人地复合生态系统韧性研究进展及其对海岸带生态系统韧性研究的启示

在全球气候变化与人类高强度开发的双重影响下,人地复合生态系统和受陆海系统交互影响的海岸带地区生态脆弱性更加明显。如何有效把握人地复合生态系统发展动向,合理规划与调控社会经济活动、促进人地关系协调发展一直是可持续发展领域研究的重点课题。韧性作为系统的内在特征,在防范化解灾害风险、维护区域生态安全中发挥着重要作用,是人地复合生态系统可持续发展能力的重要表现。然而,目前关于人地复合生态系统韧性的内涵、评估方法等方面尚未形成统一的范式,韧性的量化评估方法存在较大差异。通过梳理和归纳现有研究成果认为,韧性经历了从工程韧性、生态韧性到演进韧性的转变,其概念及内涵仍在不断拓展与深化;总结对比了基于过程形成性和状态总结性的韧性评估方法发现,将韧性作为过程与结果的综合评估研究仍较为缺乏;在抵抗扰动、维持稳定和协调发展的韧性理念下,生态系统的保护与修复等将是区域可持续发展应用中人地复合生态系统安全的重要保障。根据人地复合生态系统韧性研究进展的分析结果,结合海岸带生态系统韧性研究的现状及不足,认为未来需要在加强海岸带生态系统韧性内涵挖掘、完善海岸带生态系统韧性评价体系、提高海岸带生态系统韧性监测精度、促进学科融合推动海岸带生态系统韧性有效修复实践等方面深入研究。

产业链视角下中国海洋渔业高质量发展水平综合评价

产业链建设是产业高质量发展主阵地,提升海洋渔业产业链现代化水平是支撑海洋经济高质量发展的必要条件。为进一步提升海洋渔业区域产业链联动水平,深入推进海洋经济转型升级,本文基于产业链多维内涵,从创新链、价值链、供应链、空间链四个维度出发,构建海洋渔业高质量发展水平评价指标体系;运用逼近理想解排序法(TOPSIS)、对抗解释结构模型(AISM)和障碍度模型,对2006-2020年中国沿海11个省(区、市)海洋渔业高质量发展水平及其影响因素进行分析,并提出相应建议措施。结果表明:(1)时间上,研究期内中国海洋渔业高质量发展水平逐年向好,各维度贴近度数值均呈现不同程度波动上升趋势,其中创新链维度贴近度数值较高且稳定增长,价值链和空间链维度贴近度数值增长较快,供应链维度贴近度数值还有较大提升空间。(2)空间上,中国海洋渔业高质量发展水平区域差异较大,在四大维度中优势和劣势各不相同。(3)优劣层级划分上,研究区海洋渔业高质量发展水平总体层级较为明显,其中山东表现最好,河北和海南较差,除江苏、上海、广西三个活动要素外,其他地区发展稳定,呈刚性结构。(4)影响因素上,创新链水平对海洋渔业高质量发展阻碍最大,价值链水平和供应链水平也有一定影响,研究期内第一障碍因子分别是X1水产技术推广经费、X5水产技术推广机构技术成果数量和X3渔民技术培训期数。产业链视角下研究海洋渔业高质量发展可促进现代渔业体系向信息化、智慧化发展,助推经济、社会高质量发展。

Chenier的内涵分析和译名建议

名词术语规范化是推动科学技术创新、创建科技话语体系、争取国际科技话语权等工作的基础性工作。Chenier(及与之相关的Chenier Plain)是一种独特而重要的海岸沉积地貌类型,但是其译名并未统一。自1970年来以来,Chenier的中文译名先后出现了4大类、8种,以贝壳堤相对常见,这种情况不利于中文语境下术语的统一表达和高效传播。本文首先详细说明了Chenier的内涵,即位于高潮滩、沿岸、蚀余、粗颗粒天然堤。然后对上述译名进行分析和评述。虽然“贝壳堤”的使用相对最为广泛,但是Chenier既可能主要由贝壳物质组成,也可能以硅质砂砾为主,从而引发矛盾。基于内涵和术语的翻译定名特点,本文建议将Chenier翻译成潮滩堤,Chenier Plain即为潮滩堤平原。考虑到物质组成,潮滩堤(Chenier)可以分两种,一为砂质潮滩堤(SandyChenier),一为贝壳潮滩堤(ShellyChenier),后者可以简称为贝壳堤,以及对应的贝壳堤平原。

