海洋涩度函数的研究及应用进展

在海洋中,涩度作为一个热力学参量,具有被动和示踪的性能,表示海水发生了温盐变化,但密度却没能显示的信息.相比于温度-盐度组合,密度-涩度组合在描述海洋动力过程和水团特性更为方便.通过结合涩度已有的理论框架和它在海洋研究中的应用情况,针对如下要点进行了回顾和总结:(a)引入涩度概念的缘由,不同的涩度函数定义和存在的争议;(b)涩度在大洋水团分析中有广泛的应用,可作为研究海洋动力学和环流的示踪参量,用于分析大气对海洋的能量注入,温盐结构,水团入侵和生物迁移等.以期进一步推动涩度动力学研究和拓展涩度在海洋不同领域中的应用.

“海洋性大陆”观测研究计划介绍及中国参与进展

1“海洋性大陆”观测研究计划介绍海洋性大陆（Maritime Continent,以下简称MC）是指由中南半岛、菲律宾群岛、印度尼西亚群岛、新几内亚岛等众多岛屿和中国南海及一系列浅海组成的区域（图1）,该地区地处太平洋、印度洋、亚洲、大洋洲的连接地带,是中国战略构想“海上丝绸之路”的必经之地。MC地区特殊的地理位置、复杂的海陆分布和地形状况,

基于多尺度深度学习对南海海表温度预报的研究

海表温度是海洋最重要的物理量之一,提供了气候系统的基本信息,准确地预报海表温度有着广泛而重要的应用。近年来,基于人工智能的海温预报方法开始流行,并展现出巨大的潜力。基于卷积长短时记忆神经网络(ConvLSTM),本文研究了多尺度输入场对南海北部二维海表温度预报结果的影响。文章采用多元集合经验模态分解方法(MEEMD)将日均海表温度分解成多个尺度的空间主模态,并以不同的组合训练ConvLSTM模型进行预报实验。结果表明,采用前4个海表温度主模态数据训练模型时,预报1~7 d海表温度的均方根误差约为0.4~0.8℃,比仅用原始海表温度训练时减小了0.2~1.2℃;平均绝对百分比误差为1%~6%,减小了0.5%~10%;空间相关系数为99.5%~96.5%,提高了0.5%~3.5%。而且,随机实验也进一步证明该方法具有较高的普适性。基于深度学习的预报模型,需结合海温的物理特性,选择合适的数据进行训练,才能进一步提高其预报精度。本文初步探究了人工智能方法与物理概念在海温预报中的融合,可为以后的研究提供一定的参考。

北太平洋副极地海洋锋四季变异特征及其与中纬度大气的联系

基于高分辨率海洋与大气再分析资料,结合统计分析与动力学诊断,揭示了北太平洋副极地海洋锋区(Subarctic Oceanic Frontal Zone,SAFZ)强度四季变异的特征及成因,阐释了与SAFZ四季异常相伴随的中纬度大气环流异常特征及其对应的动力学过程。结果表明,SAFZ在秋、冬、春季较强,夏季相对较弱。海温经向平流过程是秋、冬、春季SAFZ强度维持的主导因素,而海-气界面净热通量交换过程对夏季SAFZ强度减弱起决定作用。在不同季节,伴随SAFZ强度变异,边界层湍流热通量发生变化,非绝热加热异常引起锋区上方低层气温经向梯度与大气斜压性的异常,进而导致大气瞬变涡旋活动异常。由瞬变涡旋涡度强迫异常主导,中纬度北太平洋及中国东部、东北部等地上空对应产生相当正压结构的大气位势高度场异常与风场异常,相应的大气环流异常场存在季节差异。

海洋酸化生态学研究进展

工业革命以来,人类排放的大量二氧化碳引起温室效应的同时,也被海洋吸收使得全球海洋出现了严重的酸化。海洋酸化及伴随的海水碳酸盐化学体系的变化对海洋生物产生深远的影响。以海洋酸化对钙化作用和光合作用的影响为重点,总结了近年来关于海洋酸化的研究,介绍了海洋中不同生态系统对海洋酸化的响应。一方面,海水中CO23-浓度和碳酸钙饱和度的降低对海洋钙化生物造成严重损害,生活在高纬的冷水珊瑚和翼足目等文石生产者是最早的受害者;贝类和棘皮动物在钙化早期对海洋酸化尤其敏感,其幼体存活率受到海洋酸化的严重制约。另一方面,CO2浓度的增加能促进海洋植物的光合作用和生长,增加初级生产力,改变浮游植物的群落组成。此外,海洋酸化可以促进固氮和脱氮作用同时削弱硝化作用,改变溶氧浓度分布和金属的生物可利用性,从而对海洋生物产生间接影响。海洋酸化对海洋生态系统的影响机制复杂,影响程度深远。为了能准确的评估海洋酸化的生态学效应,需要更全面深入的研究。

