 间锁骨没有后突; 荐椎4块; 存在多指(趾)式。新标本的头后骨骼首次呈现一些原认为仅出现在幻龙属姊妹群??鸥龙属的一些特征, 如间锁骨没有后突, 腕骨 4块, 荐椎4块及存在多指(趾)式。 这些特征的发现为深入认识和区分幻龙属和鸥龙属之间性状的异同提供了重要的信息。另外, 新标本与羊圈幻龙模式标本, 以及相同地点、相同地层层位产出的小吻幻龙模式标本 IVPP V 14294在体型、齿式和头骨骨骼模式等高度一致, 且与幻龙属其他种明显不同, 因此认为它们系同物异名。鉴于N. rostellatus后出, 应予弃用。

四川盆地富有机质页岩硅质生物成因及对页岩气开发的意义

王淑芳,邹才能,董大忠,王玉满,黄金亮,郭召杰

2014, 50(3):  476-486. 

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通过岩石学、有机碳含量、主量元素和力学性质分析, 对四川盆地长宁双河剖面上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组页岩进行硅质成因研究。长宁双河剖面底部页岩过量硅含量为40%~62.7%, 具有高SiO₂, P₂O₅和Fe₂O₃, 低Al₂O₃, TiO₂, FeO和MgO的特征。Al/(Fe+Al+Mn)比值为0.67~0.71, Si/(Si+Al+Fe)比值为0.89~0.93, 在Al?Fe?Mn图解上落在生物成因区。五峰组有机碳含量(TOC)为2%~7.55%, 平均3.73%。龙马溪组页岩有机碳含量为0.23%~8.36%, 平均1.16%, TOC>2%段集中在剖面底部21 m, TOC与硅质含量具有正相关关系。页岩中发现大量放射虫、海绵骨针等微体化石, 证实硅质为生物成因, 指示页岩沉积环境为深水陆棚, 有利于形成自然裂缝和后期压裂改造, 对页岩气勘探开发具有重要意义。

空间交互作用中的距离影响及定量分析

刘瑜,龚俐,童庆禧

2014, 50(3):  526-534. 

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对地理学研究中空间交互问题的距离衰减现象进行描述和分析, 并总结重力模型的求解方法。首先, 大部分空间交互都受到距离衰减效应的影响, 距离衰减函数定量表示交互中距离的作用。对比幂律、指数等多种形式的距离衰减函数, 认为幂律形式能够更好地刻画距离影响的本质特征, 并且可以在不同交互中进行比较, 其对应的交互模型即为在地理学和区域经济学中广泛应用的重力模型。然后, 在重力模型的基础上, 总结解析法和模拟法两大类基于给定交互矩阵和距离矩阵定量计算距离衰减函数及衰减系数的方法。由于难以先验确定交互公式中节点规模的数值, 因此拟合重力模型, 同时估计距离衰减系数, 是应用重力模型的恰当方式。

松辽盆地茂兴地区滑塌扇地震属性识别与沉积学分析

柳琼瑶,吴朝东,胡天跃,莫午零,张顺,刘化清,苏明军

2014, 50(3):  487-496. 

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通过提取不同类型地震属性, 分析不同属性切片的特征, 得到8种能够识别滑塌扇体的敏感属性, 包括振幅统计类的平均绝对值属性、总绝对值属性、最大绝对值属性、最大谷值属性、平均能量属性、均方根属性, 复地震道统计类的平均反射强度属性, 以及频谱统计类的弧长属性, 其中最大谷值振幅属性最为有效。结合地震剖面和钻井联井剖面沉积学分析, 初步揭示了茂兴地区嫩江组二、三段滑塌扇体的沉积特征及其空间分布规律。茂兴地区滑塌扇沉积于前三角洲相, 可区分为7个单体扇体, 单个扇体面积分布范围为2.8~7.0 km², 滑塌扇物源来自呈北东方向的三角洲沉积。

松辽盆地嫩江组泥质三角洲沉积特征及沉积机理

王陆新,吴朝东,莫午零,张顺

2014, 50(3):  497-506. 

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通过对松辽盆地嫩江组岩芯资料、测井资料和地震资料处理和解释, 发现在松辽盆地大庆长垣地区嫩江组二、三段湖相泥岩层段中, 具有一定角度自东向西的前积结构, 地震剖面中底部同相轴表现为中强振幅、高连续反射、叠瓦状特征; 每个层序可分辨出4~6个主要由泥岩构成的前积层, 有的顶积层存在顶超现象, 延续性相对较差; 岩性组合中泥质组分含量高, 砂质组分含量低。经研究认为, 这种具有一定角度前积结构的富泥贫砂沉积是高悬浮载荷河流入湖而形成的泥质三角洲沉积。建立了嫩江组湖泊沉积环境中发育的泥质三角洲的沉积模式。

库车坳陷依南2气藏油气运移路径及充注特征

范俊佳,潘懋,周海民,柳少波,卓勤功,郑永平

2014, 50(3):  507-514. 