基于ConvLSTM-CNN预测太平洋长鳍金枪鱼时空分布趋势

海洋渔场的变动由空间与环境因子共同驱动,渔场时空演变信息的精准预测是海洋捕捞的关键。本研究利用1995-2018年太平洋海域长鳍金枪鱼(Thunnus alalunga)的渔业生产统计数据,结合同期海洋环境数据包括海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)、海表面盐度(Sea Surface Salinity,SSS)、初级生产力(Primary Productivity,PP)和溶解氧浓度(Dissolved Oxygen Concentration,DO),提出了一种融合卷积长短期记忆网络(Convolutional Long Short-Term Memory Networks,ConvLSTM)和卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)的渔场时空分布预测模型。该模型引入特征提取模块,对时空因子进行编码,提取时空特征信息,同时采用CNN提取海洋环境变量的抽象特征,采用ConvLSTM提取渔业数据的高层时空关联信息,最后融合多种特征对渔场时空演变趋势进行预测。结果表明,模型的均方根误差为0.1036,较随机森林、BP神经网络和长短期记忆网络(Long Short Term Memory,LSTM)等传统渔场预报模型的预测误差降低15%~40%,预测的高产渔区与实际作业的高渔获量区匹配度为89%。该研究构建的渔场时空预测模型能够准确地预测出太平洋长鳍金枪鱼的时空分布,为太平洋长鳍金枪鱼的延绳钓渔业提供科学参考依据。

海上风电场区位分布的动态演进和影响因素研究

为应对能源安全和气候变化,培育新兴产业,我国大力发展海上风电产业。经过十余年发展,海上风电累计装机总量已跃居全球首位,但在这一过程中,风电场的区位分布表现出显著的时空异质性,即随着时间推移,其经历一个由江苏到福建、广东、山东等地动态演化的过程,研究不同阶段影响区位分布的主导因素及其变化,对政府制定有效政策以促进产业发展具有重要意义。根据国家发布的政策文件以及中国风能协会等公布的数据,本文划分了海上风电发展阶段,采用动态偏离-份额拓展模型来测度产业转移以揭示区位分布的演进;进一步将模糊集定性比较分析法与地理探测器模型结合,从动态的角度分析了产业发展各阶段区位分布的主导因素及其变化,并剖析了增长突出省区市的发展路径及其差异化。研究表明,发展初期,海上风电场区位分布受政府扶持力度和自然因素的影响较多,随着产业发展及技术进步,创新环境与专业人才逐渐成为关键因素,典型的发展路径有政策驱动型、水域-政策驱动型、风能驱动型、创新-知识型、知识-政策驱动型等。进一步加快人才培养、完善产业链条、优化扶持方式应成为推动产业健康持续发展的努力方向。

近岸旅游型海岛韧性评价体系构建及空间要素影响机制研究

随着对海岛开发建设活动逐渐增加,我国部分近岸旅游型海岛规划呈现出缺乏科学指导的低效盲目开发局面,严重影响海岛的可持续发展。此外,传统陆地的韧性量化研究在近岸旅游型海岛存在不适用性,海岛空间要素对韧性的影响机制亦尚不明晰。本文通过总结国内外使用的韧性评价指标,结合旅游型海岛空间布局的量化测度研究及其特殊性,从承载力、适应力和恢复力三个韧性侧重维度,构建了适用于近岸旅游型海岛的韧性评价指标体系。通过研究分析明确了影响近岸旅游型海岛韧性的三个关键空间要素,分别为功能混合度、路网连通度和核心组团布局。本文选取12个典型海岛作为实证对象,基于多源数据计算海岛韧性水平,探究三个关键空间要素对韧性的影响机制。结果表明:(1)中等功能混合度、高路网连通度、海岛核心组团布局位于海岛几何中心三种空间布局状况下海岛韧性最高。(2)功能混合度的变化主要影响适应力和承载力两个维度,且对适应力的影响程度更强;路网连通度的变化主要影响恢复力、承载力和适应力三个维度,且对恢复力的影响程度更强;核心组团布局的变化主要影响承载力和恢复力两个维度,且对承载力的影响更强。