海洋中尺度涡的机械能及其源汇研究

由于观测手段的限制,海洋中尺度涡的能量输送及生成与耗散动力过程一直是世界大洋能量循环中悬而未决的一个问题,而中尺度涡在海洋中又广泛存在,它不仅占据海洋表层动能的绝大部分,而且是能量级串中连接大尺度和小尺度的中间环节,在大洋能量传输中扮演着重要的角色。文章以中尺度涡场机械能的大小、分布、源汇为主线,结合作者在这方面的最新研究成果,综述当前对中尺度涡机械能及其源汇的研究进展。

分子生物学技术在海洋环境监测中的应用

我国海域面积辽阔,为保护海洋环境,维持海洋经济可持续发展,必须提高海洋环境监测能力。迅速发展的分子生物学技术作为一种有力手段能运用于海洋环境监测。论文概述了多种分子生物学技术方法(PCR、克隆文库、变形梯度凝胶电泳、环介导等温扩增、实时定量PCR、限制性片段长度多态性、核酸探针和基因芯片等)在鉴定海洋生物、评价海洋微生物安全、发现生物入侵种和评估海洋污染物的生态效应等方面的运用。期望为全面了解分子生物学技术并为海洋环境监测的合理应用提供理论借鉴。

南海中部上层海洋湍流混合的空间分布特征及参数化模型

通过对2010年5月南海16°N和14.5°N断面的湍流微结构剖面观测资料分析,给出了南海海盆上层湍流混合空间分布特征：在16°N断面上,上层10～400m垂向平均湍动能耗散率〈ερ〉在东侧略大于西侧;相反,在14.5°N断面上,西侧〈ερ〉均值约是东侧〈ερ〉的4倍,其中,西侧110.5°～111°E的〈ερ〉的平均值为2.6×10^-6 W/m^3,东侧118.5°E的〈ερ〉仅为5.89×10^-7 W/m^3。通过分析细结构剪切和湍流混合的相关性,发现剪切是南海中部上层强湍流混合的主要驱动力,揭示了高模态内波破碎可能是湍流混合的主要机制。另外,研究了大洋中的3种参数化模型,发现适用于大洋近海的参数化MacKinnon-Gregg（MG）模型能较好地用浮频和剪切估算南海中部深海区上层湍流耗散率。

东印度洋海洋学综合科学考察航次概况

赤道东印度洋海域是西半球暖池的重要组成部分,对我国季风系统乃至全球气候变化研究意义重大.印度洋作为海上丝绸之路的交通要道,开展东印度洋海洋调查也是保障海上丝绸之路安全的重要一环.自2010年起,国家自然科学基金委为贯彻落实《国家自然科学基金"十一五"发展规划》的战略部署而设立的"国家自然科学基金委印度洋综合航次",极大地促进了海洋学科多学科交叉和融合,丰富了该海域的海洋观测数据,取得了丰硕的科研成果.本文介绍了2010年起至今的东印度洋海洋学综合科学航次考察的内容、进展和成果,并展望了东印度洋海洋学综合科学考察航次今后的主要方向.

北太平洋海洋带状流的正压特性

海洋中包含着多种时空尺度的运动过程,海洋带状流是近年来发现的一种新的流动形式。这种流动现象介于地转湍流和准定常流之间。上层海洋中大尺度运动的强度远大于海洋带状流而将其遮盖,因而带状流需要借助滤波方法提取出来。本研究基于纬向速度数据,通过切比雪夫高通滤波提取了北太平洋海洋带状流的三维结构,定义了“流向稳定度”指数,量化分析了北太平洋海域带状流的正压特性,从而进一步加深了对北太平洋海洋带状流结构特征的认识。

