南京大学学报(自然科学版)

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张金荣* ，吴岭

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 489-496.

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考虑到现有测控体制的带宽效率较低，研究基于高斯最小频移键控（Gaussian Minimum-Shift Keying, GMSK）+ 伪码（pseudo-noise code, PN）的新一代遥外测体制，以提高测控系统的带宽效率。首先描述了GMSK+PN信号的调制原理，将遥测数据的GMSK相位和伪码测距信号叠加后调制在同一载波上，实现了二者的同流传输。接着简述了GMSK+PN信号的解调原理，接收机经GMSK解调、测距信号重建和测距信号解调，得到遥测数据和伪距。然后对GMSK+PN的调制、解调进行仿真，得到了不同参数下的频谱特性、遥测误码率和测距精度等性能，并分析了性能与BT值、测距信号加权因子、测距成形脉冲、伪码码速率与遥测码速率的比值等参数取值之间的约束关系。最后给出调制参数的取值建议。结果表明，GMSK+PN体制具有很高的带宽效率，与现有航天测控体制相比，带宽降低22%以上，特别是在非线性信道下的优势更为明显。

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一种微纳遥感卫星实时视频压缩的实现与应用

丁跃利*，方火能，邵应昭，张建华，袁素春，李新科

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 497-505.

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为满足微纳遥感卫星高速视频数据快速压缩下传的需求，本文提出了一种实时H.264视频压缩的轻量化实现方案。系统硬件主要由经过宇航质量保证的高性能可编程逻辑单元（FPGA）和H.264视频编码单元（DSP）异构组成，可在一块VPX标准6U单元模块上实现超高清4K分辨率视频压缩处理。可编程逻辑单元主要完成超高清分辨率视频数据的标准Camera Link接口协议解析、视频帧拆分和标准Video Port接口协议转换。H.264视频编码单元在实时多任务操作系统的调度下主要完成原始视频帧的拼接恢复和H.264实时视频压缩处理。视频压缩质量评价及卫星在轨应用情况结果表明，单个6U视频压缩单元的4K超高清视频实时压缩处理能力达到2.5Gbps，在50:1、20:1和10:1三种压缩比下PSNR（峰值信噪比）均优于36.6dB。参照国际电联ITU-R BT-500-11建议书关于图像质量的五级划分，视频压缩质量达到“优”级。本文相关研究适合应用于微纳视频遥感监视卫星，且已在珠海一号卫星上得到成功应用。

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基于CCSDS-SOIS的航天器数据管理系统体系架构的探讨

吕良庆1，2，黄永辉1，安军社1*

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 506-514.

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为解决航天器数据管理系统体系架构中，由于接口方式和协议不一致和设计的多样化，导致难以沟通和重用的问题，CCSDS的SOIS工作组提出了体系架构，并制定了相应的业务推荐标准文本。本文结合SOIS架构，概括介绍了ESA提出的SAVOIR架构，NASA提出的cFS/cFE架构，以及我国对SOIS的跟踪研究情况，对这几个架构进行了比较和分析。这几个架构的共同点在于对层次化、模块化、接口标准化和模型化的重用特征在认识上是一致的，但是在具体设计上由于各自的背景不同而不尽相同。另一个共同的认识是将电子数据单（EDS）作为架构的设计重点之一，为此本文对数据设计的2个主要概念，管理信息库（MIB）和EDS之间的关系和设计思路进行了分析说明。本文最后展望了空间数据系统体系架构的一些发展趋势，认为基于EDS和MIB的数据设计将成为主要研究内容之一，并且SOIS架构的实践应结合自身的特点来开展。

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基于自相似流的星上虚拟信道调度算法研究

底晓强1,2* , 刘永霞1

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 515-521.

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为分析虚拟信道调度算法对高级在轨系统(advanced orbit systems, AOS)中物理信道利用率的影响，研究了自相似流量模型下，先来先服务(FCFS)和时间片轮询(RR)虚拟信道调度算法的时延与积压。由于网络流量具有自相似特性，首先使用快速傅里叶变换(FFT)生成AOS自相似流量，然后对FCFS和RR虚拟信道调度算法进行仿真。仿真结果表明，到达数据量较少时，两种调度算法性能相当；到达数据量较大时，RR调度算法的时延和积压要明显小于FCFS调度算法，因此RR算法性能优于FCFS算法，使信道的利用率较高。研究结果可为AOS虚拟信道调度算法的设计提供参考。

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一种适用于空间DTN网络的高效可靠传输方法研究

侯冬旭，赵康僆*，李文峰

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 522-528.

