南太平洋典型岛国海洋生态环境状况及其对汤加火山爆发的响应

南太平洋岛国大多四面环海且国土面积狭小,多为生态环境脆弱区。基于此,本文利用多源卫星数据,对瑙鲁、帕劳、图瓦卢、马绍尔群岛四国的海洋生态环境进行监测,基于长时间序列遥感结果的回溯,分析了其时空变化,并对比分析了汤加火山爆发前后,各国生态环境是否发生显著变化。结果显示:1)在气候态时空分布上,南太平洋岛屿国家周边海域海表温度和透明度一直维持在较高水平,叶绿素和净初级生产力则随离岸距离增加快速下降;2)升温、酸化和海平面升高是四个岛屿国家周边海域面临的共同问题;3)汤加火山的爆发对于南太平洋四岛国的沿岸悬浮物质量浓度、海表温度等无明显影响;4)火山爆发前半个月海岛地表温度以及周边海域悬浮物质量浓度异常升高的现象对利用遥感手段进行灾害预警预报具有启示作用。

海洋中示踪物等值线的分形长度及其与混合效率的关系

涡致混合扩散是物理海洋研究中的热点和难点问题。本文基于“有效扩散”理论,研究示踪物等值线在海表地转湍流的多尺度搅拌作用下,发生拉伸、扭曲、变形、折叠等改变其几何拓扑结构的现象,并探讨了等值线分形长度的变化与混合效率的关系。研究结果表明,在地转流场的搅拌下,示踪物的等值线会被迅速拉长,并产生丰富的精细结构。这种分形式的增长可达原长度的10~20倍,是混合效率提高的主要原因;而涡丝和锋面伴随的梯度增强虽然也有贡献,但为次要因素。另一方面,在示踪物模拟过程中,小尺度扩散会通过不可逆混合对示踪物进行均匀化,从而抹平等值线的精细结构,抑制等值线的增长,限制混合效率的提高。基于“数盒子”算法计算了等值线的分形维度,其数值在1.4到1.6之间,介于一维和二维之间。但由于地转湍流数据分辨率的限制,无法考虑更小尺度(次中尺度过程)的搅拌作用,可能低估了等值线的分形长度和混合效率。本研究将海洋混合与等值线几何特征联系了起来,初步得到了分形长度和混合效率两者的经验关系式,未来可以利用图像识别等成熟遥感技术将海洋示踪物等值线的几何特征直接转换为混合效率,为诊断分析海洋混合及其参数化提供了一种新的思路。

钱塘江涌潮观测及其动力学特性研究

为了研究钱塘江涌潮的动力特征,于2013年11月5—6日在钱塘江杭州段采用沿海声层析(Coastal acoustic tomography,CAT)和温盐深仪(Conductivity temperature depth,CTD)进行了涌潮观测试验。两个观测站位分别设置在沿江两岸,站间距为3050 m,试验历时26 h,成功观测到两次涌潮的全过程。结果表明:两次涌潮到来前后,由双向传播时间差计算得到的断面平均流速的变化范围分别为0.39^-1.08、0.31^-0.85 m/s(东向流为正),水位升高的最大幅度分别为1.38、1.14 m;两次涌潮通过观测站位的波速分别为-8.69、-8.43 m/s;观测断面流量的变化范围为-7753.00~3504.49 m3/s,整个试验期间的平均流量为644.14 m3/s;涌潮的弗劳德数介于1.19~1.29之间,表明观测涌潮为波状涌潮;涌潮到达前后能量的损耗率小于0.6%,符合波状涌潮的能量守恒关系。

HY-1 C/D卫星海岸带成像仪在轨地理定位方法

“海洋一号”C/D(HY-1 C/D)卫星搭载的海岸带成像仪采用高分辨率线阵CCD推扫成像,可获取50 m分辨率的遥感数据。实现其影像的在轨几何定位,获得标准影像产品,是后续遥感数据应用的基础。文章根据该仪器的物理结构及成像机理,构建了海岸带成像仪遥感影像的严格几何成像模型,在理想状态下创建了观察矢量在焦平面系下的坐标,并对传统的地理坐标转换流程进行了优化。采用地面站实时接收到的0级数据进行地面预处理试验,并利用湖泊拐点误差进行系统误差补偿,结果发现按文章提出的方法求得的定位结果平均精度不超一个像元,在中低纬度地区的定位表现稍优于高纬度地区,说明该方法可以满足基本定位精度需求,能够实现HY-1 C/D海岸带成像仪影像在无控制地区的对地目标定位。

