中国海洋环境拐点估算研究

中国环境问题日益严峻的形势引起了公众的强烈关切和国家层面的高度重视,环境领域规制政策也日趋严厉。陆域环境库兹涅茨曲线(EKC)在各个侧面相继得到了证实。海洋环境是否也呈现了类似的形态?利用并整理《中国海洋环境状况公报》发布的数据,形成了11年的时间序列,选取了四个典型海洋环境指标(劣于第四类水质海域面积、亚健康生态系统占比、七条主要入海河流的化学需氧量以及重金属砷的排放量、海洋赤潮灾害次数及其发生面积),以环境库兹涅茨曲线(EKC)理论为基础,运用回归分析发现:(1)从衡量海洋环境质量的个体指标而言,如生态系统亚健康占比、劣于四类水质海域面积与人均GDP之间呈现明显的"倒U"形态,且具有良好的显著性,同时,印证了海洋环境拐点发生的区间为人均GDP 6 000~8 000美元。(2)衡量海洋环境质量的个体指标与海洋经济发展之间亦呈现明显的EKC形态,但其相关性相比海洋环境与经济发展之间的相关性而言,强度上并不具有显著性。一方面说明中国海洋经济发展对海洋环境质量的影响并不显著,海洋经济的份额在整个经济总量中占比较少,中国还不是一个海洋经济大国;从另外一方面也证实海洋环境污染源绝大多数来自陆地。(3)衡量海洋环境质量的其他指标,如年发生的赤潮次数与面积、典型河流入海口化学需氧量、重金属排放量拐点形态不明确,一些指标还呈现"正U型",说明部分海洋环境指标还在恶化之中,海洋环境治理形势依然严峻。

海洋微塑料污染现状及其环境行为效应的研究进展

海洋微塑料污染问题已经在全球范围内引起了普遍关注,位列全球十大新兴环境问题之一。因其本身尺寸微小、数量庞大且来源广泛导致其危害远超普通尺寸的海洋塑料垃圾,加之在海洋水动力作用下的迁移和沉降导致其污染波及区域十分广泛。同时,微塑料自身携带的添加剂在海水中的释放、与金属、有机污染物及微生物等构成的复合污染物均会对海洋动植物的生长、生存和繁殖产生负面效应,还可能通过食物链传递对人类健康构成潜在威胁。通过调研国内外文献,本文在简要介绍海洋微塑料污染问题的兴起及相关概念的基础上,对海洋微塑料的典型来源、分布情况和污染现状进行了阐述,同时还对海洋微塑料与其他类型污染物的相互作用及其对海洋生物的影响等环境行为效应进行了总结和综述。此外,本文对海洋微塑料污染问题的未来研究方向进行了分析和展望,以期为海洋微塑料污染问题的治理提供参考和借鉴。

海洋渔业经济增长战略实证研究--以山东为例

利用山东省20012018年海洋渔业相关数据,结合柯布-道格拉斯生产函数模型,系统分析海洋渔业各生产要素对海洋水产品产量增长的贡献。研究结果表明:海洋水产品产量的主要影响因素为资本投入,而劳动力投入对于海洋水产品产量的影响较弱;海洋水产品产量报酬率呈现出递减态势,表明在现有技术条件下难以通过生产规模的扩大来提高海洋水产品产量,需要通过改变生产模式和提高海洋科技水平来增加产量,从而实现海洋经济效益的增加。因此建议,应着力推进海洋渔业科技创新,大力发展深蓝渔业,加大对新资源、新模式、新技术的探索力度,提高渔业劳动力素质,努力实现劳动力效益最大化,从而推动海洋渔业经济健康发展。

