全球变暖停滞期间海洋次表层增温机制研究

全球变暖停滞期间,海洋表层升温速度减缓,同时次表层出现增温现象。针对变暖停滞期的海洋热含量垂向再分配机制,本研究基于海洋再分析产品ECCO4以及Ishii次表层温度数据集、NCEP2、卫星高度计数据等观测资料,采用新的诊断方法评估绝热和非绝热过程对海洋热含量变化率垂向结构与水平空间分布的影响。结果显示,2002—2011年期间,沿等密面、跨等密面非绝热垂向热通量的变化主要发生在热带外海域,且呈现正负相抵的状态。相反,风驱动的绝热调整对垂向净热通量的改变起主导作用。因此,在全球变暖停滞期间,海洋热含量的垂向再分配主要归因于风驱动而非扩散过程。1993—2011年北大西洋副极地海盆区风应力旋度变化率主要为负值,一方面不利于正风应力旋度引起的向上热输送,另一方面加强了负风应力旋度导致的向下热输运,这一现象解释了该海域次表层内海洋热含量的增加和温度的升高。

多层海洋背景下的位涡均一化理论研究

位涡均一化理论是现代温跃层理论的基石,是引起层化而又弱耗散的大洋次表层产生运动的重要途径之一。本文通过对位涡均一化理论的基本构造方程扩充求解,将构造理论扩充到四层大洋模式、n层大洋模式中。结果表明,在四层大洋模式中,第二层及第三层都会出现位涡均一化的区域,并且其位涡恒定值相等,皆向沿流涡北边界处的值均一化,第三层位涡均一化区域的面积小于第二层位涡均一化区域的面积。在n层模式中,除表层和底层外的n-2层皆有位涡值均一的区域,所有发生位涡均一化的层均一化区域内的位涡恒定值皆等于流涡北边界处的位涡值,且随着深度的增加,发生位涡均一化的区域面积逐渐减小,均一化区域圆心发生极向运动。整个位涡均一化区域呈现出南缓北陡,东西对称的碗状结构。

基于SNPP/VIIRS卫星数据的海温锋检测算法研究

本文采用SNPP/VIIRS(Suomi national polar-orbiting partnership/Visible infrared imaging radiometer suite)卫星海表温度数据对锋面检测算法进行对比分析,包括Sobel算法、Canny算法、引力模型法、直方图分析法和熵算法。通过分析上述算法中间结果、单日海温锋检测结果以及月度锋面概率分布的差别与特征,再结合各算法特点发现,在锋面识别中由于各算法的底层逻辑不同,造成了对海温锋定义难以统一的问题,因此各算法检测出的海温锋各有特点,适合不同的研究和应用需求,实际应用时要根据研究需要和实际情况选择合适的算法。各算法的特点为:Canny算法、引力模型法、Sobel算法、熵算法对强锋面的检测能力依次递减,对弱锋面的检测能力依次递增,抗噪性递减,直方图分析法检测出的锋面表现出较强的连续性,锋面光滑、清晰且连贯,抗噪性较好;各算法适用场合为:以梯度计算为基础的Sobel算法或者其他梯度类算法适用于精确计算温度变化程度的应用场景,Canny算法适用于强锋面的研究,引力模型法适用于应用噪声较大的数据检测锋面或者强锋面的检测,熵算法适用于弱锋面的检测,直方图分析法比较适合分析连续的长锋面。

海上风力发电机组单桩基础侧向位移估计研究

常规海上风力发电机组单桩基础侧向位移估计模型的构建多采用粒子群优化算法。但该算法无法准确计算出海水与单桩基础之间的耦合力,估计准确率较低。对此,提出海上风力发电机组单桩基础侧向位移估计研究。首先,根据海上风力发电机组与连接单桩基础的基本结构,将单桩基础结构进行断面划分,建立单桩基础结构动力学方程。然后,结合海水域、桩基区域和两者交界处这三个场域,求取海水与单桩基础之间的耦合力,并计算单桩基础的受力值。基于此,采用风力和海浪循环荷载作用下单桩基础的累积应变指数型经验式,构建单桩基础侧向位移估计模型。以某海域NREL 5 MW单桩基础海上风力发电机组为算例,对所提模型进行仿真对比试验。试验结果表明,所构建的模型具有更高的估计准确率,即准确率在98%以上。该模型能够更好地监测和评估海上风力发电机组的结构安全性,及时发现潜在的问题并进行修复或维护。