印度洋静止气象卫星Meteosat-8 SEVIRI海面温度验证

海面温度(sea surface temperature,SST)是海洋和气象研究中的关键气候变量,广泛应用于海-气相互作用、海洋混合、边界层过程及海洋状态预报等领域。欧洲静止气象卫星Meteosat-8 SEVIRI(M8)提供的逐小时SST数据是上述工作的重要数据源,但其误差的时空变化尚不明确。为评估M8卫星SST数据的可靠性和适用性,利用实测SST质量监测平台(iQuam)提供的船只、漂流浮标和Argo浮标的SST数据,对M8卫星在印度洋区域的逐小时SST数据进行了验证。结果显示,M8卫星与三种实测数据的平均偏差为-0.06~-0.10℃,均方根误差为0.48~1.03℃,决定系数为0.96~0.99。其中,漂流浮标与M8卫星的匹配数据量最大、覆盖最广,因此漂流浮标是理想的验证数据源。分析M8卫星SST数据偏差的时空分布发现:在阿拉伯海西北部和孟加拉湾西北部夜间存在0.6℃的负偏差,在该海域白天的负偏差更大,而在40°S—60°S部分海域白天则出现了超过1.0℃的负偏差;M8卫星SST在夏季较易出现正偏差的极大值,在春、夏转换季则存在极小负偏差。

中国海洋卫星遥感技术进展

新中国成立70年来,中国在海洋卫星遥感技术领域取得了丰硕成果。中国制定了长远的自主海洋卫星发展规划,构建了海洋水色、海洋动力环境和海洋监视监测三大系列的海洋卫星,逐步形成了以中国自主卫星为主导的海洋空间监测网,在中国海洋资源与环境监测、海洋防灾减灾、海洋安全管理等方面发挥了重要作用。本文回顾了中国在海洋水色、海洋微波(海洋动力环境)卫星遥感技术的发展历程,重点介绍了中国在海洋卫星遥感技术领域所取得的新成果,并对中国海洋卫星遥感技术的未来发展进行了展望。

中国海洋卫星遥感应用进展

我国海洋遥感应用自20世纪70年代起步以来,取得了长足发展,构建了覆盖海洋水色、海洋动力和海洋监视监测的三大系列海洋卫星,并初步形成了具有优势互补的卫星海洋遥感业务化应用体系。本文回顾了我国海洋卫星遥感应用取得的重要进展,重点介绍了卫星遥感在海洋环境与资源监测、海洋灾害监测、海洋权益维护、海洋环境预报与安全保障等方面所构建的典型应用示范系统,以及开展的典型业务化监测应用。最后,文章对我国海洋卫星遥感应用下一步发展进行了展望分析。

高分三号卫星对海洋内波的首次定量遥感

高分三号是我国首颗C频段多极化高分辨率微波遥感卫星,于2016年8月10日在太原卫星发射中心成功发射。国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室对国防科工局正式公布的高分三号（GF-3）首批黄海内波的合成孔径雷达（SAR）遥感数据（2016年8月18日采集）进行了定量分析和反演研究，结果表明（图1），该组内波由3个波列组成（黑线所示）。

“海洋二号”有效波高数据在多源卫星高度计数据融合中的应用

利用反距离加权法根据不同的方案融合得到2011年10月1日至2012年3月8日"HY-2"和"Jason-1/2","ENVISAT"卫星高度计的10d平均波高,借助NDBC提供的浮标数据对融合结果进行验证和比较,结果表明:不同的融合结果均可以很好地反应海洋表面的真实情况;"HY-2"卫星高度计数据在多源卫星高度计数据融合中可以与其他卫星高度计数据一样发挥作用,甚至可以替代已经停止运行的"ENVISAT"参与多源卫星高度计数据融合。

我国卫星海洋遥感应用技术的新进展

21世纪以来,世界各国纷纷把目光投向海洋,向海洋要环境,向海洋要资源,向海洋要安全.海洋已成为国际上新一轮竞争的重要舞台.对海洋环境的认知能力是竞争的核心内容之一,由于卫星遥感的独特优势,它已成为提升广阔海洋环境认知度的重要高新技术手段.文章在概要介绍我国自主卫星发展过程及性能基础上,从自主卫星资料处理技术、海洋卫星资料的融合重构技术和新领域拓展应用技术等三方面论述了近年来我国卫星海洋遥感应用技术的新进展,最后描述了我国"十二五"期间海洋卫星系列的发展战略和规划,为从事海洋遥感的科技工作者提供了难得的机遇和挑战.

