Abstract This paper attempts to provide some new understanding of the mechanical as well as thermal effects of the Tibetan Plateau (TP) on the circulation and climate in Asia through diagnosis and numerical experiments. The air column over the TP descends in winter and ascends in summer and regulates the surface Asian monsoon flow. Sensible heating on the sloping lateral surfaces appears from the authors’ experiments to be the major driving source. The retarding and deflecting effects of the TP in winter generate an asymmetric dipole zonal-deviation circulation, with a large anticyclone gyre to the north and a cyclonic gyre to the south. Such a dipole deviation circulation enhances the cold outbreaks from the north over East Asia, results in a dry climate in south Asia and a moist climate over the Indochina peninsula and south China, and forms the persistent rainfall in early spring (PRES) in south China. In summer the TP heating generates a cyclonic spiral zonal-deviation circulation in the lower troposphere, which converges toward and rises over the TP. It is shown that because the TP is located east of the Eurasian continent, in summertime the meridional winds and vertical motions forced by the Eurasian continental-scale heating and the TP local heating are in phase over the eastern and central parts of the continent. The monsoon in East Asia and the dry climate in middle Asia are therefore intensified.

The topology of a wireless multi-hop network can be controlled by varying the transmission power at each node. In this paper, we give a detailed analysis of a cone-based distributed topology control algorithm. This algorithm, introduced in [16], does not assume that nodes have GPS information available; rather it depends only on directional information. Roughly speaking, the basic idea of the algorithm is that a node u transmits with the minimum power pu, α required to ensure that in every cone of degree α around u, there is some node that u can reach with power pu, α. We show that taking α = 5π/6 is a necessary and sufficient condition to guarantee that network connectivity is preserved. More precisely, if there is a path from s to t when every node communicates at maximum power then, if α ⪇ 5π/6, there is still a path in the smallest symmetric graph Gα containing all edges (u, v) such that u can communicate with v using power pu, α. On the other hand, if α > 5π/6, connectivity is not necessarily preserved. We also propose a set of optimizations that further reduce power consumption and prove that they retain network connectivity. Dynamic reconfiguration in the presence of failures and mobility is also discussed. Simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the algorithm and the optimizations.

This article provides a comprehensive review of the global monsoon that encompasses findings from studies of both modern monsoons and paleomonsoons. We introduce a definition for the global monsoon that incorporates its three-dimensional distribution and ultimate causes, emphasizing the direct drive of seasonal pressure system changes on monsoon circulation and depicting the intensity in terms of both circulation and precipitation. We explore the global monsoon climate changes across a wide range of timescales from tectonic to intraseasonal. Common features of the global monsoon are global homogeneity, regional diversity, seasonality, quasi-periodicity, irregularity, instability, and asynchroneity. We emphasize the importance of solar insolation, Earth orbital parameters, underlying surface properties, and land-air-sea interactions for global monsoon dynamics. We discuss the primary driving force of monsoon variability on each timescale and the relationships among dynamics on multiple timescales. Natural processes and anthropogenic impacts are of great significance to the understanding of future global monsoon behavior.

The Coupled Routing and Excess STorage model (CREST, jointly developed by the University of Oklahoma and NASA SERVIR) is a distributed hydrological model developed to simulate the spatial and temporal variation of land surface, and subsurface water fluxes and storages by cell-to-cell simulation. CREST's distinguishing characteristics include: (1) distributed rainfall–runoff generation and cell-to-cell routing; (2) coupled runoff generation and routing via three feedback mechanisms; and (3) representation of sub-grid cell variability of soil moisture storage capacity and sub-grid cell routing (via linear reservoirs). The coupling between the runoff generation and routing mechanisms allows detailed and realistic treatment of hydrological variables such as soil moisture. Furthermore, the representation of soil moisture variability and routing processes at the sub-grid scale enables the CREST model to be readily scalable to multi-scale modelling research. This paper presents the model development and demonstrates its applicability for a case study in the Nzoia basin located in Lake Victoria, Africa.

