中国极端天气气候研究——“地球系统与全球变化”重点专项项目简介及最新进展

全球变暖背景下,极端天气气候事件频发,并表现出群发性、持续性、复合性等特点,不可预测性增加;持续性强降水、极端低温、复合型极端高温干旱、群发性热浪和台风等极端天气气候事件对我国经济社会和可持续发展影响巨大。然而,上述极端天气气候事件的新特征、关键过程和机理尚不完全清楚,重大极端事件的预报预测水平亟待提升。文章首先简要介绍“地球系统与全球变化”重点专项项目“中国极端天气气候事件的形成机理及其预测和归因”的基本情况。项目拟在分析全球变化背景下对我国造成重大影响的极端天气气候事件新特征的基础上,深入研究多尺度海-陆-气耦合过程影响极端天气气候事件的机理,挖掘极端天气气候事件次季节-季节预测的前兆信号;发展动力与物理统计相结合的极端事件预测新方法,研制针对中国极端事件的新一代高分辨率数值预报与检测归因系统。文章重点总结了自2022年12月项目立项至今取得的最新研究成果和进展。

玻璃纤维增强柔性冷水管截面设计及强度分析

海洋温差能因具有能源稳定、环保可持续等特点,而具有较高的开发利用价值.冷海水管设计是温差能电站建造的重要环节,为降低成本,提出一种分段设计方法.首先,利用ABAQUS软件对直径为1 m的大口径玻璃纤维增强柔性冷水管进行截面设计,并运用ORCAFLEX软件分析缓波形布置冷水管的整体受力情况;其次,根据整体受力分析结果将冷水管按深度分段,再通过ABAQUS软件建立局部分析模型,计算得到不同分段冷水管满足内压、外压、拉伸载荷及弯矩组合载荷强度要求的增强层最少纤维缠绕层数;最后,提出分段设计截面的方法.研究结果表明,采用分段设计截面的方法,可大幅减少冷水管纤维增强层材料的用量,降低冷水管的制作成本,为大口径玻璃纤维增强冷水管的设计提供参考.

地理信息科学专业学生的海洋素养

本文首先分析了海洋素养的内涵,以及GIS专业学生的海洋素养所应包含的内容;然后探讨了培养海洋素养的方式,包括参与海洋相关科研项目、学科竞赛和海洋相关课程的学习与实践等系统训练;最后,以武汉大学地理信息科学专业为例,从课程教学、三创训练和就业趋势等方面分析了GIS专业学生的海洋素养情况,认为地理信息科学专业学生在GIS实践能力方面表现突出,且具有很好的海洋素养。

适应性海洋法治理念在全球海洋治理中的适用

新形势下,以《联合国海洋法公约》为核心的海洋法体系在应对海洋治理中的传统安全问题和非传统安全问题时呈现一定的不适应性。普芬道夫自然法哲学中的社会性义务要求社会主体承担不损害他人正当权益的普遍义务,具备此种消极调和特征的公平原则强调规则与历史演替中的社会关系保持一致,主要表现为在承认变化的基础上适应变化。通过将适应理念嵌入海洋法体系,补充法治理念的内容,并表现为面向未来的开放式规则、利益相关者的多元参与和《联合国海洋法公约》的演化解释,海洋法将更加灵活地调整权利义务关系。适应性海洋法治理念具备内在延展性,能够为解决南海问题、日本倾倒核污水等海洋危机以及未来可能出现的类似问题提供借鉴思路。中国的综合实力不断提高,海洋利益诉求也随之变化拓展。中国需要兼顾本国利益与国际社会整体利益,适时调整立场态度,通过建立适应性的国内涉海法律体系、转化参与国际海洋治理的法律逻辑,实现国内涉海管理和全球海洋治理的相互协调。

青岛浒苔成因动力因素的遥感验证

表层海洋流动是海洋科学研究中至关重要的环境特征,海洋表层流场直接影响浮游生物的漂移过程。利用遥感手段分析了青岛海域海表流场的时空变化情况,通过监测海流动态,揭示了海洋生态系统中浮游生物运动的关键特征。研究发现海洋表层流场的变化对浮游生物的漂移路径和分布具有显著影响。研究结果初步验证了青岛海域浒苔源自连云港海域的可能性,拓展了对海洋表层流场与浒苔传输关系的认知,为揭示海洋环境中流场与浮游生物之间复杂交互关系提供了新视角。