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容迟容断网络（DTN）可工作于长延时、频繁中断以及非对称速率环境下的特点，使其能匹配卫星等空间节点的通信传输要求，并适应近地空间信息系统组网。在DTN网络中，可通过ARQ机制（如LTP红色传输模式）、差错控制编码（如束协议下的差错编码机制）等多种方式来保障数据的可靠传输，但当空间传输条件恶劣（例如链路频繁中断、高误码率等），令传输过程中丢包严重或接收到大量错误包时，将极大降低上述方式的传输效率。为提高传输效率并考虑到DTN覆盖网络协议架构的设计思想，本文提出应用层信道编码与ARQ机制结合的混合可靠传输方案。一方面，通过在应用层添加信道编码增加纠错能力以减少重传，同时结合ARQ机制，使得在信道条件恶劣、丢包或错包现象严重时，也能收到足够的数据包进行解码，从而提高传输效率；另一方面，基于DTN网络的覆盖网络协议架构，在应用层加入信道编码，可使得该方案兼容下层不同传输协议。仿真实验结果表明，本文提出的混合方案可以提高DTN下的可靠传输效率，且随着信道条件不断变差，与单纯ARQ方案相比，完成传输所需时间更短、传输效率更高。

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导航星座网络路由算法研究

李子璇, 严志博, 赵康僆, 李文峰

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 529-537.

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导航星座网络具有拓扑动态变化，物理链路间断可用，时延较长，信道误码率较大，以及星间链路资源与星上处理资源有限等特点。在导航星座网络中，实际传输的数据流量种类多样，且往往分布不均。其链路调度一般都是事先规划好的，具有可预测性和周期性，相较一般的卫星通信网络，具有更强的规律性。如何应对导航星座网络中的各种问题并利用导航星座网络的独特特性，实现数据的高效传输，选用合适的路由算法十分关键。目前，针对卫星网络的路由算法多数基于通信卫星星座来开展研究，针对带有指向性天线分时隙通信的导航星座网络的算法不太多，本文对已提出的几种具有代表性的空间路由算法进行分析，并选取最短时延下最少跳数路由和连接图路由进行重点研究，通过OPNET对路由机制的性能进行仿真评估，得出有关导航星座网络中路由算法的适用性准则，为导航星座网络中路由算法的设计和选用提供参考。

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压缩感知重构SAMP的改进算法

杨韧，张兴敢1*

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 538-542.

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压缩感知提供了一种用于采集在正交基上稀疏的信号的新范式，突破了奈奎斯特采样定理对采样率的的限制，提高了采样端的效率。国内外学者已经探索出大量过完备词典，能够有效对信号稀疏化采集并且尽量不丢失原信号中所含信息。压缩采样中的主要算法挑战是从观测样本中重构原信号。本文提出一种称为稀疏度自适应匹配追踪算法（SAMP）的迭代恢复算法的改进方法。相比较于原算法的方案，该方法回避了对原信号稀疏度的过估计，采用了在过估计时回溯稀疏度，并调整步长的方法，解决了原方案中恢复速度和恢复精度的矛盾。通过仿真实验比较了在不同稀疏度和采样率的情况下两种算法的精确重构成功率，结果证明了改进算法明显优于原算法。

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基于动态复合混沌系统的S盒设计

朱虹宏，佟晓筠，张淼，刘杨

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 543-547.

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S盒是分组密码中重要的非线性部件之一。本文基于多混沌系统及复合思想，并引入Arnold映射置乱算法，提出了一种混沌S盒的产生方法。首先，提出了几种混沌方程，并对方程的自相关性和互相关性进行了分析，证明它们具有很好的伪随机性。接着，引入了动态复合混沌系统，形成了一种新的混沌系统。运用线性同余发生器可以延长混沌周期的思想，结合动态复合混沌系统，形成了一种新的伪随机序列的产生方法。将所形成的伪随机序列构造成临时的S盒，再利用Arnold映射将临时S盒置乱形成新的S盒。最后，对所产生的S盒做了严格的性能测试，并将本文S盒特性与前人提出的S盒进行了对比，对比分析显示本文所提出的算法产生的S盒具有良好的密码学性能，在空间网络安全及轻量级密码中具有很好的应用前景。

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CCSDS-TC协议安全技术分析研究

陈红1，周钠2，佟晓筠1*，刘杰1*

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 548-554.