Abstract Dissolved organic and inorganic carbon (DOC and DIC) influence water quality, ecosystem health, and carbon cycling. Dissolved carbon species are produced by biogeochemical reactions and laterally exported to streams via distinct shallow and deep subsurface flow paths. These processes are arduous to measure and challenge the quantification of global carbon cycles. Here we ask: when, where, and how much is dissolved carbon produced in and laterally exported from the subsurface to streams? We used a catchment‐scale reactive transport model, BioRT‐HBV, with hydrometeorology and stream carbon data to illuminate the “invisible” subsurface processes at Sleepers River, a carbonate‐based catchment in Vermont, United States. Results depict a conceptual model where DOC is produced mostly in shallow soils (3.7 ± 0.6 g/m 2 /yr) and in summer at peak root and microbial respiration. DOC is flushed from soils to the stream (1.0 ± 0.2 g/m 2 /yr) especially during snowmelt and storms. A large fraction of DOC (2.5 ± 0.2 g/m 2 /yr) percolates to the deeper subsurface, fueling deep respiration to generate DIC. DIC is exported predominantly from the deeper subsurface (7.1 ± 0.4 g/m 2 /yr, compared to 1.3 ± 0.3 g/m 2 /yr from shallow soils). Deep respiration reduces DOC and increases DIC concentrations at depth, leading to commonly observed DOC flushing (increasing concentrations with discharge) and DIC dilution patterns (decreasing concentrations with discharge). Surprisingly, respiration processes generate more DIC than weathering in this carbonate‐based catchment. These findings underscore the importance of vertical connectivity between the shallow and deep subsurface, highlighting the overlooked role of deep carbon processing and export.

Microorganisms can colonize to the surface of microplastics (MPs) to form biofilms, termed "plastisphere", which could significantly change their physiochemical properties and ecological roles. However, the biofilm characteristics and the deep mechanisms (interaction, assembly, and biogeochemical cycles) underlying plastisphere in wetlands currently lack a comprehensive perspective. In this study, in situ biofilm formation experiments were performed in a park with different types of wetlands to examine the plastisphere by extrinsic addition of PVC MPs in summer and winter, respectively. Results from the spectroscopic and microscopic analyses revealed that biofilms attached to the MPs in constructed forest wetlands contained the most abundant biomass and extracellular polymeric substances. Meanwhile, data from the high-throughput sequencing showed lower diversity in plastisphere compared with soil bacterial communities. Network analysis suggested a simple and unstable co-occurrence pattern in plastisphere, and the null model indicated increased deterministic process of heterogeneous selection for its community assembly. Based on the quantification of biogeochemical cycling genes by high-throughput qPCR, the relative abundances of genes involving in carbon degradation, carbon fixation, and denitrification were significantly higher in plastisphere than those of soil communities. This study greatly enhanced our understanding of biofilm formation and ecological effects of MPs in freshwater wetlands.

Abstract Understanding controls on solute export to streams is challenging because heterogeneous catchments can respond uniquely to drivers of environmental change. To understand general solute export patterns, we used a large‐scale inductive approach to evaluate concentration–discharge (C–Q) metrics across catchments spanning a broad range of catchment attributes and hydroclimatic drivers. We leveraged paired C–Q data for 11 solutes from CAMELS‐Chem, a database built upon an existing dataset of catchment and hydroclimatic attributes from relatively undisturbed catchments across the contiguous USA. Because C–Q relationships with Q thresholds reflect a shift in solute export dynamics and are poorly characterized across solutes and diverse catchments, we analysed C–Q relationships using Bayesian segmented regression to quantify Q thresholds in the C–Q relationship. Threshold responses were rare, representing only 12% of C–Q relationships, 56% of which occurred for solutes predominantly sourced from bedrock. Further, solutes were dominated by one or two C–Q patterns that reflected vertical solute–source distributions. Specifically, solutes predominantly sourced from bedrock had diluting C–Q responses in 43%–70% of catchments, and solutes predominantly sourced from soils had more enrichment responses in 35%–51% of catchments. We also linked C–Q relationships to catchment and hydroclimatic attributes to understand controls on export patterns. The relationships were generally weak despite the diversity of solutes and attribute types considered. However, catchment and hydroclimatic attributes in the central USA typically drove the most divergent export behaviour for solutes. Further, we illustrate how our inductive approach generated new hypotheses that can be tested at discrete, representative catchments using deductive approaches to better understand the processes underlying solute export patterns. Finally, given these long‐term C–Q relationships are from minimally disturbed catchments, our findings can be used as benchmarks for change in more disturbed catchments.