印-太暖池高温暖水的移位与南海夏季风爆发

为了揭示高温暖水在中国南海(文中简称南海)夏季风爆发中所起的作用,依据欧洲中期天气预报中心发布的第5代全球大气海洋再分析资料,发现气候平均意义下印度洋—太平洋暖池中30℃以上高温暖水会在5月出现移位:5月上旬高温暖水出现在孟加拉湾中部,而到下旬消退并移位到南海南部。通过分析局地天气尺度的海洋-大气相互作用过程,揭示了上述高温暖水月内移位的物理机制:在孟加拉湾夏季风爆发后,逐渐增强的潜热释放和减少的短波辐射会导致孟加拉湾高温暖水的面积逐渐缩小;与此同时,在副热带高压影响下,南海菲律宾岛西南高温暖水出现,并因其面积逐渐增大,并与泰国湾的高温暖水共同构成了南海南部的高温暖水。研究发现南海季风爆发几乎都出现在上述高温暖水移位之后,因此孟加拉湾中部和南海南部海表温度的差由正转负可以作为南海季风爆发的先兆。

论北方海航道开发前景:气候、海运与破冰船

随着全球气候不断变暖,北极冰川融化加剧,北方海航道海域冰层日趋缩小和变薄,为北方海航道开发提供了历史性机遇。全球化趋势下,国际货物贸易飞速发展,国际海运尤其是欧亚大陆间海运活动昌盛,传统南方航道面临压力,为北方海航道开发提供了现实需求。破冰船自出现以来,不断迭代升级,在动力、船体设计、船体材料、辅助设备等方面飞速发展,破冰能力不断提高,为北方海航道开发提供了技术可能。近年来北方海航道的开发取得飞速发展,而且俄罗斯仍在加大对北方海航道的开发力度,但北方海航道开发也面临国际合作环境恶化、资金投入大、经济性不强等问题。整体而言,在气候变暖、海运需求旺盛和破冰船技术不断发展的大背景下,长期来看,北方海航道开发的前景仍十分广阔。

由江至海:抗战时期的中国海洋文学实践

近代中国,部分知识人转向海洋,探求文明再造、民族复兴之法。怀揣“海洋中国”之理想,蔡鸿幹等主办《整建月刊》并创设“海军文学”,鼓舞军民由江至海,收复海权。彼时“海军文学”的出现,既是抗击侵略的呐喊,更是建设海洋国家的回响。对于中国现代海洋文学而言,《整建月刊》之“海军文学”有粘合、催化之效,使此前此后的海洋文学创作及理论得以统合、反思与前行。整体来看,“海军文学”当属海洋文学在战时的面相之一,又是后者扩大再生产的有力抓手。

福岛以东放射性核素进入中国海关键途径的三维数值模拟研究

准确刻画放射性核素在海洋中的扩散及输运过程是监测及预防的关键。利用北太平洋区域高分辨率海洋动力模式,结合被动示踪实验,模拟了福岛排放入海的放射性核素在5 a左右时间的分布情况。结果表明,放射性核素在排海后主要随黑潮延伸体向东移动,但仍有部分放射性核素由于西南向回流、涡旋活动及模态水潜沉过程,向西南方向抵达中国海外缘。在中国近海与外海的物质交换通道中,放射性核素主要通过中国台湾以东最早进入中国东海,后经过吕宋海峡入侵南海,进而通过陆架环流输送到黄海与渤海中。研究结果系统地给出了放射性核素由北太平洋进入中国海的三维途径及动力机制,并表明高浓度的放射性核素在5 a时间内并未影响中国海域。