阳离子型聚N-羟甲基丙烯酰胺水凝胶的制备及其对废水中甲基橙的吸附性能研究

采用水溶液聚合法制备了阳离子型聚N-羟甲基丙烯酰胺水凝胶(CPNMA),并对其吸附废水中甲基橙(MO)的性能进行探究。利用SEM、FT-IR、TG及XPS对CPNMA进行表征。通过吸附动力学和吸附等温线模型拟合发现,在25℃下CPNMA对MO的吸附行为更符合拟二级动力学和Langmuir等温吸附模型,吸附平衡时间为960 min,理论最大吸附量为371.6 mg/g。分析了吸附温度和溶液pH对吸附效果的影响,结果表明,在吸附温度为35℃及溶液pH=6时CPNMA可以呈现出最佳的吸附效果。综合分析,CPNMA的吸附机理包括氢键、静电作用、范德华力、n-π相互作用、表面吸附和孔隙填充。

非等温条件下潜水含水层坝后残留咸水淡化过程研究

本文采用场地尺度的二维地下水-盐-热耦合数值模型,研究了咸淡水温差对残留咸水淡化过程的影响,定量评价了建坝后残留咸水楔长度和总残留盐分的动态变化。研究结果表明,随着海水温度升高,淡化过程时间显著缩短。相对于等温条件下的淡化过程,非等温条件下淡化过程的最大特点是热效应引起密度和低浓度混合区(LCMZ)渗透系数发生变化。LCMZ中流速对地下水淡化过程耗时至关重要。

海洋上层高分辨率温度链观测系统设计

为满足海洋上层温度数据高分辨率实时观测需求,本文设计出一种成本低、体积小、精度高的温度链观测系统,可搭载于调查船、浮标等多种海洋观测平台,具备高分辨海表温度数据实时观测功能。本文介绍了温度链系统架构的整体设计,阐述了温度传感器的高精度测量原理与方法,采用RS-485通信方式并设计出一套适用于温度链的软件通信协议,通过标定、均一性测试、稳定性测试验证了传感器的测量性能,研制出总长200 m的温度链观测设备,设备带有10个测温节点,传感器节点初始测量精度优于±0.005℃,温度链采样间隔最短可达2.7 s。本温度链在我国南海进行了拖曳功能测试,试验结果表明:温度链海上作业通信稳定可靠,数据测量准确,满足海洋现场观测对数据高时效、高精度、低误码率的传输要求。

基于Holland台风模型及三重嵌套海浪模式的台风浪数值模拟研究

现有的风场资料存在台风中心附近风速偏低的问题。为改进台风期间风场数据,使用Holland经验台风模型结合多平台交叉校准数据(cross-calibrated multi-platform,CCMP)及欧洲中期天气预报中心的再分析数据(European Centre for Medium-range Weather Forecasts Reanalysis data,ERA5)风场资料,研究了不同台风最大风速半径(maximum wind radius of the typhoon,RMW)、Holland B参数对模拟效果的影响,确定了最优模拟参数,并以改进后的风场驱动三重嵌套海浪模型对台风“威马逊”发生期间的台风浪进行模拟。模拟结果与实测数据对比表明,(1)改进的风场资料与实测结果更为接近,作为海浪模式驱动项可更好地模拟台风期间波浪状况;(2)三重嵌套海浪模型的波浪模拟效果优于单独的海浪模型。

P(N-MAAm)水凝胶吸附剂的制备及其对亚甲基蓝染料吸附性能的研究

将N-羟甲基丙烯酰胺引入聚丙烯酸-丙烯酰胺体系,采用“一锅煮”法合成了P(N-MAAm)水凝胶。结果显示,当n(AM)∶n(AA)为1∶4、中和度为60%、交联剂用量为0.4%、n(AM)∶n(N-MA)=9.5∶0.5时,P(N-MAAm)对亚甲基蓝(MB)的实测最大吸附量可达1603.77 mg/g;降低环境温度、盐度,提高pH有利于P(N-MAAm)水凝胶吸附MB;吸附动力学曲线符合准一级动力学模型(R_(1)>0.999),吸附等温线更符合Langmuir模型(R_(L)>0.981),P(N-MAAm)水凝胶对MB的吸附过程更倾向于是物理吸附,并且可能是多分子层吸附。P(N-MAAm)水凝胶通过Langmuir模型拟合计算得到理论最大吸附量为3170.27 mg/g;具有良好的可重复利用性能,5次吸附-解吸循环后对MB的去除率仍高于95%。