波浪滑翔器海洋观测数据质量控制研究

观测数据的准确性和可信度是波浪滑翔器数据质量控制的核心,有效的数据质量控制方法是波浪滑翔器观测数据推广应用必不可少的技术手段。为提升波浪滑翔器观测数据质量,文中以气温和气压数据为例,提出一种新型海洋观测数据质量控制方法,该方法包括数据检验和数据修正环节:数据检验通过范围检验和尖峰检验对波浪滑翔器观测数据进行异常值剔除;数据修正采用反向传播(BP)神经网络算法对检验后的观测数据进行数据修正,提升观测数据整体准确性。利用“黑珍珠”波浪滑翔器集成的AIRMAR-BP200和GILL-GMX600气象传感器进行比对试验并获取大量数据样本,将该样本数据用于BP神经网络模型训练。同时,为验证所提出的数据质量控制方法的有效性,对“黑珍珠”波浪滑翔器海上试验获取的观测数据进行数据质量控制和分析,结果表明文中提出的数据质量控制方法可有效提高观测数据的准确性。

蓝绿光双波长船载海洋激光雷达系统设计与海上测试

海洋水体的光学特性参数是海洋研究关注的重点之一,大部分光学特性具有随深度变化的特征,而海洋激光雷达是有效探测水体剖面信息的技术手段之一。基于水体光学特性参数剖面探测的需求,研制了蓝绿光双波长船载海洋激光雷达系统,光源采用在水体中衰减系数较小的蓝绿波长以获取更大的探测深度。该系统具备双波长和偏振探测通道,用于同步获取水体后向散射回波信号和偏振信号,可实现近岸和大洋水体的连续探测。文中首先介绍了激光雷达系统的设计方案,包括发射、接收、采集及控制子系统以及辅助设施,随后对数据预处理方法进行了阐述,包括质量控制、峰值位置对齐、去除背景噪声及退卷积等。系统于近海进行探测实验,验证了激光雷达系统的可靠性。结果显示:在清洁大洋水域,486 nm的激光雷达衰减系数小于532 nm,意味着在开阔水域486 nm具有更好的探测性能。

海洋亚中尺度非地转运动的季节变化及对地转能量串级的影响研究

本文基于表层漂流浮标、卫星高度计等观测资料对全球亚中尺度非地转运动的季节变化及其影响开展了分析,发现亚中尺度非地转运动多发生在地转运动较活跃的海区,如湾流区、黑潮延伸体区和南极绕极流区等。同时,全球亚中尺度非地转运动普遍具有冬春强、夏秋弱的季节变化特征,但不同区域亚中尺度非地转运动的季节变化具有不同的调控机制,其中,在湾流区和黑潮延伸体区亚中尺度非地转运动的季节变化主要受混合层不稳定的调控,南极绕极流区亚中尺度非地转运动的季节变化受到混合层不稳定和锋生过程的共同调控。而亚中尺度非地转运动的季节变化可能对地转能量串级具有一定影响,在冬春季节,活跃的亚中尺度非地转运动可能会减弱地转能量的逆向串级,使地转运动平均波数增加。

基于6LoWPAN的低功耗长距离海洋环境监测系统

海洋环境监测具有监测节点分散、节点数量多、测量数据种类复杂、信息交换和通信业务多样性的特点。无线传感器网络可以减少线路连接,降低部署和运维成本。6LoWPAN(IPv6 over Low-Power Wireless Personal AreaNetworks)技术基于IEEE802.15.4实现了IPV6数据包在无线传感器网络中的传输,是实现无线传感器网络和因特网互联的理想技术。在研究Contiki 6LoWPAN网络拓扑结构和协议的基础上,文中采用TI CC1310平台搭建了无线传感器节点和边缘路由器,节点数据经过边缘路由器和互联网,最终发送到服务器监控系统,实现海洋数据的动态监测。通过实验证明,该系统具有组网简单、传输距离远、成本和功耗低等优势。