水下珊瑚双向反射率观测技术的研究

遥感作为一种高效海洋环境监测手段,可以对海底各种底质类型分布及其状态变化进行同步大面积监测。目前,海底底质反射率观测技术主要为单个角度观测,开展底质多角度光反射特性观测技术的研究,分析不同底质双向反射分布函数(BRDF)特征,对于遥感高精度监测浅水海区底质具有重要意义,在满足遥感对复杂底质类型精确区分的同时能做到对底质更细微的动态变化监测。采用双通道同步测量的方法,设计了一套简便的海底底质双向反射率测量系统,获取了水下珊瑚及细沙底质的反射率特征数据。在大亚湾海域开展了现场测量,数据分析表明:(1)岸上沙质的BRDF特征:在400~700 nm内,当天顶角不变时(θ=20°,40°或60°),不同方位角(θ=0°,45°,135°,180°,225°和315°)所测得的反射率值标准偏差小于1.5%;当方位角不变时(θ=0°,45°,135°,180°,225°或315°),不同天顶角上的反射率值标准偏差均不大于1.7%,表明岸上沙质的BRDF变化较小,具有朗伯体特性;水下沙质的BRDF特征:在400~700 nm内,当天顶角不变时,不同方位角所测得的反射率值标准偏差随着波长的增大而增大;在400 nm时,反射率值的标准偏差为3.8%,在700 nm时,反射率值标准偏差递增至12%。水下沙质的BRDF表现为各向同性特征。(2)水下珊瑚BRDF特征:在天顶角不变时,不同方位角上所测得的反射率值标准偏差随着波长的增加呈现先增加后减小,而后激增的趋势。从400到605 nm,标准偏差从1%升至2%,而后从605到675 nm,标准偏差从2%降至1.2%,在675~700 nm,标准偏差从1.2%增至4.9%。现场测试数据分析结果表明本套水底双向反射测量系统能有效测量多种海底底质的反射光谱。通过现场获取的测量数据,对沙质和珊瑚两种典型底质的反射率光谱及BRDF进行了初步分析,为后续采用遥感手段反演浅水区底质及动态变化(如,珊瑚生长状态)提供多种底质多观测角度的反射率光谱特征。

海洋内波能量耗散的数值研究

为了研究单频内波在白噪声的干扰下传播时的能量耗散率问题,采用高精度谱方法对其进行数值计算,分析了内波传播过程中内波振幅大小和海水的普朗特数(Pr)对能量耗散率及内波破碎期持续时间的影响。结果显示,内波振幅越大,三个时期(破碎前期、破碎期和破碎后期)的平均能量耗散率越大,内波越早破碎,破碎时间越短;内波在海水中传播,Pr越大,破碎前期平均能量耗散率越小,而破碎期平均能量耗散率越大,破碎时间越短。研究成果可为内波能量耗散率和破碎时间的量化提供理论指导。

基于Bio-Argo浮标数据研究孟加拉湾中部海域溶解氧分布

溶解氧的分布影响着海洋生物的生存,以孟加拉湾低氧区为研究对象,利用2013—2017年该海域Bio-Argo浮标数据和卫星遥感数据,分析孟加拉湾海域海洋上层(0—200m)溶解氧的垂直分布特征,探讨孟加拉湾海表溶解氧和氧跃层时空变化及其成因。结果表明,由于大量径流和降雨的输入,孟加拉湾海表形成显著的盐度成层,导致该海域溶解氧浓度在约40 m处开始显著降低,并在200 m以内降至20μmol·kg^(-1)以下。海表溶解氧浓度与海表温度呈负相关(r=–0.75)。氧跃层深度(DO50μmol·kg^(-1))与23℃等温线和海表面高度异常呈正相关,相关系数r分别为0.93和0.81。孟加拉湾中部低氧区海表温度是影响海表溶解氧变化的主要因素之一,氧跃层的变化则与海洋中尺度涡密切相关。

利用氮稳定同位素记录重构古海洋氮素生物地球化学循环

初始地球的氮素循环是由大气反应和缓慢的地质过程来控制的。在大约27亿年前,微生物代谢逐渐进化成为控制地球氮素转化的最核心驱动力,使得地球上的氮循环逐渐进化成为现在的模式。不同的微生物过程会产生不同的氮稳定同位素分馏,这种分馏的信号会储存于古生物介质中,因此通过分析古生物介质中氮的稳定同位素值,可以重构古海洋的氮素生物地球化学循环过程。

热带印度洋环流动力与季风相互作用研究进展

围绕中国科学院战略性先导科技专项"泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设"之子课题"热带印度洋环流动力与季风相互作用及其影响",从热带印度洋上层海洋环流、盐度变异对印度洋典型海气耦合过程的影响、印度洋海气相互作用及其对泛第三极水汽输送的影响方面回顾了热带印度洋环流动力与季风相互作用的研究进展.针对国内外研究发展的现状,提出热带印度洋上层经向、纬向、垂向流系间三维联动机制,海盆尺度热盐再分配对局地海-气模态变异的响应和反馈机制,热带印度洋典型海气耦合模态对泛第三极地区气候变化的影响机理等关键科学问题亟待解决.开展该子课题研究的最终目标是:全面认识和理解热带印度洋上层环流体系,加深印度洋海洋环流动力与海气相互作用及其对泛第三极经向水汽输送作用的理解,提高泛第三极地区气候预测水平,提升丝绸之路海上观测航道监测保障能力,从而为"一带一路"倡议和"21世纪海上丝绸之路"建设服务.

