海洋酸化对鱼类感觉和行为影响的研究进展

海洋酸化是指大气增多的二氧化碳(CO2)溶解于海水而导致海水p H值降低的过程。海洋酸化将改变海水碳酸盐平衡体系,使依赖于原化学环境的多种海洋生物乃至生态系统面临巨大威胁。海洋酸化对钙质生物影响的研究最早引起大家关注,而海洋鱼类具有较完善的酸碱调节机制,大家普遍认为酸化对其影响不大。但在过去的5年中,不少实验证明海洋酸化会影响海洋鱼类仔稚鱼的感觉和行为,减弱其野外的生存能力及增加被捕食率,很可能将威胁自然种群补给量和影响全球的渔业资源量。本文从嗅觉、听觉、视觉及高级意识和相关行为角度,综述近几年海洋酸化对鱼类感觉和行为影响的研究进展,介绍了鱼类神经行为生物学的研究,为全面了解和预测海洋酸化的生态、经济和社会效应提供科学依据。

加拿大北极群岛区域海洋环流及水文特征变化及其影响因素研究进展

作为北冰洋淡水输出的重要通道,加拿大北极群岛的海洋环流及水文特征变化会对其下游及北大西洋地区的海洋环境、生态系统等产生深远影响。此外,加拿大北极群岛内的西北航道海况变化也会对未来北极通航规划与安全保障起到关键作用。然而,由于地理特征的复杂性和气候条件的限制,目前对于加拿大北极群岛海洋环流和水文变化的认识还存在明显不足。本文梳理了目前国内外有关加拿大北极群岛海水体积通量、淡水通量、热通量、温盐结构和环流特征等主要方面的相关研究,分析并总结了影响这些变化的主要因素和控制机理,包括海表面高度、风应力、大气压力和密度分布等因素,并在前人研究的基础上对未来需要关注的重点研究问题予以展望。

美国北极政策下的海洋科学教育和研究现状分析

北极是当前国际关注的焦点区域,北极的气候变化对我国乃至世界发展都有着深刻的影响。中国需要维护自己在北极的权益,而北极海洋科学的教育和研究就是目前我国参与北极事务最适合的途径。与美国相比,中国的北极海洋科学水平尚有不足,因此本文梳理了美国的一些重要北极海洋科学政策,分析了在其影响下的美国北极海洋科学教育和研究现状情况,为中国未来的北极海洋科学发展提供帮助。

海洋酸化对海水青鳉胚胎骨骼发育的影响

本文在实验室模拟近期海洋酸化水平,对海洋酸化对海水青鳉鱼（Oryzia melastigma）胚胎骨骼发育的影响进行了初步研究。实验中,通过往实验水体中充入一定浓度CO2气体酸化海水。对照组CO2分压为450×10-6,两个处理组CO2浓度分别为1 160×10-6和1 783×10-6,对应的水体pH值分别为8.14,7.85和7.67。将海水青鳉鱼受精卵放入实验水体中至仔鱼孵化出膜,对初孵仔鱼经骨骼染色、显微拍照,挑取了仔鱼头部、躯干及尾部骨骼染色清晰的28个骨骼参数的长度进行了显微软件测量及数据统计分析。结果发现,酸化处理对实验鱼所测量的骨骼长度影响均不显著。因此推测,未来100~200年间海洋酸化对海水青鳉鱼的胚胎及初孵仔鱼的骨骼发育没有显著影响。

基于梯度提升决策树模型的Sentinel-1图像浅海水深反演

利用合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)反演浅海水深在海洋遥感中极具挑战性。本文采用梯度提升决策树(Gradient Boosting Decision Tree,GBDT)为核心的机器学习算法,使用Sentinel-1、全球水深数据、风场和流场数据来反演杭州湾和长江口南缘相连的浅海区域的水深。首先分析反演的最佳风速和迭代次数,再对0~10 m、10~20 m、20~30 m、30~40 m、40~50 m的分段水深和0~10 m、0~20 m、0~30 m、0~40 m、0~50 m的总体水深用相关系数、均方根误差和平均绝对误差进行精度评价,最后分析反演水深的空间分布特征。结果表明:反演的最佳风速约为3.78 m/s,并且GBDT模型达到最佳精度时的迭代次数远小于其他模型,最佳迭代次数为4。分段水深中,40 m以内的相关系数都高于0.8,其中以10~20 m的相关系数最高,为0.9;40~50 m则最低,为0.73。40~50 m的平均绝对误差和均方根误差均为最大,分别为1.89 m和2.24 m,20~30 m的平均绝对误差和均方根误差均为最小,分别为0.75 m和0.96 m。在总体水深中,虽然随水深区间的扩大,相关系数会逐渐增加,但是平均绝对误差和均方根误差的精度都随水深区间的扩大而下降,且在0~50 m区间内的平均绝对误差和均方根误差最大,分别为1.06 m和1.59 m,因此反演的最佳区间为0~40 m。该区域的水深从杭州湾海岸线开始由浅及深阶梯增加,反演结果能够较好的表现研究区内的实际水深分布情况,比较符合当前区域的水下地形特征。