人工采砂坑对规则波岸礁水动力特性的影响研究

本文基于非静压单相流模型NHWAVE,系统分析了人工采砂坑对规则波岸礁水动力特性的影响。研究结果表明:人工采砂坑会使局部波高在坑前和坑内分别增大和减小,但是采砂坑对礁缘和礁后岸滩附近局部波高的变化无显著影响;采砂坑对平均水位的变化几乎没有影响。随着入射波高的增大,采砂坑附近局部波高的变化幅度相对减小,但礁坪上波浪增水随之增大。礁坪水深越大,采砂坑附近的局部波高变化幅度越大,但礁坪上的增水效应会随着礁坪水深的增大而减小。当波浪周期增大时,波高在坑前升高、坑内降低这一现象更为显著,小周期的波浪几乎不发生这种现象。人工采砂坑的位置、宽度和深度对规则波的传播变形均有显著影响;采砂坑从礁缘移动至岸线附近过程中,波高在坑前升高和坑内降低现象逐渐不明显,但岸线附近的平均水位逐渐增大;随着采砂坑宽度和深度的增大,岸线附近的平均水位逐渐减小。采砂坑的存在在一定程度上会增加波浪的反射系数;采砂坑的存在显著降低了波浪在岸线附近的爬高。研究结果可进一步为评估珊瑚礁上的采砂活动提供参考依据。

2001-2020年东海区大陆海岸带复合生态系统韧性时空演变

海岸带是自然、社会、经济相互作用频繁的地区,然而,过度开发胁迫海岸带生态环境退化。海岸带复合生态系统韧性研究有利于实现精准有效的生态保护。本文综合多源数据从复合生态系统基底状态、社会经济发展与资源环境禀赋的耦合协调关系、复合生态系统的可持续发展潜力、人类活动对环境的影响范围与强度方面构建评价体系,定量评估2001-2020年东海区大陆海岸带复合生态系统韧性,分析韧性时空演变特征与空间分异的影响因素。结果表明:(1)2001-2020年东海区大陆海岸带复合生态系统韧性呈波动下降趋势,韧性空间异质性显著,具有明显的海陆梯度地带性。(2)林地是维持区域复合生态系统韧性的主体。(3)反映人类活动分布与强度的因素对复合生态系统韧性的影响越来越大。研究为保护、恢复、促进海岸带复合生态系统可持续利用与管理提供了理论支持与实践参考。

长江口南北支分流口江心洲动力地貌变化过程研究

地处径潮流汇合处的河口分流口江心洲在河口河势变迁中有着重要作用。本文利用1959-2022年长江北支入口段实测地形数据、长江入海水沙以及南北支分水分沙比等数据,对北支入口段新生江心洲动力地貌变化过程进行分析。研究结果表明:1959-2022年期间新生江心洲地貌演变经历了4个阶段:第一阶段(1959-1997年)北支主流位于崇头一侧,新生江心洲向海门港侧迁移;第二阶段(1997-2008年)崇头侧泥沙淤积,新生江心洲重新迁移至崇头侧;第三阶段(2008-2017年)新生江心洲形状与位置基本达到稳定状态,变化较小,但体积趋于增长态势;第四阶段(2017-2022年)新生江心洲经历冲刷且高程大幅降低,但形状位置没有明显改变。其中新生江心洲位置与形态的变化受白茆沙分流比以及北支主流变化影响较大,但沙洲的高程因洪水事件而出现强冲刷。