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由于空间链路固有的开放性，国际空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）建立的空间数据系统面临着窃听、篡改、伪装等安全威胁，因此研究CCSDS空间数据系统链路层的安全协议和安全技术具有十分重要的意义。本文研究了基于CCSDS空间通信系统链路层遥控（Telecommand , TC）协议采用的加密，认证及认证加密等安全技术，分析了TC协议为用户提供的服务，TC使用的协议数据单元和协议执行规程，研究了空间数据链路安全（Space Data Link Security，SDLS）协议为CCSDS链路协议提供的加密、认证和认证加密等安全服务的原理和协议执行规程，并利用OPNET网络仿真平台对使用SDLS协议的TC协议的协议规程进行了实现与仿真，验证了通过SDLS协议将安全技术应用于TC协议的正确性和可行性。结果表明，SDLS协议采用的加密，认证及认证加密等安全技术可以为CCSDS链路层的协议提供安全防护，为真实的空间通信网络的通信安全提供技术支持和重要保障。

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高空平台旋转对HAPS通信无线链路性能影响及抑制方法

管明祥1，王乐1，郭庆2

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 555-561.

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近年来，由高空平台构成的信息系统在通信领域的应用得到了广泛认同。高空平台站(HAPS, High Altitude Platform Stations)通信系统兼具卫星和陆地通信系统的优势，同时又有效避免了两者的缺点。高空平台不可能静止驻留在空中，平台的运动状态就会对HAPS通信无线链路性能产生关键影响。目前的研究都集中考虑平台简单运动（水平或垂直移动）或假设平台稳定，这些研究存在很大的局限性。因此，本文通过建立平台旋转状态特征参数体系，采取阵列天线设计、波束形成技术、小区覆盖与划分技术与平台状态相结合的方法，构建适合平台旋转状态下的无线链路模型，抑制平台旋转给HAPS通信链路性能带来的影响，解决高空平台旋转情况下HAPS通信无线链路存在误码、信号中断或传输信号盲区的问题，以保证无线链路性能，实现信号的可靠传输。

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基于天地一体化网络架构的临近空间接入网协议设计与研究

刘志峰*，孙振明，贾越普

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 562-570.

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天地一体化网络是一个天空地多种网络组成的复杂异构网络，其中临近空间飞行器具有灵活性强、载荷大、运营维护成本低、滞空时间长等特点，是天地一体化网络中不可或缺的一部分。但在当前主流网络架构设计中，对临近空间飞行器研究定位不足，也没有结合应用对其协议架构进行针对性分析。本文提出了一种基于天地一体化网络体系架构的临近空间接入网，可以根据需要在热点区域或应急情况下临时布设，具有很大灵活性，能作为卫星系统的有效补充。然后给出了分层自治域网络模型，分析了临近空间接入网典型应用，从实际应用需求出发对网络层、数据链路层和物理层进行了协议设计。网络层采用分层结构网络，通过网络分群，可以最优化网络资源利用，实现动态组网。数据链路层结合物理层进行一体化设计，将信道划分成两部分，分别采用SPMA协议和DTDMA协议，保证不同业务的QOS需求。

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基于准静态场的新型灵敏度系数计算方法

刘笑远 *，王泽莹

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 571-579.

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电学层析成像技术（Electrical Tomography，ET）具有经济性、无侵入性和实时性的特点，在工业过程检测、生物医学诊断等领域取得广泛的应用。在图像重建过程中，灵敏度系数作为先验信息，在计算中起到关键作用。然而，现有的灵敏度系数计算方法的物理意义不够明确、可解释性差、自适应性不足且具有较强的假设性，是当前提高ET成像质量的主要障碍之一。本文从准静态场灵敏度系数的物理意义出发，将电流激励状态下的激励与接地电极等效为一对偶极子，推导出一种新的具有明确的物理意义的、可解释性强并且可操作的灵敏度系数计算方法。最后，将新灵敏度系数与原灵敏度系数在数值、投影区和计算时间上进行比较，并通过灵敏度反投影法分别使用两种不同的灵敏度系数对四个模型进行图像重建。结果表明，新方法与原采用定义计算的结果吻合，并且新灵敏度系数在数据抗噪声、计算时间、图像重建等方面具有一定优势。

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CaX（X=S,Se,Te）晶格热导率的第一性原理计算

郑安坤1，杜永平2*

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 580-589.

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使用第一性原理方法精确计算了CaX（X=S，Se，Te）的声子和晶格热导率等性质。并且从体系构成的异同分析了声子谱的异同。为了解释这类化合物中硫族元素从Te变为S时，热导率以及模式热导率成倍降低的原因,本文又逐个研究声子简正模式对各自热导率的贡献以及不同体系间相同模式的声子热导率的差异，进一步计算了各个独立声子模式的Grüneisen参数，散射相空间，群速度，寿命等于热导率直接相关的物理量，从这些物理量之间的差异推测造成热导率差异的根本原因。并且分析了这些物理量的差异和声子谱的联系，从声子谱的变化趋势验证了如散射相空间，声子寿命，群速度这些物理量的差异，并且也最终验证了声子散射的理论基础。本文是第一次预言CaX这一系列材料的热导率，现在尚缺乏直接实验验证。

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基于MSCS的能量方位估计

陈峰*，王彪

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 590-596.