中国海域及邻区统一地震目录及其完整性分析

地震目录是开展活动构造、地震区划、地震预测和防震减灾等工作的重要基础,对地震目录的完整性、可靠性进行分析是地震学研究的基本前提之一。目前,中国海域及邻区统一的地震目录编纂及其完整性分析尚属空白。基于此现状,文中广泛收集了中国海域及邻区的地震台网、全球地震台网的分布情况和地震资料,并基于此开展了以下工作:1)研究了不同海域、不同时段的地震观测能力;2)分析了中国海域及邻区地震震中定位精度的时、空分布特点;3)采用正交回归方法拟合了中国海域及邻区面波震级、体波震级与矩震级之间的转换关系式,建立了中国大陆地震台网与中国台湾地区地震台网ML震级、中国大陆地震台网与菲律宾地震台网MS震级的转换关系式,并最终建立了中国海域及邻区统一震级标度的地震目录;4)基于震级累积频度(N-T)关系分析了中国海域及邻区统一地震目录不同范围、不同震源深度各震级档的完整起始年限。本研究是中国国内首次针对海域地震活动特征进行的海域及邻区统一地震目录的编制工作,填补了中国海域及邻区地震目录编制的空白,为中国海域及邻区活动构造、地震活动性和地震危险性分析提供了基础,为编制海域地震区划图以及海域建设规划和工程建设的防震减灾工作提供技术支撑。此外,文中对地震监测能力的分析可为今后地震台网的优化布局提供科学参考。

海洋磁异常及其动力学

海洋磁异常探测技术在海底科学前沿研究中一直发挥着巨大作用,对研究海底地壳结构、板块构造运动以及地球内部动力学过程等具有重要意义。近年来,随着人们对深海构造问题的日益重视,海底磁异常探测技术作为揭示海底构造的强有力手段,受到越来越多的关注。本文将综述近十年来国内外关于海洋磁异常研究的前沿成果,深入讨论大洋盆地演化过程、被动大陆边缘的构造演化、洋壳俯冲过程、洋中脊增生过程以及大洋微板块的形成过程和机制等动力学问题,最后提出该领域存在的问题和今后的发展方向。

台风“利奇马”快速增强过程中的海洋响应

【目的】研究超强台风“利奇马”快速增强过程中的海洋响应。【方法】利用中尺度WRF(The Weather Research and Forecasting)模式模拟超强台风“利奇马”,结合中国气象局热带气旋最佳路径数据集和欧洲哥白尼全球海洋物理再分析资料,分析台风在快速增强过程中的海洋响应。【结果】在台风“利奇马”快速增强过程中,海表面温度呈下降趋势,约-1.3℃/d,且降温范围向周围扩大;热带气旋路径区域海平面高度呈负异常;台风内核热带气旋热势(Tropical Cyclone Heat Potential,TCHP)显著降低,而在远离台风路径的地区TCHP会增加;海表盐度呈下降趋势,在快速增强结束时达到最低;台风中心附近出现正负速度中心交替现象,呈弧形分布向周围传播,最终消散。【结论】海表面温度和海平面高度负异常会减弱热带气旋快速增强;热带气旋快速增强过程导致的TCHP负异常也会抑制台风增强过程的发展;热带气旋快速增强前后台风内核、外围海域TCHP下降率不一致,外围的下降率在快速增强前大于内核;海表盐度的下降与台风带来的强降雨和强风有关。快速增强期间内核TCHP下降率达到最大,与海表温度、盐度以及海表面风场有良好的对应关系。

波浪滑翔器弹簧水翼机构三维效应的分析与研究

为了评估波浪滑翔器弹簧水翼机构在波浪中三维效应对其动力学性能的影响,本文基于重叠网格技术建立波浪滑翔器弹簧水翼机构的数值计算模型,并利用CFD FLUENT软件对二维和三维水翼之间的动力学性能进行分析与研究。结果表明,由于三维水翼展长有限,在翼端处产生梢涡现象,造成水翼动力性能减小,与二维水翼相比,三维水翼的前向推进效率减少22.3%。接着,利用仿生学原理设计波浪滑翔器仿生水翼,发现仿生水翼降低了梢涡对水翼动力性能的损失,同时对比相同展弦比的三维水翼,仿生水翼的前向推力提高了17.6%,效率提高了10.7%。最后,通过实验对比发现CFD仿真数据与试验数据具有相同的趋势,CFD仿真模型的可靠度得到验证。