闽台海岸带生境质量时空演变及其影响因素

快速城镇化、工业化背景下对海岸带生境质量进行评估,揭示影响生境变化的关键驱动因子,对于海岸带生态可持续发展具有重要意义。本研究以福建东海岸和台湾西海岸(以下合称闽台海岸带)为研究对象,借助1990年、2000年、2010年、2020年的土地利用以及社会经济数据,运用InVEST模型及地理探测器分析土地利用变化下生境质量的时空演变特征及其影响因素,为城市生态空间优化提供可靠的理论依据。结果表明:(1)1990-2020年两岸土地利用变化以建设用地的增长及耕地的减少为主要特征。建设用地2000-2010年面积增长最多,年均增长5.66%。耕地作为建设用地面积最大转入来源,面积共减少1781 km^(2),年均减少2.55%。土地变化福建东海岸大于台湾西海岸。(2)1990-2020年闽台海岸带生境质量均值为0.82,总体生态质量良好,但呈下降趋势。2000-2010年两岸低等级生境面积增长最快,2010年后增长速度趋缓。生态用地向非生态用地的转移对生境退化的贡献率超过70%。(3)夜间灯光指数、人口密度、GDP、高程、坡度为影响生境质量变化的主要因素,30年间主导因素由地形因素变为社会经济因素。研究为闽台沿海地区陆海土地资源管理提供科学依据,对区域协同发展具有重要意义。

特大洪水期间长江口浑浊带分粒级输沙特征

基于2020年7月特大洪水期间长江口浑浊带南槽、北槽和北港多站位同步实测水沙动力数据,研究了河口浑浊带分粒级输沙时空特征及其对泥沙来源响应的指示意义,结果表明:(1)北港和北槽是流域泥沙净向口外输移的主要输沙通道,南槽是海域泥沙净向口内输移的主要输沙通道,主槽内粉砂是主要输沙组分,占比63.2%,口外粉砂和黏土是主要输沙组分,分别占比43.2%、40.9%;(2)大潮粉砂输运占比高于小潮,黏土输运占比低于小潮,口外测站砂组分在大小潮期间于横沙浅滩和九段沙间沿岸输移,横沙浅滩附近大、小潮离岸输沙分别是北港口外的1.7倍和8倍,不利于横沙浅滩淤涨;(3)当前流域减沙高达70%,此次特大洪水期间黏土、粉砂和砂三组分近底净向口内输移为减沙背景下的口外供沙提供了有力的佐证。

填海工程的海湾动力地貌效应——以芝罘湾为例

港口、人工养殖以及码头建设等填海活动会导致海岸地貌和海域动力环境发生改变,从而影响其海岸带韧性。本文以围填海活动剧烈的芝罘湾为例,基于1977-2022年遥感影像与水深数据,采用空间分析和水动力数值模拟等方法,综合分析了近45年来芝罘湾填海工程下海湾地貌演变与水动力变化情况,结果表明:围填海活动是芝罘湾地貌形态变化以及水动力条件改变的主要原因。①围填海工程导致海湾岸线整体呈现增加的趋势,岸线长度整体增加了10.67 km,岸线结构发生改变,自然岸线保有率持续降低。水深地形变化显著整体冲刷为主,近岸侵蚀严重,1995-2022年均蚀退率达5.4 cm/a。②围填海工程使海湾水动力条件发生改变,导致湾内流速普遍减弱,涨潮时不超过0.2 m/s,流向复杂多变,突堤附近尤为明显,海湾纳潮量呈现持续减小趋势,平均纳潮量整体减少了1.8928×10^(7)m^(3)。研究结果可为芝罘湾海洋生态环境保护与海域资源的合理开发提供科学的对策建议。

1996-2022年黄河三角洲行水河口岸线稳定性研究

黄河清八汊现行河口自改汊以来发生了巨大变化,监测其岸线变化,探讨其稳定程度对海岸带可持续发展以及海岸带韧性评估具有重要意义。本研究利用GPS、GIS、RS技术从1996-2022年黄河三角洲行水河口的220幅遥感影像中推断出年平均海岸线位置,同时根据行水河口摆动次数划分为5个阶段,并以此为基础对海岸线变迁及其稳定性进行定量分析。结果表明:行水河口岸线长期处于动态变化过程中,整体呈淤进状态,各岸段岸线时空变化特征不同,最大侵蚀(-73.89m/a)区出现在两丁坝之间,最大淤积(393.20m/a)区出现在河口区附近。研究区90%的岸线表现为较强淤积至严重淤积,稳定性指数由两丁坝之间(0.135)、2007年出汊前旧河口(0.068)、2007年出汊后新生河口(0.006)依次降低。入海水沙量、河口位置变迁以及沿岸输沙是影响岸线稳定性出现时空差异的主要原因。