海南岛周边海域台风风暴潮-海浪耦合作用机理研究

本文使用ADCIRC+SWAN耦合模式,针对海南岛特殊地形,建立了基于非结构网格的高分辨率风暴潮-海浪耦合模型。针对在海南省造成严重风暴潮灾害的0518号台风“达维”,开展台风期间风暴潮-海浪耦合与非耦合数值模拟实验,探讨了水位、流场对波浪的影响和台风特征参数对海南岛台风风暴潮与波浪耦合效应的影响。结果表明:(1)水位影响在近岸浅水区主要表现为使台风浪的有效波高增加;(2)当风向、流向与平均波向之间夹角为锐角时,流场作用使有效波高降低,当流向与平均波向之间夹角为钝角时,流场作用使有效波高增大;(3)波浪耦合效应对风暴潮的影响是不可忽视的,贡献率约在14.2%;(4)当台风强度达到55 m/s或台风尺度达到50 km,波浪增水效应基本达到饱和。本文的研究对台风风暴潮高质量数值模拟预警及保障沿海地区生产生活有重要意义。

南海海表盐度变化特征及机制研究

海表面盐度(Sea surface salinity,SSS)的变化机制复杂,主要受海气交换及海洋环流过程影响。南海SSS存在显著的年际及年代际变化,受厄尔尼诺与南方涛动(El Nino-Southern oscillation,ENSO)和太平洋十年涛动(Pacific decadal oscillation,PDO)的复合作用机制尚不明确。本文融合海洋再分析数据和卫星遥感数据,处理生成151 a(1871—2021年)的长期南海SSS数据集,采用EOF和相关分析等方法,分析了南海SSS的长期时空变化特征及机制。研究结果表明:近150年来,南海SSS整体变化不明显,但1940—1958年SSS显著上升(每10年上升0.31);珠江口和吕宋海峡受径流和黑潮作用,SSS变化幅度最大(每10年为-0.04和每10年为0.03);南海SSS整体变化主要由降水和黑潮控制,相关系数分别为-0.41和-0.49,南海陆架和近海海域SSS受河流径流影响显著,相关系数为-0.45;ENSO在年际尺度上控制南海的降水,PDO在年代际尺度上影响黑潮入侵南海的变化,当PDO正位相时,厄尔尼诺事件会导致降水减少,同时黑潮入侵南海强度增加,两者共同作用使南海SSS显著上升。本研究对理解南海海气交换和海洋环流变化有重要意义。

南海北部涠洲岛边缘珊瑚礁的生物侵蚀实验研究

在全球变化背景下,边缘珊瑚礁面临着来自自然与人类的双重压力。海水富营养化引起的生物侵蚀加剧,虽然较为隐蔽,但却会对珊瑚群落的发育以及礁格架的稳定性产生不良影响,是边缘珊瑚礁潜在的危害之一。本研究在南海北部涠洲岛三个典型的边缘珊瑚礁开展了近一年的原位侵蚀实验,定量分析了珊瑚礁的生物侵蚀强度与侵蚀速率,并结合卫星遥感监测的水体环境参数,探究了珊瑚礁侵蚀与海水环境的关系。研究发现,内部大型侵蚀生物的侵蚀速率相比侵蚀强度更能够指示海水富营养盐与高浊度环境,而侵蚀强度能够体现侵蚀生物的群落演替阶段。此外,将涠洲岛生物侵蚀速率数据与全球其他典型珊瑚礁区域进行对比,发现涠洲岛生物侵蚀速率处于全球中等水平(以内部大型侵蚀生物为主导),但在其所属的“人为边缘礁”类型中为较低水平。结合气候变化、城市化发展、礁体健康状况等趋势以及本研究结果,推测涠洲岛的生物侵蚀可能会继续加强,达到“人为边缘礁”的高侵蚀水平,并进一步加剧珊瑚礁的退化。

水下二连杆机械臂滑模控制优化研究

水下机器人-机械臂系统(UnderwaterVehicle-ManipulatorSystem,UVMS)在海洋资源采集与探索中具有重要作用。由于工作环境在水下,UVMS容易受到海流冲击,导致偏离预期位置。文章通过分析非水环境下的机械臂动力学、水动力学、机械臂对ROV本体的耦合影响,以及脐带缆对ROV本体的耦合影响,对水下二连杆机械臂进行动力学建模,并对其滑模控制方法进行研究。针对传统滑模控制的抖振问题,文章提出了一种基于改进指数趋近律的滑模控制方法,并利用MATLAB中的Simulink模块进行仿真。仿真结果表明,与传统滑模控制相比,基于改进指数趋近律的滑模控制方法有效抑制了抖振,提高了水下机械臂的动态稳定性。