波浪滑翔器航向控制方法与实验研究

波浪滑翔器是一种典型的非线性、强耦合、欠驱动系统。传统比例-积分-微分(proportion integral derivative, PID)控制器在复杂多变的海洋环境下难以满足高精度的航向控制要求且存在参数整定困难、无法在线调整等缺点。针对此问题提出一种基于改进粒子群优化(improved particle swarm optimization, IPSO)算法的反向传播(back propagation, BP)神经网络PID控制方法,首先建立波浪滑翔器数学模型,其次利用BP神经网络的自学习能力自适应调整PID参数。同时针对BP神经网络存在对初始权值敏感、反向传播易陷入局部极值等缺点,引入IPSO算法对网络初始权值进行优化,确保BP-PID网络能够获取全局最优解。基于仿真进行海试验证,结果表明所提算法能够显著提高航向控制性能,验证了所提算法的有效性和真实性。

模型补偿的水下桥墩检测机器人抗扰控制研究

水下桥墩检测机器人定点悬停检测作业时,姿态受外界强流扰动作用明显,对控制器的控制性能提出挑战。为增强机器人检测作业的稳定性和抗流性能,提出水动力模型补偿的自抗扰控制方法。首先,采用水动力仿真技术获取机器人迎流阻力与迎流角之间的机理关系;然后将其作为已知扰动补偿至自抗扰控制器中,利用观测器对内外扰动估计和补偿;最终实现了对强流作业环境中机器人的稳定控制功能。Matlab的Simulink仿真环境中的仿真结果表明:水动力模型补偿的自抗扰控制器相比传统PID和常规自抗扰控制器,由于利用已知信息对观测器补偿使状态观测器的估计负担变小,控制器的控制精度更高、响应速度更快、超调量更小且抗扰动性能更强,更适合应用在外部扰动较强但扰动可观测的复杂环境中。

无人船实时路径规划与编队控制仿真研究

安全和无碰撞导航是无人船正常航行的基础。通过Unity3D构建高保真的虚拟海洋环境,在无人船建模基础上,提出一种面向未知复杂环境的实时路径规划及编队控制方法。利用激光雷达获取的局部环境信息,在重规划的策略下,结合A-star以及航路抽稀方法完成实时局部路径规划。基于领航-跟随者策略与一致性方法进行编队控制,结合人工势场法完成多无人船的避障航行任务。在多种复杂地图上的仿真实验表明,该仿真系统具有较好的真实性和视觉效果,为无人船模拟试航提供了有效手段。同时,无人船群利用所提算法可以依次抵达预设航路点,自主变换队形实时避障,在工程应用中具有一定理论意义和实用性。

基于改进YOLOv3-Tiny的端到端海参自吸捕方法研究

针对海参智能化采捕中目标检测任务和吸捕任务难以结合的问题,本文提出了一种基于数据驱动和以目标为中心的端到端海参机器人自主吸捕方法,该方法在YOLOv3-tiny的框架基础上将特征提取网络增强以进行目标检测,使用K-means方法对海参数据集边界框尺寸进行重新聚类,在保证实时检测的基础上提高了吸捕视角下海参的检测精度。该方法将摄像机采集到的图像输入至海参采捕机器人,并输出机器人的吸捕控制指令,实现了海参的自主吸捕。

基于分段模型预测控制的亚中尺度观测器垂向控制研究

为获取海洋亚中尺度过程在水平固定位置垂直剖面的连续时间序列数据,本文采用分段模型预测控制的方法,对亚中尺度观测器的垂向运动进行精确的控制。在建立亚中尺度观测器精确模型的基础上,对模型预测控制(MPC)算法的预测步长、控制步长、约束和成本函数开展设计。针对海流不确定性所导致的模型变化问题,对系统模型、控制算法进行了分段处理。通过对比分析剖面运动的仿真结果和试验数据,验证了模型和算法的有效性。仿真结果表明对于垂向运动的控制,分段式模型预测控制相对于传统的MPC具有调节误差小和稳定时间短的优点,能够减少亚中尺度观测器水平漂移量约7.9%,对亚中尺度过程的数据获取和认知具有现实意义。