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针对现有对称压缩MUSIC(MUSIC symmetrical compressed spectrum, MSCS)算法存在解模糊困难的缺点，本文提出一种改进的MSCS方法。与MSCS算法相比，本文首先引入能量的思想，通过利用信号的特征向量和特征值构建一种能量谱函数，然后利用此能量谱函数与现有的MSCS函数进行联合处理，由于MSCS真实源位置处谱峰将会被对应能量谱谱峰放大进而形成新的谱峰，而镜面辐射源位置处谱峰不存在对应能量谱谱峰对其放大，从而形成伪峰，即在半谱范围内，主峰便对应真实源位置；伪峰对应镜面辐射源位置，解决了MSCS方法解模糊困难的弊端。由于新构建的能量谱函数具有较好的抗噪性能，所以本文算法抗噪性相较于MSCS有较大提升。最后仿真实验表明，所提算法在解决MSCS弊端的基础上，且在抗噪性能上有一个较大的提升。

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基于多径干扰认知的汽车毫米波雷达自适应波形优化方法

许致火1*，施佺 1,2，孙玲2

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 597-603.

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随着毫米波雷达在汽车辅助驾驶系统及无人驾驶车辆中的广泛应用，在交通道路环境下工作的雷达越来越密集，其间产生的多径干扰会导致雷达出现虚假目标。为此，提出了一种基于多径干扰认知的雷达自适应抗干扰波形优化方法。首先，论文阐述了邻近的汽车雷达产生的多径干扰是一个动态随机过程，借助时变自回归模型对雷达产生的多径干扰传输信道参数的动态演变过程进行了描述，利用卡尔曼滤波对邻近雷达产生的多径干扰模型参数进行在线认知学习；然后，建立主雷达的目标回波信号与干扰信号的模型，对多径干扰信号进行白化处理；最后，基于最大化信号与干扰比(Signal to interference ratio, SIR)准则，建立抗干扰雷达信号优化模型，进行雷达波形的自适应优化更新。仿真实验结果表明所提方法可有效地抑制雷达间的强干扰。

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基于Scopus检索和TFIDF的论文关键词自动提取方法

陈列蕾，方晖*

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 604-611.

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客观准确的关键词能够帮助电子数据库对科研文献进行分类，也能帮助研究人员缩小文献检索的范围。提出基于TFIDF与Scopus数据库检索的方法自动提取英文科研文献的关键词，将Scopus数据库包含的所有文档作为语料库，并利用Scopus API实现库内自动检索。相对于传统的人工建立并标记语料库，该方法更方便，可用数据更丰富。该方法利用摘要冗余信息量少的特点，结合全文信息的统计特征从摘要中提取关键词；考虑并建立了摘要的结构特征词，通过统计引入了短语的位置特征并进行加权，还扩展了两类停用词库用于过滤干扰词。实验结果表明该方法具有较好的性能。

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辛酸甲酯合成新工艺的研究

刘承智1，杨高东2，周政3*，张志炳4

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 612-621.

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辛酸甲酯是一种重要的精细化工产品，具有良好的反应活性，在合成化妆品及药物中间体等诸多领域具有特殊的应用价值。而传统工艺一般采用浓硫酸为催化剂，但该工艺存在很多严重的问题，如对实验装置有很强的腐蚀性、催化剂很难回收、污染环境等，这不符合当前绿色、经济、可持续发展的大环境。而强酸性大孔阳离子交换树脂由于有高催化活性、高选择性、化学稳定性好、不腐蚀设备、无“三废”产生、易分离等优异特性，故采用了这种催化剂。通过催化剂的用量、反应原料配比、反应温度、强化反应器中的循环流量、催化剂的重复使用次数等小试条件的优化，以及在酯化过程热力学和动力学方面的探索研究，可以看出计算值与实验值几乎吻合，这对工业上合成辛酸甲酯起到强有力的指导作用。

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合成N-甲基葡萄糖亚胺的化学反应研究

朱建新，候秋梅，陈慧，张家友，邓理丹，沈俭一*

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 622-627.