AVISO卫星高度计新版产品改进对南海海洋学研究的影响

以南海为例,从海面高度异常的气候态、海面高度异常的年际变化和地转流算法等3个方面,探讨了AVISO新版高度计资料的几点重要改进对南海海洋动力学研究的影响。研究表明:新版资料对于南海重要海洋现象和海面高度异常的年际变化的刻画效果要优于旧版资料。分析结果对于构建南海海平面变化的预测模型和分析南海中尺度涡的时空变化规律都具有一定的参考价值。

多视图协同的海洋多要素环境数据关联关系分析方法

海洋事件离不开各要素环境数据的共同作用,获取要素之间的关联关系从而进行海洋事件的预报预测,是一个亟待解决的问题。为此,本文提出一种多视图协同的关联关系分析方法来度量海洋各要素数据间的关联关系。首先,在传统平行坐标技术的基础上增加刷技术、轴排序等功能对海洋多要素数据进行初步探索,同时引入散点矩阵图展示各要素的分布;其次,以平行坐标中数据线间的角度、面积以及散点图中要素分布的距离为差异度量方式,对计算得到的差异构建相似性矩阵;再次,采用多维标度法得到原始多要素数据在低维空间中的表达;最后,使用K-means算法对降维后的低维度数据进行聚类分析。本文提出的方法从视觉角度对数据进行分析和特征挖掘,并得到高维数据在低维空间上的可视化展示,实现了有效量化海洋数据不同要素间的相关关系。

循环式实验室生态海模拟装置的构建及验证

生态海模拟装置是人工模拟海洋生态环境进行科学研究的载体,也是海洋类专业教学中一种重要的模拟实验体系。搭建的循环式生态海模拟装置主体为长60 cm、宽30 cm、高40 cm的有机玻璃缸体,其间隔为生态海大室和溢流槽小室。加载的过滤系统、供氧系统、照明装置和流量控制装置,满足在不同流量、不同光照条件以及不同供氧需求下的海洋微宇宙系统的实验测定。该装置体积小,结构简单,经济实用,测验条件易于控制,适用于海洋科学教学实验及相关研究领域。

HY-1C/D卫星中国海洋水色水温扫描仪几何定位方法

海洋一号C/D(HY-1C/D)卫星中国海洋水色水温扫描仪(Chinese Ocean Color and Temperature Scanner,COCTS)主要用于探测海洋水色、水温等要素,这些要素需要经过卫星资料处理才能获取,而几何定位是预处理的核心,直接影响这些要素的质量。COCTS具有114°视场角和四元逐点摆扫的特征,据此研究出一套完整的几何定位方法。从0级数据中提取卫星星历,利用插值法从中获取采样时间对应的卫星位置和速度,进而得到轨道(ORB)坐标系到地心旋转(ECR)坐标系的转换矩阵。基于四元逐点摆扫的特征,中心视矢量分别绕X轴、Y轴旋转相应角度,获得扫描行各采样点ORB视矢量,建立视矢量与地球交叉点关系模型,从而对根据波段数据绘制的遥感图像进行地理定位。本文使用插值法替代了传统需要6个轨道根数来计算卫星位置的复杂方法,同时直接计算ORB到ECR的转换矩阵,而不采用传统的两步转换方法。经过多组数据计算及定性定量验证,HY-1C/D COCTS几何定位结果一致;采样像元尺度效应导致从星下点到两侧边缘、从赤道到两极,误差逐渐增大,约在两个像元内。该方法满足一定的定位精度要求,可以用于COCTS的几何定位。

基于环境变量的海洋浮标抗风等级计算

海洋浮标是一种布放在特定海域的观测装备,常用于定点观测风、浪、流、海温等海洋气象要素。本文对浮标浮体和锚系分别进行受力分析,给出了浮标在风、流、浪联合作用下的泊稳条件。采用Python编程语言编写了一套浮标抗风等级计算程序,可以计算特定浮标系统所能抵御的最大风级,以及特定风级下浮标系统泊稳所需的最小锚重,并通过一个浮标在台风天气下走锚的实际案例对程序计算结果进行了分析。计算结果还表明,海浪对浮标的作用力为流作用力的7～10倍,为风作用力的36～106倍,其作用在浮标受力分析和计算中不可忽略。本研究可为海洋浮标系统的布放设计和维护提供参考。