中国水产养殖装备发展现状

水产养殖装备是高效发展现代水产养殖,促进水产养殖产业结构改革的重要技术支撑。基于养殖装备、信息技术和自动控制等多学科协同发力的智慧水产养殖模式已成为现代渔业高质量发展的新趋势与重要抓手,这也对水产养殖现有装备及其相关技术提出了更高的智能化要求。本文梳理了池塘、工厂化、网箱、筏式和底播养殖等5种主要养殖方式装备发展现状,从数字化和智能化角度分析了环境监测、对象感知、饲料投喂、分级计数等养殖环节中常用装备的研究进展,指出了制约我国水产养殖智能装备与技术发展的关键问题,提出了“机械化、自动化、智能化”的水产养殖装备与技术发展的新思路,旨在实现我国从水产养殖大国向水产养殖强国的历史转变。

中国海洋水色卫星传感器COCTS HY-1D产品初步评价

卫星遥感产品的真实性评价对利用遥感产品开展应用研究具有重要的意义。本文利用全球典型的长期固定平台现场测量数据对中国自主海洋水色卫星HY-1D所搭载的水色水温扫描仪COCTS(COCTS HY-1D)遥感反射率(R_(rs))和叶绿素a(Chl-a)产品进行了评价,并在全球尺度上通过与国际主流海洋水色卫星传感器的产品进行了进一步的对比分析。结果表明,COCTS HY-1D R_(rs)产品与现场测量R_(rs)数据吻合较好,可见光波段相关系数在0.91—0.98,各波段平均绝对百分比误差平均值约为22.9%。相较于国际主流海洋水色卫星传感器MODIS Aqua与现场数据各波段平均绝对百分比误差平均值约为20.5%的比较结果,产品精度相当;在全球尺度上,与MODIS Aqua相比,R_(rs)产品分布趋势一致,数值大小一致,相关系数在蓝光波段较高,可达0.94,各波段相关系数平均值为0.84。Chl-a产品相关系数为0.85,高于MODIS Aqua与VIIRS-SNPP的Chl-a产品的相关系数0.76。整体上,COCTS HY-1D可以提供与国际主流海洋水色卫星传感器质量相当的水色产品,能够进行准确的海洋水色遥感观测。

基于卫星高度计资料的黑潮入侵南海流径的时间变化规律研究

黑潮入侵南海对南海的温盐平衡、环流、涡旋和局地气候等具有重要作用。基于吕宋海峡处黑潮不同流径的识别方法,对1993~2021年的卫星高度计资料进行识别,获取黑潮不同流径的发生时间,探究黑潮入侵南海流径的时间变化规律。结果表明:(1)黑潮主要以流套(Looping)和分支(Leaking)两种流径入侵南海,Leaking流径发生的时长(710周)和概率(46.9%)要远高于Looping流径(时长218周,概率14.4%)。(2)Looping流径和Leaking流径均可将高温高盐的西北太平洋水带入南海,Looping流径下的平均吕宋海峡上层通量(6.3×10^(6)m^(3)/s)略大于Leaking流径(5.6×10^(6)m^(3)/s)Looping和Leaking流径在4×10^(6)m^(3)/s~6×10^(6)m^(3)/s区间发生时间最长。(3)季节变化上,Looping流径主要发生在冬季,Leaking流径在冬半年均较强,夏季二者发生概率均较低。(4)Looping流径和Leaking流径均具有显著的年际变化特征,Looping流径在1996年发生时间最长,多达26周,在2001年几乎没有发生;Leaking流径在2005年发生时间最长,多达40周,在2013年发生时间最短。(5)Looping流径发生时长呈现0.15周/年上升的长期变化趋势,而Leaking流径则呈现-0.17周/年下降的长期变化趋势,对于整个黑潮入侵时长则呈现下降的变化趋势。(6)Looping流径在季节和年际变化上均受到局地风场的调控,与台湾西南的风应力旋度有着很好的对应关系;而Leaking流径与北赤道流位置在季节和年际尺度上均有着较好的对应关系。