大亚湾湿地底栖微藻对氮素的吸收存储及影响因素探究

为探讨不同类型湿地表层沉积物中底栖微藻对氮素的吸收存储能力及其影响因素,于2017年3月(枯水期)和8月(丰水期)分别采集大亚湾光滩湿地(T1)、河口湿地(T2)和红树林湿地(T3)表层沉积物底栖微藻样品,并进行了反复冻融实验。研究结果表明,大亚湾滨海湿地表层沉积物中的底栖微藻丰度具有显著的时空差异,温度、营养盐和沉积物粒径可能是影响底栖微藻生长繁殖的主要因素。不同季节比较发现,底栖微藻的氮累积存储能力表现为枯水期强于丰水期,主要由于丰水期较高温度和强光照引起的过度干燥和光刺激,限制了底栖微藻的生长繁殖。河口湿地丰富的营养物质能促进底栖微藻的生长繁殖,致使在淡澳河河口湿地叶绿素含量最高,底栖微藻丰度也最大。底栖微藻胞内溶解无机氮(DIN)含量表现为T2(河口湿地)>T1(光滩湿地)>T3(红树林湿地)的空间分布特征,这与其生物量的时空分布特征相一致(P<0.01),并且底栖微藻对氨氮(NH_(4)-N)有较强的累积存储能力,胞内氨氮(IC-NH_(4))占胞内无机氮(IC-DIN)高达90.4%。底栖微藻IC-DIN占整个沉积物氮库的24.2%,其中约20.0%的NH_(4)-N、17.6%的NO_(3)-N和16.0%的NO_(2)-N被吸收累积在底栖微藻细胞内。整体上,大亚湾湿地沉积物底栖微藻的氮素累积能力受营养负荷的影响,且NH_(4)-N负荷越高,底栖微藻对氮的吸收存储能力越强,能有效降低近岸富营养化水平。

黄河口湿地潜在溢油污染生态风险评估

黄河口有着我国典型的新生湿地生态系统,生态环境非常脆弱,极易受到陆源和海洋污染事故的影响。本文针对黄河口附近海上油田的开发和运输带来的潜在溢油风险,结合溢油污染概率模型以及河口的生态脆弱性,对黄河口湿地潜在溢油污染风险进行评估。在河口水动力模拟的基础上,采用随机情景模拟法选取300种风和潮流组合作为溢油模拟的强迫条件,分别模拟溢油后72 h和720 h的污染结果,并统计黄河口湿地受溢油污染影响的最大概率和最短时间,采用环境敏感指数表征湿地对溢油污染的敏感程度、危害后果指数量化表征其危害程度及风险矩阵量化风险高低。结果表明黄河口国家公园受潜在溢油污染概率较大,危害后果指数值为29,处于较高危害等级,属于中风险区;河口岸线受潜在溢油污染概率较小,危害后果指数值均小于1,溢油危害后果低,属于低风险区。

基于多维度声学特征优选的多波束海底底质分类

海底表层底质分布信息的准确获取在构建海洋基础地理数据库中发挥着重要作用。目前,多波束是实现大范围海底底质分类的有效手段之一,基于多波束测深和反向散射强度数据所派生的声学特征被广泛应用于底质分类建模。然而,随着特征维度的增加,特征空间中存在的无关和冗余特征严重影响底质分类精度。为了定量评估声学特征对底质类别的表征能力,并消除无效特征对分类结果的干扰,本文提出了基于多维度声学特征优选的海底底质分类方法。首先,结合实际底质样本的物理属性对多维特征进行排序和优选,排除冗余和无关特征。其次,分别应用支持向量机、随机森林和深度信念网络构建海底底质监督分类模型。通过利用爱尔兰海南部多波束调查数据和实地取样信息进行试验,结果表明提出方法对海底底质的总体分类精度和Kappa系数分别最高达到了86.20%和0.834,相较于主成分分析和熵指标特征选择方法有明显提高,突出了该方法在海底底质探测及制图的应用潜力。

