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河海大學(xué)海洋學(xué)院王喜冬教授團(tuán)隊(duì)在海盆-跨海盆尺度海氣相互作用對熱帶氣旋強(qiáng)度低頻變異的調(diào)制機(jī)理、鹽度障礙層變化機(jī)理及其對海氣相互作用的影響、衛(wèi)星海洋遙感數(shù)據(jù)重構(gòu)海洋三維溫鹽場等研究方面取得新進(jìn)展。 熱帶氣旋強(qiáng)度尤其是迅速強(qiáng)化的預(yù)報(bào)是限制熱帶氣旋預(yù)報(bào)水平的一個瓶頸，是熱帶氣旋預(yù)報(bào)中面臨的最具挑戰(zhàn)的難題之一，課題組研究生開展了海盆-跨海盆尺度的海氣相互作用對熱帶氣旋強(qiáng)度低頻變異的調(diào)制機(jī)理研究。基于觀測和數(shù)值模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)冬季ENSO通過影響沃克環(huán)流和羅斯貝波列的傳播調(diào)制次年夏季北大西洋大氣海洋熱力和動力環(huán)境，進(jìn)而影響北大西洋熱帶氣旋的數(shù)量和強(qiáng)度等。該研究成果強(qiáng)調(diào)了赤道東太平洋冬季海溫異常季節(jié)持續(xù)性效應(yīng)對北大西洋熱帶氣旋活動的重要性，為提高熱帶氣旋氣候預(yù)測能力提供了新的思路（Quan等，2019）；同時，也發(fā)現(xiàn)在夏季風(fēng)后的孟加拉灣，與ENSO相關(guān)的赤道東太平洋的海溫異常誘導(dǎo)了沃克環(huán)流和羅斯貝波列的變異，導(dǎo)致北印度洋熱帶和熱帶外的大氣和海洋狀態(tài)形成偶極子狀異常結(jié)構(gòu)，繼而誘導(dǎo)了熱帶氣旋生成位置的南北振蕩，伴隨熱帶氣旋生成位置的變化，熱帶氣旋的強(qiáng)度也隨之發(fā)生顯著的變化（Fan等，2019）。 印太暖池是引起全球氣候變化最為敏感的海域之一，大量的降雨在印太暖池近表層形成強(qiáng)的鹽度層結(jié)，誘導(dǎo)障礙層的發(fā)生，從而影響海氣相互作用，深入研究印太暖池鹽度障礙層變異規(guī)律及其控制機(jī)理對提高極端天氣和氣候事件的預(yù)測水平具有重要的科學(xué)意義。課題組成員提出了控制孟加拉灣障礙層年代際變化的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)PDO通過影響沃克環(huán)流的年代際變化間接地調(diào)控孟加拉灣障礙層的年代際變化，而赤道印度洋羅斯貝波和孟加拉灣沿岸開爾文波在年代際尺度上對障礙層的變異影響較小；動力學(xué)分析顯示，淡水通量引起的卷挾和平流過程主導(dǎo)了孟加拉灣北部海域障礙層的年代際變化，而淡水通量和海表熱通量誘導(dǎo)的卷挾過程主導(dǎo)了孟加拉灣南部海域障礙層的年代際變化（Pang等，2019）。另外，還發(fā)現(xiàn)孟加拉灣北部深厚的障礙層對近二十年季風(fēng)后孟加拉灣熱帶強(qiáng)化率的變化有重要影響，顯著地促進(jìn)了強(qiáng)化率的增加，這主要是因?yàn)榻隉釒庑壽E向東北方向發(fā)生了偏移，孟加拉灣北部深厚的障礙層限制了熱帶氣旋誘導(dǎo)的海面冷卻，進(jìn)而促進(jìn)了熱帶氣旋的強(qiáng)化（Fan等，2020）。 衛(wèi)星遙感可以提供高時空分辨率的海表觀測數(shù)據(jù)，特別是微波遙感即使在熱帶氣旋期間也能獲得大量的觀測數(shù)據(jù)。然而，衛(wèi)星觀測資料只能提供海洋表層信息，如何有效地同化衛(wèi)星遙感資料從而獲得上層海洋熱鹽結(jié)構(gòu)是海洋數(shù)據(jù)同化領(lǐng)域中亟需解決的前沿難題。課題組根據(jù)不同海區(qū)的動力學(xué)特征，基于表面強(qiáng)迫準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論，從動力映射角度建立了海洋表層與次表層之間的關(guān)系模型，該技術(shù)可利用實(shí)時的衛(wèi)觀測海表溫度、海表鹽度和海面高度資料，快速地估計(jì)三維溫度、鹽度、密度和流速等海洋狀態(tài)（Chen等，2020）。

有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦以其光吸收系數(shù)高、載流子擴(kuò)散距離長、制備方法簡單、帶隙連續(xù)可調(diào)等特性，被廣泛認(rèn)為是發(fā)展下一代光伏器件的理想材料。自2009年以來，僅僅歷經(jīng)10年的發(fā)展時間，鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到25.2%，發(fā)展速度為各類太陽能電池之最。但是，由于鈣鈦礦太陽能電池當(dāng)前面臨的熱穩(wěn)定性、長時間工作穩(wěn)定性等問題，嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用發(fā)展。針對此問題，北京大學(xué)物理學(xué)院趙清教授課題組利用材料工程方法，設(shè)計(jì)提出了富溴鈣鈦礦籽晶誘導(dǎo)生長兩步法，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜中溴離子的高效摻雜，有效提高了鈣鈦礦太陽能電池的長時間工作穩(wěn)定性。 