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为优化N-甲基葡萄糖亚胺的合成条件，研究了水溶液中葡萄糖与甲胺缩合生成葡萄糖亚胺的动力学和热力学。结果表明，水中葡萄糖与甲胺的缩合反应较快，甲胺的平衡转化率随反应温度的升高而提高，表明该缩合反应为吸热。根据获得的动力学和热力学参数，预测了合成葡萄糖亚胺的较佳条件：在308 K的水溶液中，n(甲胺)/n(葡萄糖)=4及葡萄糖含量为10wt%时，葡萄糖的平衡转化率可达99.9%，达到平衡的时间约为28 min。

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水资源承载力关键驱动因素识别研究

侍孝瑞1，王远坤1*，卞锦宇2，王栋1，吴吉春1

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 628-636.

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水资源承载力关键驱动因素的识别是进行水资源承载能力评价和预警工作的基础依据，是开展定量评价水资源承载能力的重要基础。本文提出了水资源承载能力影响因素有效识别和关键驱动因子评估框架，从水量、水质、水生态、社会经济四个角度，将DEMATEL(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory)方法和主成分分析法相结合，从定性与定量两个方面开展水资源承载力影响因素的有效识别，并采用熵权法提取关键驱动因素。研究结果表明：全国水资源承载力关键驱动因素分别是干旱指数、万元GDP用水量、氨氮排放量、湿地占比、城市污水处理率、COD排放量、大中型水库蓄水量。本文成果以期为水资源承载能力有效评价提供科学依据，推动水资源承载能力监测预警机制建设。?

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不同城市冠层模式对城市地表能量平衡模拟能力的检验

李聪元，杨帆，张宁

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 637-654.

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城市地表能量平衡过程模拟是城市大气边界层数值模式的关键过程之一，但目前的不同参数化的适用性和模拟性能评估工作较少。利用2013年南京市中心市区的湍流热通量的观测数据与单层冠层模式SLUCM、局地气象参数化方案LUMPS、城市能量和水平衡方案SUEWS以及公用陆面模式城市参数化方案CLMU这四个模式的模拟结果进行对比分析。分析表明：1）在能量平衡各项中，各模式对于净辐射的模拟颇好，其均方根误差普遍低于感热项的50%，潜热和储热项模拟较差。2）各模式对净辐射均有低估，其中SLUCM模式模拟最佳，全年平均偏差约7.7%，其均方根误差10-20Wm-2左右；对于感热通量，SUEWS模式模拟较好，日间偏差低于7%；对于潜热通量，则是CLMU模式更佳，特别是夏秋冬三季，平均偏差约12.5%；对于储热项，SLUCM模拟较优，偏差低于10%，各季均方根误差也普遍低于其它模式的50%。3）各模式普遍表现为：秋冬两季模拟优于春夏两季，夜间模拟比日间更佳。本文比较结果为数值模拟中城市冠层模式的选取与改进提供了参考依据。

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米草引种对潮滩沉积物有机质的贡献及碳埋藏的影响

黄梅1,2,3，葛晨东1,2,3*，左平1,2,3，纪振强1,2,3，方文丽1,2,3，周孟洋1,2,3

南京大学学报(自然科学版). 2018, 54(3): 655-664.

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米草（Spartina）为C4光合作用类型植物。上个世纪60年代以来的引种有效地改变了我国滨海潮滩的生态系统，使潮滩沉积物有机质的来源发生了变化，从而引起沉积物有机碳同位素的值发生明显变化。定量分析前后潮滩的碳埋藏量变化，有助于合理预测潮滩蓝碳的埋藏潜力，为我国的蓝碳调查与评估提供重要依据。文章通过分析苏北王港潮滩的互花米草滩（DF01孔）、过渡滩（DF02孔）和光滩（DF03孔）三处的柱状沉积物有机碳（TOC）含量和有机碳同位素（δ13C）的值，得到如下结论：①米草滩DF01孔沉积物地球化学特征随深度变化可分为两段，168 cm以下为粗颗粒、TOC平均含量为0.13%，有机碳δ13C平均值为-28.05‰；168~0 cm沉积物颗粒变细，从4.88Φ变化到7.74Φ、TOC含量从0.17%增大到0.88%，δ13C的值不断增大，到表层达到-21.89‰，说明潮滩沉积物有机质中米草的贡献明显。② 根据米草滩柱状样沉积物δ13C变化深度，结合王港潮滩米草的引种时间1982年，估算得出该地的沉积速率为4.94 cm/a。进一步得出米草引种以来有机碳的埋藏速率约为311.0 g?m-2?a-1，引种之前约为45.1g?m-2?a-1。米草引种之后有机碳埋藏速率为引种之前的7倍，米草的引种大大增加了潮滩的蓝碳埋藏能力。

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