基于流场数值仿真的人工鱼礁组合优化研究

基于特征礁水槽集鱼实验,研究了不同结构人工鱼礁和不同背景速度下黑鲷幼鱼在各流速区段出现频度,以鱼类出现频度高、水平流速为背景速度的0.7倍和0.8倍以下的流场空间体积作为背涡流范围指标,以垂向上升流速为水平来流速度的0.1倍和0.2倍以上的空间体积作为上升流范围指标,基于Fluent、采用大涡模拟法(LES)的湍流模型,进行数值水槽建模,以4种单位鱼礁组合方案为例来分析不同组合流场效应的差异和优劣。研究表明,边长3 m的正方体鱼礁,以20～30个单礁、1～2倍礁距进行五点式、对称型单位鱼礁组合投放为宜,这样既能发挥礁体的协同效应,又能使单位鱼礁的调控范围达到最大化。

长江口外海域夏末温跃层与底层水低氧现象研究

基于长江口外海域2009年夏末调查的温盐和溶解氧(DO)资料,采用垂向梯度法对夏末长江口外海域温度垂向结构类型进行划分,计算了温跃层深度、强度和温跃层处DO垂向梯度等参数。长江口外海域夏末水温垂向结构类型及其温跃层强度的分布表现为长江冲淡水、黄海沿岸流、台湾暖流表层暖水和台湾暖流深层冷水交汇、混合的态势。相关性分析表明,温跃层深度与温跃层处DO垂向梯度之间为负相关,温跃层深度与垂向最小DO浓度之间为正相关,温跃层强度与温跃层处DO垂向梯度之间为正相关。最接近DO供给源的上温跃层强度与温跃层处DO垂向梯度具有较强的相关性(r=0.69)。温跃层越浅、强度越大,对底层水低氧现象的影响越大。温跃层、特别是上温跃层引起的水体层化阻碍DO向底层输运,起到了物理隔氧的作用,与低氧现象具有紧密的联系,是低氧现象在长江口外海域从春末到秋季发生、发展、维持和消亡过程的重要环境控制因素。

西北太平洋柔鱼中长期预测方法研究

为了能更好预测西北太平洋柔鱼的资源量,选择合适的预测方法及开发相应的预测系统颇为重要。利用相关性分析,筛选出在产卵区显著影响西北太平洋柔鱼资源量的关键网格点,并采用这些网格点的海表温度、产卵区适宜温度所占面积的比例和单位努力捕获量等数据组织样本,然后利用线性回归、BP神经网络、RBF神经网络和支持向量机等预测方法进行实验。结果表明:在西北太平洋柔鱼中长期预测中,BP神经网络要优于其他方法。以相关性分析和BP神经网络为基础建立的西北太平洋柔鱼资源量预测系统是有效可行的。

基于神经网络的规则提取及其渔业应用研究

为了解决远洋渔业中过度依赖经验而产生的盲目捕捞问题,结合海洋环境数据和历史产量数据对渔场进行有效分析,提出了一种基于径向基函数神经网络(Radial basis function neural network,RBFNN)的栖息地指数(HSI)预测方法,并将其应用于印度洋海域大眼金枪鱼(Thunnus obesus)栖息地指数的预测。在RBFNN训练过程中使用模糊C均值(Fuzzy c-means,FCM)聚类算法,在基于神经网络的规则提取过程中首次采用了和声搜索(Harmony search,HS)算法。实验研究表明,利用FCM改进后的RBFNN,均方误差(Mean square error,MSE)达到0.021 6。和声搜索由于算法简单,易于实现,能够应用于训练后的FCM-RBFNN提取分类规则,提取出的规则能够反映该渔业现状。