向海图强:奋力谱写中国式现代化广西篇章的重要使命与历史责任

党的十八大以来,习近平总书记分别于2017年、2021年和2023年三次视察广西。2023年12月,习近平总书记视察广西时强调,广西要“解放思想、创新求变,向海图强、开放发展”。广西背靠大西南、毗邻粤港澳、面向东南亚,具有沿江、沿海、沿边与东盟“一湾相挽十一国,良性互动东中西”的独特区位优势。向海之路为奋力谱写中国式现代化广西篇章指明方向,向海发展是广西破茧成蝶的根本出路,向海经济是广西高质量发展的重要引擎,向海图强已成为广西新时代新征程的新起点。向海图强既是广西的机遇和优势,也是广西的责任和使命。伴随着系列相关政策文件、战略规划和行动计划的相继颁布实施,广西向海经济发展新格局初步形成。平陆运河建成通航后,将形成广西及西南地区通往东盟的运距最短、最经济、最便捷的运输通道。陆江湾海的联动将撬动区域经济版图,推动形成国内国际双循环战略链接的枢纽。2023年12月习近平主席应邀访问越南具有标志性意义,确立了构建具有战略意义的中越命运共同体,开启了中越两党两国关系发展的新阶段,谱写了新时代中越关系的新篇章,将更有利于广西的向海图强、开放发展。

南海扩张期岩浆流体对洋壳厚度的影响: 数值模拟

扩张期洋中脊热液循环系统的热排出与岩浆系统的热注入共同控制着洋壳厚度的生成,而岩浆流体是热液循环系统的流体成分之一,往往与下渗海水混合参与各圈层能量和物质传递,但其能量传递对洋壳厚度的影响机制目前还不清楚.利用有限元的数值模拟手段,对扩张期热液循环系统中岩浆流体与洋壳厚度的关系进行研究.结果表明:(1)相较于只有海水参与的对流循环,含有岩浆流体的热液循环造成的洋壳厚度的减薄量更大、热液喷口温度更高.(2)岩浆流体对洋壳厚度的二次减薄作用随其含量的增大而减弱,热液喷口温度随其含量的增大而升高.(3)南海岩浆水、地幔水含量和洋壳厚度的分布具有非均质性,东部次海盆的地幔水、岩浆水含量高于西南次海盆,前者的平均洋壳厚度也大于后者,并且在海盆残余扩张脊附近存在异常薄洋壳.结合模型结果分析认为,残余扩张脊附近的薄洋壳可能受到扩张期热液循环或后期岩浆流体的影响,而东部、西南次海盆的洋壳厚度差异可能是由于前者的岩浆流体含量高于后者而造成的.

基于专利信息的深海矿产资源开发技术趋势分析

为了解深海矿产资源开发技术现状,从专利的视角对深海矿产资源开发技术趋势进行了简要分析。通过incopat全球专利数据库,对2000—2023年全球公开发表的3236件深海矿产资源开发技术相关专利进行检索,分析全球专利申请趋势、地域分布、技术构成、中国专利申请趋势及中国专利申请人来源分布等情况。结果表明,相关专利主要集中在中国、美国、韩国,俄罗斯和日本,技术构成主要包括探测系统、采集系统、输送系统。近年来中国申请人逐渐主导全球相关专利申请,展现出中国在深海矿产资源开发技术研发和市场开拓方面的巨大潜力。

北极高分辨率海冰冰间水道模拟评估分析

冰间水道只占北极冰区的1%~10%,但在海洋和大气之间的能量和水汽交换中起着重要作用。目前对冰间水道数值模拟结果的分析主要集中在水道出现频率的空间分布和水道面积占比的时空变化,而有关水道形态特征(长、宽和走向)模拟结果的分析较少。本文基于采用黏塑性流变学的高分辨率(2 km)冰海耦合模式模拟的海冰厚度来提取冰间水道,并利用3种MODIS冰间水道遥感产品进行形态特征的对比分析。分析结果显示,在波弗特海,模拟水道出现频率的空间分布与WH2015和H2019两种遥感产品基本一致;模拟结果中宽度大于6 km的水道数量概率密度和总长度符合遥感产品呈现的幂律分布规律,对2~4 km窄水道的分布受模式可解析能力限制本研究模式分辨率尚无法正确估计,存在低估;模拟水道总长度与遥感反演的结果在1月和3月相关性较好,但无法再现遥感产品中2月和4月的明显变化趋势;模拟水道和遥感产品总体走向一致,二者都显示,加拿大群岛以北和波弗特海东南部沿岸区域水道走向几乎与海岸线和冰速方向平行,模拟水道受陆地阻隔的影响更大,在波弗特海中部冰间水道和冰速发生转向的位置不一致。本研究揭示了当前高分辨率海冰模式对不同冰间水道形态特征的模拟能力的符合程度及不足之处,将有助于进一步的模式改进。