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在流体包裹体观测、测井曲线及依南2气藏综合地质资料分析的基础上, 利用定量荧光技术分析库车坳陷依南2气藏26块砂岩样品的荧光光谱特征, 揭示该气藏油气运移路径及油气充注特征。 研究表明, 依南2气藏经历了早期原油充注、原油泄漏与晚期天然气充注过程。由储层砂岩样品的QGF定量荧光光谱响应与烃类包裹体分析, 推测依南2气藏早期油源来自深部三叠系泥岩层与侏罗系煤层, 通过垂直向上运移, 古油藏经历构造破坏, 发生泄漏, 未形成具有规模的古油藏。QGF-E荧光光谱响应表明, 天然气运移路径亦为垂直向上运移, 依南2气藏储层4750 m以下可能为大面积含气区。TSF荧光指纹图揭示, 依南2气藏具有混源特征, 气源由侏罗系煤层和三叠系湖相泥岩烃源岩共同贡献。

黑河流域植被FAPAR时间序列模拟分析与预测

盖颖颖,刘媛,范闻捷,徐希孺

2014, 50(3):  515-525. 

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以2001?2010年黑河全流域MODIS FAPAR产品为研究对象, 结合同期MODIS土地覆盖分类产品, 提取FAPAR随时间变化的趋势项、周期项及残差, 对趋势和周期成分建立自回归模型, 并结合卡尔曼滤波方法过滤反演误差噪声, 获取高质量的FAPAR时间序列数据。在此基础上, 进一步分析黑河全流域不同植被类型FAPAR时间序列的变化差异, 并选取具有不同植被季相变化特征的研究区, 利用该方法预测某一时刻该区域各像元的FAPAR。结果表明: 黑河流域不同类型植被的FAPAR都具有明显的季节变化特征; 受气候等条件的影响, 流域不同区域的同种植被存在差异。提出的时间序列分析与预测方法适用于不同植被类型, FAPAR预测结果与MODIS当日产品较为相似, 预测误差约为3%。

好氧污泥氨氧化活性对雌激素降解效率的影响研究

徐硕,郑茂盛,周海霞,许楠

2014, 50(3):  535-541. 

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采用驯化后的硝化菌富集培养物(NEC)及实际污水厂的硝化活性污泥(NAS)降解雌酮(E1)和17α-乙炔基雌二醇(EE2), 通过初始氨氮浓度的变化及氨氧化菌活性的抑制改变污泥氨氧化活性, 并考察氨氧化活性对雌激素降解活性的影响。结果表明, NEC中雌激素的降解活性主要来自氨氧化菌, 亚硝酸盐对雌激素的硝基化作用及异养菌的代谢作用均较弱, 氨氧化菌对雌激素的共代谢得到证实。在NAS中, 氨氧化菌抑制剂烯丙基硫脲并未完全抑制E1和EE2的降解活性, 表明雌激素降解由氨氧化菌与异养菌共同完成, 而氨氧化菌的共代谢降解显然更为高效。

丙烯酸-马来酸酐共聚物络合超滤分离水溶液中Pb²⁺和Zn²⁺的实验研究

曹光亮,李振山,包立超

2014, 50(3):  542-548. 

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采用丙烯酸-马来酸酐共聚物(PMA)为络合剂, 研究络合超滤技术对水溶液中Pb²⁺和Zn²⁺的分离效果、竞争络合效应以及外加盐对分离效果的影响。以两种金属离子截留率之差表示分离率, 以单一金属离子溶液中离子截留率与混合溶液中该离子的截留率之差表示金属离子间的竞争强度。结果表明: 随着PMA浓度增加, 两种金属离子的分离率先增大后减小, 当PMA浓度为200 mg/L时, 分离率达到最大值, 为54.47%。pH从2增加到6时, 分离率先增大后减小, 且在H=4时达到最大, 为71.34%。两种金属离子的竞争效应随pH及PMA浓度的增加先增强后减弱, 在pH=5, PMA浓度为200 mg/L时, 混合溶液中两种离子竞争效应最强。外加Na₂SO₄对分离率有较大影响, 随着 n(Na₂SO₄)增大分离率增加, 随后基本保持不变, 在n(Na₂SO₄)=0.06 mol/L时, 分离率达到最大值, 为97.677%。加入Na₂SO₄减弱了Zn²⁺的竞争络合能力, 有利于两种金属离子的分离。

基于小波分析的径流特性和影响因素多尺度分析---以通天河为例

刘笑彤,蔡运龙

2014, 50(3):  549-556. 

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基于通天河直门达水文站的径流资料, 对其进行特性分析和预测研究。用小波分析的方法, 通过对径流数据小波系数的实部、模平方和方差等参数的计算分析, 得知通天河年径流时间序列存在27年和16年左右的周期变化, 它们主导着通天河年径流长期变化特性。之后, 对太阳黑子活动与该流域径流特性进行小波互相关分析, 得知太阳活动和径流在8~15年的尺度上存在强相关, 在40年的尺度上存在弱相关。

北京市夏季臭氧前体物控制区的分布特征

聂滕,李璇,王雪松,邵敏,张远航

2014, 50(3):  557-564. 