加拿大北极群岛区域西北航道海冰冰情长期时空变化特征研究

加拿大北极群岛西北航道区域海冰冰情对西北航道的开通及航行安全有着显著的影响。本研究将西北航道分为南部、北部以及交汇区3个区域,利用美国国家冰雪中心Bootstrap海冰密集度数据和CryoSat-2、CS2SMOS观测以及高分辨率北极海洋-海冰耦合模型(AO-FVCOM)的海冰厚度数据对1978年11月—2017年12月加拿大北极群岛区域西北航道海冰冰情长期时空特征进行研究,并对南线和北线冰情进行评估。研究结果显示西北航道冬春季被高密集度的海冰覆盖,夏秋季密集度较小,呈现北高南低的分布特征;北部、南部、以及交汇区域覆盖范围呈现减少趋势,分别为–0.01×10^5km^(2)·(10a)^(–1)[–0.77%·(10a)^(–1)]、–0.09×10^(5)km^(2)·(10a)^(–1)[–3.50%·(10a)^(–1)]以及–0.12×10^(4)km^(2)·(10a)^(–1)[–2.81%·(10a)^(–1)];海冰厚度在北部和南部区域呈现减小趋势,分别为–0.25 m·(10a)^(–1)和–0.13 m·(10a)^(–1)。西北航道南线冰情优于北线,海冰密集度、覆盖范围、厚度均小于北线。对影响海冰密集度和厚度的大气和海洋热力学因素进行分析发现,研究区域的表面大气温度、海洋表层温度呈现上升趋势,并和海冰密集度呈现显著负相关,和北部、南部区域海冰厚度呈现显著负相关,与交汇区域海冰厚度相关不显著。

加拿大北极群岛区域海冰变化情况及其影响因素研究进展

加拿大北极群岛作为北冰洋淡水输出的重要通道,其海冰变化以及通过该区域的北冰洋淡水变化会对北大西洋及其下游的水文状况、自然环境和生态系统产生深远影响。此外,加拿大北极群岛海冰的变化情况会对西北航道的通行产生显著作用。然而由于观测数据在时空上的限制,现今的研究对加拿大北极群岛海冰具体变化过程以及影响其变化的机制了解得还不够深入。本文梳理了目前国内外有关加拿大北极群岛海冰密集度、海冰面积、海冰厚度、海冰面积通量等主要海冰要素变化的相关研究进展,分析了海冰变化对西北航道通航的作用,总结了影响加拿大北极群岛海冰变化的主要因素,包括大气环流热力因素、动力因素以及海洋变化影响因素,并在前人研究的基础上对亟待解决的一些研究内容予以展望。

北极冰间湖时空变化过程及其形成机制研究进展

在北极气候快速变化的背景下,北极冰间湖作为北极最活跃的区域,其产生和维持以及该区域结冰析盐过程对北极地区的水文环境、海洋生物的生存和发展以及北极航道路线的选择等产生深远的影响。然而,现有的研究对北极各冰间湖形成的位置、大小和时间等变化缺乏较为细致的研究,且对各冰间湖具体形成因素以及影响其变化的机制研究不足,国内对于北极冰间湖时空变化过程及形成机制的系统性介绍及概述较少。因此,本文梳理了目前国内外关于北极冰间湖的研究方法、时空变化过程和形成机制等方面的研究进展,总结了北极冰间湖在北极区域的综合作用与影响,阐述了影响北极冰间湖变化的热力学与动力学因素,并在前人研究的基础上对目前冰间湖研究中亟待解决的问题和目标进行展望。

白令海峡区域太平洋入流水主要特征及其影响因素研究进展

作为北极海洋要素的重要来源之一,白令海峡区域的太平洋入流水在北冰洋表层海洋环流和物质能量输运过程中发挥着重要作用,对区域乃至全球气候和生态系统产生深远影响,然而现今的研究对太平洋入流水出现的新变化以及其如何参与北冰洋的海洋–大气过程了解得还不够深入。本文梳理了目前国内外有关太平洋入流水流量、环流与水团等主要特征的相关研究进展,总结了太平洋入流水的流量变化和驱动机制、环流路径和影响因素,以及与太平洋水有关的水团特征,并在前人研究的基础上对未来的研究方向予以展望。