典型多尺度海面结构体辐射散射方向-光谱特性计算与分析

针对3级以上海况的高精度海洋场景红外仿真问题,提出一种“先拆后建”的研究思路:将含泡沫和破碎波的多尺度海面抽象为粗糙海面、泡沫、破碎波的组合,进而拆解出“粗糙海面”、“含泡沫粗糙海面”、“含破碎波粗糙海面”3类典型多尺度海面结构体,最后通过海面栅格化、结构体匹配、方向-光谱特性重构渲染等方法,由3类典型多尺度结构体方向-光谱特性组合重构大范围海面辐射散射特性,完成多尺度海面“气-面-体”耦合辐射/散射特性的计算。对拆解出的3类典型多尺度海面结构体分别开展多尺度耦合辐射、散射特性建模研究,构建3类多尺度海面结构体辐射散射方向-光谱特性计算模型,并对结构体辐射散射方向-光谱特性的影响因素进行分析,结果表明:随着海面风速的增大,海面典型结构体中的泡沫厚度及气泡浓度逐渐增大,使得结构体的散射能力增强,从而增大结构体的双向反射分布函数;随着探测波长的增大,海水的吸收性显著增强,导致不同风速条件下结构体双向反射分布函数之间的差异显著增大;对于不同的入射角,结构体双向反射分布函数最大值对应的天顶角随入射天顶角的变化逐渐发生变化。

冬、夏季长江口海域二甲基硫化物的时空分布及对海水酸化和铁添加的响应

本文于2022年2和7月测定了长江口及其邻近海域表层海水及重要断面海水中的二甲基硫(Dimethylsulfide, DMS)、二甲基巯基丙酸内盐(Dimethylsulfoniopropionate, DMSP)浓度;基于DMS生产速率、消耗速率和溶解态DMSP(DMSPd)降解速率,综合评价了DMS的迁移转化速率,并通过船基培养实验探究了二甲基硫化物对海水酸化和Fe添加的响应。结果表明:冬季长江口海域DMS、DMSPd、颗粒态DMSP(DMSPp)平均浓度分别为(1.55±0.96)、(3.55±2.38)和(4.42±3.11) nmol·L^(-1);夏季分别为(8.45±5.76)、(18.90±6.86)和(22.41±15.99) nmol·L^(-1)。冬、夏两季长江口二甲基硫化物高浓度主要出现在远岸,垂直方向上呈现出表层到底层逐渐降低的变化特征。冬季和夏季的DMS海气通量分别为2.23和22.96μmol·m^(-2)·d^(-1)。夏季DMSPd的转化率和DMS生物产率高于冬季,使得夏季DMS浓度较高。微生物消耗是长江口海域DMS的主要去除途径。船基培养实验表明,在pH=7.7、7.9条件下,海水酸化抑制了DMS和DMSP的产生,而Fe的添加促进了它们的释放。因此,未来海水酸化和Fe的输入会对长江口DMS的生物地球化学循环产生重要影响。

东海大桥邻近海域沉积动力环境变化

【目的】东海大桥是杭州湾和长江口水沙交换的重要通道,其对邻近海域悬沙分布和输运有重要影响。【方法】基于2011—2020年共26天每天8张连续潮时的高质量GOCI影像,反演获得东海大桥及邻近水域表层悬浮泥沙浓度,并结合理想数值模型和表层沉积物观测资料,研究了东海大桥对邻近海域沉积动力环境不同时间尺度的影响。【结果】在潮周期时间尺度上,东海大桥两侧悬浮泥沙浓度呈现明显的梯度分布,并随涨落潮表现为背流面悬沙浓度高于迎流面,这与背流面水位降低促进垂直运动和桥墩后方涡流加强扰动有关,其中在涨落潮中间时刻,大桥两侧悬浮泥沙浓度差异最大,涨憩时刻两侧差异最小。各季节涨落潮过程中大桥东西两侧悬沙浓度的差异变化不大,但浓度差值有所不同。从多年变化来看,东海大桥建成后两侧悬沙浓度差异的年际变化不大,邻近海域表层沉积物有变细趋势,可能与大桥阻流导致流速减弱有关。【结论】潮周期内悬沙浓度在大桥背流面高于迎流面的差异分布,不随季节和年际变化,该研究对完善不同时间尺度跨海大桥对海洋沉积动力环境影响的研究具有重要意义。