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利用Models-3/CMAQ模式系统, 对北京市2010年6-8月逐日的臭氧前体物控制区进行5种类型的划分, 使用各类控制区在研究期间出现的频率表征北京夏季臭氧控制区空间分布的总体特征。结果表明, 从北京市城近郊区到远郊区县, O₃生成由主要受VOCs控制逐渐转变为VOCs和NO_x共同控制, 进而过渡到主要受NO_x控制。在北京城近郊区, 人为源VOCs减排能够有效控制当地O₃的天数占夏季总天数的一半左右, 而在昌平、延庆和怀柔等西北远郊区县, 人为源NO_x减排能够有效控制其O₃的天数约占40%~50%。北京市前体物减排对O₃控制效果不明显的情况在各区县普遍存在, 其中东部和南部区县出现这种情况的天数比例可达70%以上。对于臭氧的最大1小时浓度和最大8小时浓度, 二者的前体物控制区在北京市有相似的分布特征。

珠江三角洲秋季典型气象条件对O₃和PM10污染的影响

张浩月,王雪松,陆克定,张远航

2014, 50(3):  565-576. 

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利用化学传输模式(CMAQ)系统对珠江三角洲(珠三角)地区2008年秋季的气象场、O₃和PM10的污染状况进行模拟, 研究典型气象条件对O₃和PM10污染的影响。结果表明2008年秋季珠三角受冷空气过程影响, 污染特征具有周期性, 冷空气过境期间空气质量良好, 冷空气过境前期和回暖期污染严重。1) 过境前期如处于冷锋前部型天气控制下, 珠三角近地面形成逆温层, 混合层高度较低, 早晨累积前日夜间生成的PM10, 造成珠三角北部和中部污染; O₃日间和PM10夜间污染区域分布在偏北风的下风向, 造成珠三角南部污染。2) 过境前期如处于高压底部型天气控制下, 将形成逆温层, 垂直输送较差, O₃和PM10沿着东北风向水平传输, 造成珠三角西南部污染。3) 回暖期通常处于变性高压脊型天气控制下, 珠三角近地面形成逆温层, 受静小风影响, 水平输送较差, 导致O₃和PM10的污染分布在珠三角西部、西北部和中部源排放区, 造成持续性局地污染。

长白山阔叶红松林净初级生产力对气候变化的响应: 基于BIOME-BGC模型的分析

吴玉莲,王襄平,李巧燕,孙阎

2014, 50(3):  577-586. 

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为了分析气候变化和大气CO₂浓度增加对长白山阔叶红松林净初级生产力(NPP)的影响, 运用本地参数化后的BIOME-BGC模型进行模拟, 并以实测NPP和增强型植被指数(EVI)进行验证。模拟结果表明, 长白山阔叶红松林NPP均值为611.71 gC/(m²•a), 1960-2011年年际间的波动范围是473.28~703.44 gC/(m²•a)。模拟结果与基于样地实测的NPP (均值为594.66 gC/(m²•a))相似; 同时, BIOME-BGC模型模拟的NPP年际间变化趋势与EVI的波动趋势相似, 二者间存在显著的相关关系, 表明模型能较好地模拟生产力的时间动态。模拟表明, 红松的NPP与降水关系更为密切, 而阔叶树NPP与温度、降水都呈显著的正相关。模型预测, 在未来CO₂浓度加倍和温度、降水同时增加的场景下, 长白山阔叶红松林NPP将显著增加, 其中阔叶树和红松的NPP将分别增加27.87%和23.96%。单独增加温度(2℃)或单独增加降水(12%)都能促进阔叶树和红松NPP的增加, 其中降水的作用弱于温度的作用, 而单独CO₂浓度的倍增对阔叶树和红松的NPP没有明显的影响。

北京市居民节水行为影响因素实证分析

穆泉,张世秋,马训舟

2014, 50(3):  587-594. 

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采用行为离散选择模型, 利用2010年北京市5000户居民的节水调查数据, 从节水行为激励视角, 分析影响3种典型的北京市居民节水行为选择的重要因素。研究结果显示, 价格水平与节水意识对这3种居民节水行为激励存在差异。水价对节水器具的购买或改造行为的平均边际强度为3.6%~7.1%, 但并不是促使人们培养生活节水习惯的显著因素; 而无论对于节水生活习惯的培养, 购买节水器具, 还是用水器具节水化改造的激励政策, 居民的节水意识都是重要的影响因素, 平均意义上对激励居民户采取节水行为的边际概率达到8.8%~25.3%, 尤其对于居民购买节水器具的激励强度最大。因此, 从居民节水行为激励角度, 北京市以往的水价政策并不总能够促进居民采取节水行为, 在用水需求管理政策设计中, 节水意识培养同样是不能忽视的重要方面。