南海东北部中尺度涡对海表叶绿素a浓度的影响规律研究

基于南海东北部1998~2019年的多源卫星遥感数据和风场再分析数据,较系统地分析了南海东北部涡旋内部叶绿素a浓度的分布特征,通过量化统计和涡心坐标系参数合成等方法探究了中尺度涡对叶绿素a浓度变化的影响规律及潜在机制。结果表明:(1)南海东北部约有60%的中尺度涡旋内部存在叶绿素a浓度增加和减少的现象。(2)南海东北部中尺度涡内部叶绿素a扰动受到涡旋抽吸和涡致Ekman抽吸机制的共同调控,其中约有38%(39%)的暖(冷)涡内涡旋抽吸的贡献更大, 21%(24%)的暖(冷)涡内涡致Ekman抽吸的贡献更大。(3)南海东北部中尺度涡生命周期内的海表叶绿素a浓度变化存在显著的阶段性差异,在冷暖涡的生成期,涡旋抽吸的作用更为显著,而在冷暖涡的顶峰和消亡期,涡致Ekman抽吸的作用更为明显。上述研究结果有助于理解南海东北部初级生产力对中尺度涡的响应过程与机理,对认识海洋物理-生物耦合过程具有一定的参考价值和研究意义。

南海东北部地转运动与近惯性运动间动能交换的时空变化特征研究

地转平衡运动与近惯性运动是海洋里普遍存在且含能较高的两种运动形态,二者间的相互作用与能量传递在大洋能量串级中扮演着重要角色。然而受到现场观测和数值模式时空分辨率不足等因素的制约,目前对于二者间动能交换的时空变化特征及其在二者动能收支中所扮演的角色尚不清晰。本文利用1/48(°) MITgcm数值模式资料,对南海东北部地转与近惯性运动的动能交换率时空变化特征进行了刻画,并定量评估了动能交换率在二者动能收支中的作用。研究结果表明,在地转动能较强的吕宋海峡区域,二者间的动能交换率显著高于地转动能较弱的南海东北部内区。在吕宋海峡,地转运动向近惯性运动正向传递动能,年平均总动能交换率为3.61×10^(-7)m^(3)·s^(-3),但季节变化不显著;在南海东北部内区,近惯性运动向地转运动逆向传递动能,且受黑潮入侵影响,表现为冬强(-11.37×10^(-8)m^(3)·s^(-3))、夏弱(-5.26×10^(-8)m^(3)·s^(-3))。与风场做功对比发现,二者的动能交换率在地转动能收支中可忽略不计,但在近惯性动能收支中扮演重要角色。

海洋光学教与学:从海洋光学到光学海洋

海洋光学作为海洋研究的重要技术手段,被广泛应用于物理海洋、海洋化学、海洋生物以及海洋地质等研究领域,甚至在内陆湖泊水体的监测上也起着重要的作用。在当前和未来的海洋-地球环境监测与预测系统中,基于海洋光学技术所获取的数据已经是不可或缺的重要组成部分,亟需加大该方面的专业人才培养。然而由于我国在该方面的教材缺失,加上海洋光学知识的晦涩难懂,学习资料主要依赖于英文书籍或文献,严重制约着大学本科的海洋光学的教与学。文章从海洋光学的教学设计、教学实现和教学目的等三个方面系统性的深入探讨了如何进行海洋光学的教与学,让学生真正通过对海洋光学基础知识的理解和掌握学会利用光学研究海洋,即实现从海洋光学到光学海洋的跨越。文章以期对于未来海洋光学的教材编写、学生学习以及教师授课提供重要的参考价值。

新型溴代阻燃剂(NBFRs)的生态毒性效应研究进展

由于传统的溴代阻燃剂(brominated flame retardants,BFRs),如多溴二苯醚(PBDEs)和六溴环十二烷(HBCD)等具有较高的生态风险,作为替代物的新型溴代阻燃剂(novel BFRs,NBFRs)被越来越多地生产和使用,如六溴苯(HBB)、五溴甲苯(PBT)、十溴二苯乙烷(DBDPE)、1,2-双(2,4,6-三溴苯氧基)乙烷(BTBPE)、四溴邻苯二甲酸双(2-乙基己基)酯(TBPH)和2,3,4,5,6,-五溴乙苯(PBEB)等。大量的NBFRs的生产、使用和废弃,导致其不可避免地释放到环境中,对生态环境和人类健康造成潜在的威胁。已有研究发现很多NBFRs不仅具有急性毒性、肝脏毒性、内分泌干扰毒性和发育毒性等毒性效应,也具有生物富集、积累和放大效应,存在生态风险。但目前缺乏系统和总结性的研究概述,故基于现有的研究结果,本文综述了有代表性的NBFRs的毒性效应研究内容和问题,并提出今后主要的研究方向。