南太平洋海表面盐度最大值年代际变异机理研究

已有研究表明南太平洋海表面盐度最大值存在明显的年代际变化,表现为盐度位置的变化,而对于调控该年代际变化的机制尚不清楚。利用1999—2022年的盐度数据,再现了盐度最大值位置的东北—西南向摆动,即2005年和2016年盐度位置偏东北,2011年和2022年偏西南。在此基础上,利用盐度收支分析与1.5层约化重力模式两种方法研究了1999—2022年南太平洋海表面盐度最大值的年代际变化机理,评估了淡水强迫、水平平流、垂直夹卷、水平扩散这4种因素的相对贡献。结果表明:水平平流、淡水强迫的平均贡献最大,前者是驱动南太平洋海表面盐度最大值位置的年代际变化的关键因素,而淡水强迫项主要是引起盐度量值大小的年代际变化;垂直夹卷项与水平扩散项在盐度最大值年代际变化中的贡献可能较小。

海洋环境对海洋低频水声扩频通信的影响分析

水声通信是水下舰艇通信的主要手段,从基本物理原理的角度仿真分析海洋环境对水声扩频信号的可能影响,相较于实际海试实验降低了实验难度。选取等熵性质的非均匀介质中的声传播波动方程推导,建立水声信道动力学模型,分析了不同幅度海洋背景噪声下和不同海水密度区间中水声扩频信号传播后的幅频特性和通信误码率的变化。文中,利用Matlab进行微分方程数值解求解和水声传播信号的幅频特性分析。结果表明:1)海洋背景噪声在信噪比高于-20 dB时满足通信准确度要求;2)海水密度的变化对水声扩频通信准确度没有显著影响。

北冰洋夏秋季大浪事件的特征分析

本文利用ERA5再分析资料,使用超阈值方法筛选得到了1979-2021年8-10月北冰洋各海域的极端大浪事件数据集,分析了大浪事件的频数、极端波高的变化、海浪能流和浪向分布特征以及大浪事件中的海冰变化。结果表明:随着海冰减少,北极大浪活动范围扩大,除巴伦支海以外的海域都存在大浪活动增多的现象,东西伯利亚海、拉普捷夫海的极端波高以约3.5 cm/a和2 cm/a的速度显著增长,事件频数增长到约每年4起;相比其他海域,拉普捷夫海的大浪浪向以偏南为主,波浪更易传播到冰区,平均能流为5~8 kW/m。大浪事件伴随的海冰变化主要发生在边缘冰区,与风场方向有关:向冰风场更多时候伴随着海冰减少,而离冰风场更多伴随着海冰增加。

利用洋中脊玄武岩中橄榄石斑晶制约南海打开的地幔动力学机制

地幔柱与板块构造是地球运行的两大基本动力学机制。南海及其周缘地区处于海南地幔柱与东南亚环形俯冲系统时空交汇的背景,而新生代地幔柱在南海形成演化过程中所扮演的角色存在颇多争议。地幔源区富含辉石岩是南海及其周缘与地幔柱活动相关的玄武岩的共有特征,基于此推测,本文利用国际大洋发现计划(IODP)367航次在南海北缘U1500B站位钻遇的南海扩张初期洋中脊玄武岩(MORB)的橄榄石成分来制约南海扩张初期的地幔岩性,以检验南海扩张初期是否存在地幔柱-洋脊叠加。U1500B MORB所含橄榄石斑晶的Fo=76.4~89.4,NiO=0.09%~0.26%,CaO=0.25%~0.34%,MnO=0.16%~0.33%。这些橄榄石斑晶具有与南海西南次海盆扩张末期U1433B钻孔的MORB以及全球其他开放大洋MORB相似的NiO、CaO、MnO含量和FeO/MnO比值,代表其源区岩性主要为橄榄岩。U1500B钻孔MORB与该区存在地幔柱叠加的基性岩浆所含橄榄石斑晶成分的差异显著,表明南海扩张初期不存在地幔柱叠加,与前人估计的U1500B洋中脊玄武岩的正常地幔潜能温度(~1380℃)相符合。由于南海扩张初期洋中脊岩浆产率高,但缺乏地幔热异常和易融组分如辉石岩等,推测其地幔中可能有较多的早前俯冲板片贡献的再循环挥发分来维持高岩浆产率。所以,俯冲板片后撤导致的岩石圈伸展可能是南海打开的主要动力学机制。