巴伦支海和喀拉海区域海冰变化关键过程及热力响应

巴伦支海和喀拉海区域是北极海冰变化最显著的地区之一,由于该区域海冰厚度和海冰流速观测数据的不完整,对于巴伦支海和喀拉海区域海冰体积时空变化特征的认识还不够完善,对引起该区域海冰变化的关键过程及海冰对热力学因素的响应理解也不够清晰。本研究综合利用1991—2019年海冰流速和海冰厚度再分析数据与海冰流速模式数据,定量分析了巴伦支海和喀拉海区域海冰变化的主要贡献来源。结果表明,相较于外部的海冰输运变化,局地海冰变化贡献是该区域海冰总体积变化的关键过程。外部海冰的贡献主要由斯瓦尔巴群岛与北地群岛之间的海冰向外输出增加和内向输入减少共同作用引起。在局地海冰变化中,海冰体积减小主要由喀拉海和巴伦支海北部以及喀拉海南部海冰厚度减小所致。区域内海冰分别和海表温度以及地表气温呈现较为显著的负相关性变化。海冰与海表温度高相关性区域的分布与海表温度增暖较快的区域相一致,春、夏季主要位于巴伦支海,秋、冬季扩大至巴伦支海和喀拉海大部分区域。海冰与地表气温之间的平均相关系数高于与海表温度的相关系数,高相关性区域的分布与海冰厚度减小明显的区域分布相似。

海水模式种青鳉鱼(Oryzias melastigma)的胚胎发育观察

海水青鳉鱼(Oryzias melastigma)作为一种新兴的海洋模式生物,可应用于海洋生态毒理学的研究。鱼类发育的早期阶段对污染物最为敏感,海水青鳉鱼胚胎毒性分析已成为毒理学研究的重要方法,但是目前尚未见有关海水青鳉胚胎发育的有关报道,因此本研究对海水青鳉鱼的繁殖习性和胚胎发育过程进行了详细观察。利用体视显微镜对海水青鳉的早期胚胎发育过程的形态特征进行了连续的实验观察,并描述了各个发育时期的特征。在水温(26±0.5)°C的条件下,海水青鳉鱼受精卵历时220h 30min孵化出膜。胚胎发育过程分为受精卵激活阶段、受精卵胚盘形成阶段、卵裂阶段、囊胚阶段、原肠胚阶段、神经胚阶段、器官形成阶段、孵化出膜阶段8个阶段,共分为33个时期。

L波段合成孔径雷达影像反演涌浪参数

针对L波段合成孔径雷达图像尚无波浪反演算法的问题,提出了利用高级陆地观测卫星(ALOS)搭载的相控阵列L波段合成孔径雷达(PALSAR)在日本近海的图像发展的算法,反演得到了涌浪参数(包括波长和波向)。研究假设L波段SAR对涌浪的成像机制为线性的,通过图像处理得到了高质量的PALSAR图像谱,从此谱可计算得到谱峰值波长和波传播方向。此图像谱所固有的180°方向模糊,可利用涌浪只向近岸传播的特点解决。通过对反演和日本"全国港湾海洋波浪情报网"(NOWPHAS)现场观测的波参数的比较,波长的偏差是-10.5m,均方差是18.3m,相关系数是0.94;波向的偏差是-1.3°,均方差是15.5°,相关系数是0.94。上述数据表明,反演方法中将L波段PALSAR对涌浪的成像机制假设为线性是可行的。

三维海洋数值模型在东中国海鲐鱼渔场预报中的应用

根据1998-2011年7-12月的东中国海鲐鱼渔业数据,应用数理统计方法对中心渔场作业位置与海区表温的关系进行了定量分析。以北纬32°为界,将东中国海鲐鱼渔场分为北部黄海渔场和南部东海渔场两部分,分别给出了各月份北部和南部渔场的最适表温范围。基于海洋模式ECOM-si建立了东中国海区的三维温盐流数值模型,结合各月份的最适表温数据,初步建立了鲐鱼渔场渔情预报模块。应用此预报模块,对鲐鱼主要作业期(7-12月)的中心渔场位置进行了回报,结果与历史捕捞作业数据符合良好。数值模型结果再现了北部渔场8月份起在黄海深水区周边发展,10月达到最盛,11月渔场位置南移,12月基本位于黄海海盆深水区的过程;以及南部渔场8月最盛,10月起大降,11月和12月远离黑潮主轴西侧海域,西撤至100 m等深线附近的发展过程。结果表明所建立的三维温盐流海洋数值模型和初步建立的渔场、渔情预报模块适用于东中国海重要渔业渔场和渔情的预测、预报应用。