横摇倾角对浮标通信强度的作用机理研究

海上浮标受海浪影响,通信天线会产生横摇倾角,严重威胁着通信成功率。为提高浮标无线通信的成功率,保证数据传输的可靠性,通过分析浮标结构特性与我国海区波浪特性,建立浮标在海浪中的横摇模型,得出浮标在不同海况下的横摇倾角。通过结合浮标的横摇模型和电磁通信模型,在Unity3D平台中仿真获得了接收点场强随横摇倾角与通信距离的变化机理关系,仿真结果验证了分析的正确性,该研究可为浮标结构或通信协议优化提供具体参考指导,具有一定的实际应用价值。

延生型微板块成因机制模拟研究进展

延生型微板块是指海底扩张或大陆裂解过程中,因裂谷间快速叠接拓展而发生旋转,捕获老的岩石圈并增生新的岩石圈所形成的一类微板块。影响其形成的动力因素众多,根据作用位置可分为浅部动力因素和深部动力因素两类。延生型微板块广泛分布于深海大洋,代表区域为东太平洋海隆处,但因观测困难,生长周期长,数据缺乏,目前对其成因机制的研究主要有物理模拟和数值模拟两类。物理模拟实验根据实验材料和设备的不同可分为冻蜡模型、离心机模型和胶体模型三种。建立的数值模型从最初简单的二维模型发展到条件更为复杂的三维模型,同时开始更多的考虑深部地幔对流的影响。但这些研究主要是探索裂谷拓展行为,仅局限于发现了延生型微板块的形成,并未形成关于延生型微板块形成和演化的研究体系。本文在前人研究的基础上归纳了延生型微板块形成的影响因素,系统梳理了相关的构造物理实验和数值模型研究问题,并结合其他相关研究进一步展望了未来建立延生型微板模型的发展方向。

南海中尺度涡的形转、内转及平移运动研究

中尺度涡旋的运动整体可分为两部分:平移及转动。平移指涡旋在整个生命周期内的水平移动,而转动除了包括内转(海表地转流引起的涡旋自身水体转动)外,还包括形转(涡旋实际边界最佳拟合椭圆的转动)。本文基于1993—2018年共计26年间的卫星高度计涡旋识别与追踪数据,首次对南海中尺度涡旋的完整运动形式,即形转、内转、平移展开了系统的研究。其中,对内转及平移的分析,可通过涡旋的识别追踪数据集直接进行;为研究涡旋形转,提出了一种基于涡旋识别追踪数据自动提取涡旋形转信息的算法,以此得到涡旋形转方向、每天形转的角度以及形转圈数等信息,获得涡旋形转数据集。通过对涡旋识别追踪数据以及形转数据集的统计分析发现:南海涡旋的平移方向多为西向,且其速率呈偏态分布,主要以南海南部偏高。同样,涡旋的内转速率也呈偏态分布,高速率内转的涡旋主要分布在吕宋海峡附近。涡旋的形转主要以南海南部速率偏高,且与涡旋的寿命及长轴有一定的关系,倾向于随着涡旋寿命的增长、涡旋长轴的增大而变慢。同时南海涡旋的这三种不同运动形式之间也存在一定的相关性。

南海亚中尺度过程的时空特征与垂向热量输运研究

基于2001—2003年1/30°水平分辨率OFES模式资料,本文探究了南海亚中尺度过程的时空特征及其导致的垂向热量输运。研究发现,在空间分布上,南海亚中尺度过程整体呈现出陆架区和岛屿周边较为活跃、内区较弱的特点,其中,台湾西南海域、吕宋海峡以及越南以东海域是亚中尺度过程的活跃区。在时间变化上,除吕宋海峡全年均较强外,南海亚中尺度过程大体呈现出冬春强、夏秋弱的季节分布特征,尤其是台湾西南海域、越南以东海域。基于其时空分布特征,进一步研究了亚中尺度过程导致的垂向热量输运,发现在其活跃的冬春季节,亚中尺度过程能产生向上的净热量输运。冬末春初,台湾西南、吕宋海峡的亚中尺度垂向热通量分别可以达到海表面净热通量的26%和40%。该结果说明南海亚中尺度过程对上层海洋热量收支和层化具有不可忽视的影响。