基于等效声速剖面原理的测深误差改正方法

水下地形测量中,水中声速误差的存在,造成在多波束测深数据中边缘波束区域测深误差显著增大,严重影响了多波束测深精度。对此,本文提出一种基于等效声速剖面原理的测深误差改正方法。针对相邻测线重叠区域的测深不符值序列,以声速误差、整体测深偏差、随机测深误差在等效声速剖面框架结构下构建函数模型,基于稳健估计原理对声速误差进行估计,进而实现测深偏差的整体改正。基于广东红海湾浅水测量数据和西太平洋深海测量数据的实验结果表明,本文所提方法可有效削弱声速导致的测深误差,改正后测深精度分别提升33.3%和32.6%。

基于改进CGAN的海冰SAR-to-Optical影像转换

遥感海冰监测是当前研究热点,通过条件生成对抗网络(CGAN)将海冰SAR影像转换成光学影像,可获得全天时全天候且形象直观的监测数据,但该方法得到的转换结果存在影像模糊、纹理弱化和颜色失真等问题。本文针对以上问题设计了改进的CGAN网络,综合当前的改进方式,新模型在网络结构上加入了空洞空间金字塔模块并设计了加入交叉特征融合模块的跳跃连接,使用结构相似性和L1范数联合损失函数。本文选取东波弗特海地区5景Sentinel-1影像和7景Sentinel-2影像开展实验,实验结果表明,改进CGAN转换的影像具有更好的视觉效果,峰值信噪比(PSNR)提高了3.4 dB,结构相似性(SSIM)提高了0.11,均方根误差(RMSE)降低了13%,并且经过转换后的影像比SAR影像海冰分类结果准确度提高了7.33%。

基于物理关联深度学习的海浪浪高预测方法

精确的海浪有效波高(简称浪高)预测对于海上生产生活具有重要意义。针对现有海浪浪高预测模型对不同海洋要素间关联信息考虑不足,以及长时序浪高数据本身存在非平稳性的问题,本文设计了一种考虑物理约束与差值约束的海浪浪高时间序列预测方法。该方法基于风速与浪高之间的物理关联,设计物理约束,并通过提取差分信息设计差值约束,结合现有基于深度学习的时间序列预测模型,实现浪高预测。采用黄海和东海的6个不同站点浮标数据进行了大量实验。实验结果表明,本文提出的方法可以利用海洋要素间的物理关联,有效提高浪高预测精度,并避免因不同要素间融合造成的信息间干扰;同时,利用差值约束,限制时间序列预测结果的变动范围。本文方法可以与不同类型的时间序列预测模型相结合,显著提升原有模型的性能,并在长时间序列的预测中体现出很好的鲁棒性,为海洋要素预测中物理与数据驱动模型的有效结合提供了思路和验证。

基于高分辨率再分析海流数据的三种涡旋识别方法在南海的评估

本文基于南海11 a逐日高分辨率再分析海流数据,利用三种涡旋识别方法——缠绕角(Winding Angle,WA)法、速度矢量几何(VectorGeometry,VG)法和OW(OkuboWeiss)参数法对南海中尺度涡进行识别和追踪,对比了三种方法对中尺度涡的探测能力,并分析了在高分辨率再分析产品中的适用性。研究表明,产品空间分辨率的提高能够放大OW方法的W参数噪声,使该方法存在涡旋过量检测和涡旋分割现象,导致识别的涡旋数量偏多、半径偏小,涡旋平均成功探测率最低(76.2%);与OW方法相比,WA方法在一定程度上降低了涡旋过量探测率和漏判率,涡旋平均成功探测率提高至85.1%,但涡旋识别时间较长;与前两种方法相比,VG方法的涡旋平均成功探测率可达93.2%,综合评估参数(过量探测率×漏判率÷成功探测率)优势显著(4.5%),且计算高效。因此,在基于高分辨率再分析产品进行中尺度涡识别时,VG方法具有更加合理的涡旋探测结果和更强的适用性。