台风涌浪进入东海形成浪区的空间分布特征

西北太平洋台风外围的涌浪可穿过琉球群岛的海峡传入东海。本文采用1978—2018年的历史资料研究了有效波高2 m及以上的涌浪穿过琉球群岛在东海所形成浪区的空间分布特征。结果表明,沿适当角度的台风外围涌浪主要通过与那国海峡、宫古海峡、边户岬-与路岛水道、奄美-吐噶喇海峡传入东海,其余受到岛屿阻挡。筛选得到的40个台风案例中,宫古海峡入射次数最多,为33次,其次是边户岬-与路岛水道和奄美-吐噶喇海峡,均为17次,与那国海峡为11次。奄美-吐噶喇海峡,宫古海峡、边户岬-与路岛水道和与那国海峡的涌浪入射深度达到最大时分别约为570 km、480 km、380 km和234 km。多元线性回归分析结果表明,登陆型台风和西进型台风10级风半径、台风平均移动速度、入射角度对涌浪入射深度的影响较大,单独台风要素与涌浪入射深度无统计学上的相关性。

北冰洋入海径流变化状况及其与近岸海冰关系

北极入海径流是北冰洋最主要的淡水来源之一,也是影响北极变化的重要因素。利用Dai和Trenberth发布的1979-2010年全球河流流量和陆地径流数据集、全球径流数据中心(GRDC)数据集和美国国家冰雪中心数据集,以入海口位置划分研究区域为楚科奇海区、东西伯利亚海区、拉普捷夫海区和喀拉海区;以流量特征,选取注入北冰洋的前12条大河中的6条主要河流为代表,采用Mann-Kendall趋势分析方法,检测了不同海区入海径流在不同季节的变化特征及趋势,并对其与边缘海区海冰覆盖面积的关系进行分析。结果表明:所有河流的季节特征明显且一致,径流量集中在4-11月, 6月前后的洪峰流量远大于春季和秋季的径流量,且叶尼塞河和勒拿河洪峰时期的流量是其他河流的3-4倍。径流季节变化明显,在全球变暖的影响下,径流总体呈现显著增长趋势,春季径流量增加最为明显,其中东西伯利亚海域入海径流增长最快。楚科奇海春季径流量与融化开始时间显著相关,径流量每增加5.9 km^3·a^–1,海冰融化时间提前一天。东西伯利亚海夏季径流量与融化开始时间(8月)显著相关,径流量每增加30.7km^3·a^–1,海冰融化时间提前一天。东西伯利亚海8月最大日径流量与当月冰情显著相关,最大日径流量发生时间平均提前于海冰低谷发生时间8天。不考虑其他因素的情况下,最大日径流量每增加15.7km^3·a^–1,海冰低谷距平降低1%,表明其促进融冰期海冰的融化,导致冰情减轻。东西伯利亚海秋季径流的增大加速了结冰后期海冰的冻结。

基于AMSR-E遥感数据的北极冰间湖面积变化分析

利用4种遥感数据:AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System)36GHz与89GHz亮温数据反演的海冰厚度以及相应波段的海冰密集度数据,结合海冰密集度和厚度两种方法提取北极冰间湖面积,分析东西伯利亚沿岸和阿拉斯加沿岸在2003—2011年期间1—4月冰间湖面积变化,并比较不同数据和算法之间的差异。结果表明:(1)1—4月份冰间湖面积变化形态相似,但数值不同,从长期看,基于AMSR-E 89 GHz亮温数据反演的海冰厚度数据计算的冰间湖面积呈上升趋势,变化率为273.33 km^2·mon^(-1),而AMSR-E 89 GHz和36 GHz波段的海冰密集度及基于AMSR-E 36 GHz亮温数据反演的海冰厚度数据计算的结果呈下降趋势,分别为-68.91km^2·mon^(-1)、-42.74 km^2·mon^(-1)和-41.91 km^2·mon^(-1);(2)数据分辨率高能够更精细分辨冰间湖,得到的面积大,反之则小;(3)由于基于海冰密集度和基于海冰厚度两种方法对冰间湖的定义不同,海冰厚度方法计算结果要大于海冰密集度结果;(4)冰间湖面积变化存在地域差别,白令海峡以西海域冰间湖统计差异较为明显,而以东海域则较弱。