基于Argo数据研究南海上层海洋对超强台风“威马逊”(2014)的温盐响应

利用Argo浮标观测数据并结合卫星遥感及锚定浮标观测资料,对2014年超强台风“威马逊”引起的上层海洋温盐响应进行了分析和研究。结果显示,超强台风“威马逊”过境时会造成海表面温度冷却和混合层加深。通过计算混合长度和台风引起的垂向流速变化解释了次表层温度变化的原因:强混合作用和弱上升流作用致使次表层增温,反之次表层冷却。相比于温度的变化,盐度的响应更为复杂,台风引起的降水会先导致表层盐度降低,随后垂向混合引起表层盐度大幅增加,但是降水的作用能够极大地抑制这一过程;台风离境后,垂向混合减弱,强降水引起盐度大幅降低,甚至会使盐度低于台风过境前。

1991年皮纳图博火山灰沉降物对南海海洋环境及硅藻生长的影响

通过对菲律宾皮纳图博(Pinatubo)火山1991年6月爆发前后南海表层沉积物及沉降颗粒物中的硅藻丰度及群落组成进行分析,试图揭示皮纳图博火山爆发对南海硅藻生长的影响。研究发现,火山爆发后南海沉积物中硅藻相对丰度显著减少,原因主要在于皮纳图博火山喷发物大量沉积于南海深海,显著提高了南海沉积速率,同时稀释了沉积物中生源物质的含量。进一步对火山爆发前后同期南海中部深海沉降颗粒物开展研究发现,火山爆发次年同期沉降颗粒物总通量以及生物硅通量明显增加,而硅藻及其他硅质生物相对丰度和通量均显著降低,其中硅藻相对丰度从2.20×10^(8)枚·g^(-1)降到5.48×10^(7)枚·g^(-1),通量从2.90×10^(7)枚·m^(-2)·d^(-1)降到8.57×10^(6)枚·m^(-2)·d^(-1)。1年后的南海中部深海沉降颗粒物中仍然有大量火山玻璃的存在,可能是导致湿化学法测量生物硅含量明显增加的主要原因,而硅藻乃至所有硅质生物通量及丰度的显著降低可能与火山灰沉降的负面影响有关,也可能与1991年厄尔尼诺对南海海洋环境的影响有关。总之,1991年6月皮纳图博火山爆发后南海的沉积物硅藻及沉降颗粒物硅藻丰度都出现了显著降低,但具体的环境调控机制仍有待进一步深入研究。

海洋调查船绞车遥控装置设计

海洋调查船绞车是海洋调查作业过程中频繁使用的设备,然而操作人员只能在操作室内控制绞车运行,难以直接观察到绞车的运行情况。该文基于STM32单片机和无线数传模块设计了绞车手柄遥控装置,操作人员可以在30m范围内控制绞车手柄的摆动角度,可在不同位置和角度观察绞车运行情况。使用模糊PID控制方法控制手柄操作装置,能克服一定的非线性问题和干扰。试验结果表明:该遥控装置可以使手柄摆动角度精确地跟踪设定值,系统稳定可靠。该装置增加了作业的灵活性和效率,可为今后各种机械设备的手柄遥控器设计提供参考。

中国近海海表叶绿素及环境要素的空间分布和季节变化特征

基于中国近海海表生态动力要素(如海表温度和叶绿素)的每日卫星观测和再分析资料,针对叶绿素浓度、海表温度、风场、海洋锋面的空间分布及其季节性变化规律进行分析.中国近海的叶绿素空间分布总体呈现近岸高、离岸低、海盆中岛礁周围相对较高的分布特征.月均叶绿素浓度在大部分海区呈现显著的季节性变化,且存在明显的空间差异性,南海北部冬季较高而其他季节较低,东海、黄海和渤海海域春季较高而其他季节较低.进一步分析海表温度、风场、海洋锋面的分布特征和季节性变化,对比叶绿素的时空分布规律,结果表明:近岸海表温度多低于离岸海表温度,东海西侧发育出的冷舌向东南扩张,该区域面积在春季达到最大值;叶绿素浓度分布的季节变化有相似特征,叶绿素浓度较高的季节盛行东风和东北风,锋面频率最大值的区域与叶绿素浓度高值区域重合,说明叶绿素浓度与海表温度、风场、海洋锋面具有潜在关系.为刻画各参数的季节性特征,对各自时间序列进行正弦函数拟合,结果显示参数的季节变化特征在不同区域呈现不同的振幅、相位和显著性水平,表明尽管季节性特征主导了大部分海域动力和生态过程的变化,开展特定区域的季节性分析前有必要对其季节性变化的显著性进行评估.上述结果有助于厘清中国近海生态动力要素的时空特征和潜在关联性.