通過在碘化鉛薄膜中引入微米級富溴鈣鈦礦籽晶，一方面提供后續(xù)鈣鈦礦生長所需的成核位點(diǎn)、誘導(dǎo)薄膜生長、提高薄膜生長質(zhì)量，另一方面為鈣鈦礦生長提供充足的溴元素，解決兩步法中溴離子難以有效摻雜的問題。通過改變鈣鈦礦籽晶的添加量，可以實(shí)現(xiàn)對鈣鈦礦成核、晶粒大小、缺陷態(tài)密度等的精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對最終鈣鈦礦成分與帶隙的精準(zhǔn)控制。測試表明，利用富溴鈣鈦礦籽晶誘導(dǎo)生長兩步旋涂法制備得到的鈣鈦礦太陽能電池器件，其能量轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到21.5%；更為重要的是，其長時間工作穩(wěn)定性得到了顯著提高，在AM1.5G太陽光下持續(xù)工作500小時后，仍然能保持超過80%的初始效率。這一成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)兩步法僅有的數(shù)小時穩(wěn)定性。該研究表明，溴元素對鈣鈦礦材料長時間工作穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用，同時，提供了一條簡單、高效、穩(wěn)定的基于鈣鈦礦兩步法的溴摻雜方法。此研究將為鈣鈦礦領(lǐng)域內(nèi)鹵素離子的均勻高效摻入、器件長時間工作穩(wěn)定性的提高等問題提供了新的思路。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Advanced Energy Materials 9, 1902239 (2019),并被選為當(dāng)期封底圖片。北京大學(xué)博士生李琪為該研究論文的第一作者，趙清教授為通訊作者。以上研究得到了國家自然科學(xué)基金委、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等單位的支持。

蛋白酶體是細(xì)胞中用來調(diào)控特定蛋白質(zhì)的濃度和清除錯誤折疊蛋白質(zhì)的主要機(jī)制的核心組成部分，是細(xì)胞中最普遍的不可或缺的大型全酶超分子復(fù)合機(jī)器之一，也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大的蛋白降解機(jī)器。人源蛋白酶體全酶包含至少64個亞基，由蓋子 (Lid)和基座(Base)亞復(fù)合體組成的調(diào)控顆粒RP(Regulatory Particle)所激活。2016年，該課題組與其合作者在《美國科學(xué)院院刊》報(bào)道了人源蛋白酶體的基態(tài)近原子分辨的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，以及三個亞納米分辨的RP-CP亞復(fù)合體亞穩(wěn)或過渡態(tài)的共存結(jié)構(gòu)，并首次發(fā)現(xiàn)其中一個亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)象的CP的底物轉(zhuǎn)運(yùn)通道處于開放狀態(tài)（見PNAS 2016, 113: 12991-12996）。這一發(fā)現(xiàn)被德國馬普所Baumeister課題組及其合作者在2017年的一篇《美國科學(xué)院院刊》論文中通過酵母蛋白酶體全酶的冷凍電鏡亞納米精度分析進(jìn)一步證實(shí)、引用和比較（見PNAS 2017, 114, 1305-1310）。然而，在這些工作中，CP開放態(tài)的全酶結(jié)構(gòu)離近原子分辨還有較大距離，未能充分揭示人源蛋白酶體全酶的激活后的運(yùn)動行為。毛有東、歐陽頎課題組及其合作者在前期工作的基礎(chǔ)上，利用他們自主開發(fā)的基于統(tǒng)計(jì)流行算法的高性能計(jì)算軟件ROME（見PLoS ONE 2017, 12:e0182130）與優(yōu)化的冷凍電鏡處理方法，對ATP-γS結(jié)合狀態(tài)下的人源蛋白酶體的全酶冷凍電鏡單顆粒數(shù)據(jù)展開了深入分析，得到了6個共存的動態(tài)結(jié)構(gòu)，其中包括3.6埃分辨率的基態(tài)結(jié)構(gòu)，3.5埃的開放態(tài)CP結(jié)構(gòu)，和三個CP開放態(tài)對應(yīng)的亞穩(wěn)簡并態(tài)全酶4.2埃，4.3埃和4.9埃的結(jié)構(gòu)。另外兩個中間態(tài)結(jié)構(gòu)分辨率為7.0埃和5.8埃。三個CP開放態(tài)對應(yīng)的全酶結(jié)構(gòu)的主要差別在于位于RP的AAA-ATPase激酶馬達(dá)模塊，伴隨其不同的構(gòu)象變化，至少有四個ATP-γS分子穩(wěn)定結(jié)合在不同的AAA-ATPase亞基上，為其在不同核酸結(jié)合狀態(tài)下形成的非穩(wěn)定動態(tài)構(gòu)象提供了重要證據(jù)。該研究首次觀察到位于AAA-ATPase激酶馬達(dá)模塊中心的底物轉(zhuǎn)運(yùn)通道呈現(xiàn)從螺旋到鞍形不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，為進(jìn)一步分析底物和蛋白酶體全酶的相互作用奠定了重要基礎(chǔ)。人源蛋白酶體全酶AAA-ATPase馬達(dá)模塊中心的底物轉(zhuǎn)運(yùn)通道發(fā)生大幅度的拓?fù)渥儤?gòu)