强台风鲶鱼对中国南海浮游植物及渔业资源的影响

利用Aqua卫星搭载的MODIS传感器数据,分析了慢速移动的强台风"鲶鱼"(Megi,2010)对中国南海北部海表面温度(SST)、海表面叶绿素a浓度(Chl-a)、初级生产力(PP)和渔业资源的影响。结果显示在研究区域内,SST平均值从台风前的28.8℃下降到台风后的25.6℃,SST最大下降5℃;Chl-a平均值从台风前的0.099 mg?m–3上升到0.731 mg?m–3,增长6.4倍。应用初级生产力垂向归纳模型反演PP,结果表明台风"鲶鱼"极大的提高了研究区域的PP,台风过后8 d内PP为1001.5 mg?(C?m2?d)–1,比2001—2009年间平均值增加684.9 mg?(C?m2?d)–1;根据台风后8d PP估算此次台风额外固碳1.01 Mt。应用营养动态、Tait和Cushing模型估算台风引起的渔业资源增量为10.1×104 t。表明慢速移动的强台风对于渔业资源生产量有较大影响。

双扩散对流中台阶结构的实验研究

线性层结的盐水系统在底部加热和顶部冷却时,会产生明显的温盐台阶结构,这是双扩散对流现象.温盐台阶由界面和混合层组成.温度垂向廓线的变化可以反映台阶的生成与合并.根据盐水系统上下边界之间温差的变化,系统演化过程分为两个阶段.在温差增加阶段,主要发现在已有台阶顶部生成新台阶,而最下层台阶与其上层台阶发生合并过程.在此阶段,由于台阶的生成速率大于合并速率,系统内台阶越来越多.在温差减小阶段,系统仅存在台阶的合并过程,因此台阶数目越来越少.最后,系统内仅存在一个大尺度环流.同时,发现台阶的生成与合并过程虽然发生在局部区域,但会影响到系统的其他区域.例如,由于最下层台阶的合并,系统下边界的温度梯度发生明显变化.实验中,由于最下层台阶不断与其上层台阶合并,最下层台阶厚度比其他台阶厚度大,而其他台阶厚度变化不大.最下层台阶厚度(h)随时间(τ)的变化满足h～τ0.7的关系.

中国区域平均降水量序列构建方法比较研究

由于地面观测台站空间分布不均匀,运用不同区域平均技术方法研究中国降水特征和变化规律的结果存在显著差异,是区域降水变化研究不确定性的重要来源之一。本文以"中国地面与CMORPH(CPC Morphing Technique)融合逐日降水产品"作为参照值,基于中国地面2425站观测资料,采用5种网格尺寸的经纬度网格面积加权平均方法、省面积加权平均方法、直接平均方法等计算中国区域平均降水量时间序列,比较所得序列统计属性与参照值的偏差,判别方法的优劣。分析表明,1998~2012年,2.5°网格和5.0°网格区域平均方案所得年降水量序列的变化速率和离散程度同参照值最为接近,分别是最优和次优的区域平均方案。省面积加权平均方法对多年平均年降水量的计算准确,但对年降水量变化趋势的估计效果稍差,距平百分率序列很不准确。网格过疏或过密都会使区域平均结果出现较大误差,直接平均方法的误差亦偏大,可靠性较低。

海洋溢油后浮游植物藻华观测分析和机制探讨

海洋溢油事件频率增加,严重影响了生态环境。该研究收集MODIS叶绿素a数据和现场资料,对全球20次重大海洋溢油事件后浮游植物进行了研究分析。结果显示,溢油可能引发大面积藻华,且一般发生在溢油20 d以后,多数发生在3-10个月间。深入分析发现,溢油后的藻华多数发生在春季、秋季和/或温度在20℃-30℃条件下。若溢油发生在夏季,短期内发生藻华的几率较高,且可能发生多次藻华;若溢油发生时温度较低,溢油后藻华发生几率也较低。需要关注的是,2013年晚秋我国青岛市黄岛输油管线破裂引起的溢油事件,可能提高2014年春季胶州湾发生藻华的几率。

基于海洋模式数据的吕宋海峡输运量和菲律宾黑潮流量关系的分析

利用全球涡分辨率海洋环流模式OFES的60年(1950—2009)输出资料,用流速资料计算了吕宋岛东侧18°N断面黑潮上游流量(Kuroshio Transport,KT)和120.5°E断面吕宋海峡输运量(Luzon Strait Transport,LST)。研究表明,KT和LST存在四种情况,即:(1)KT大LST小、(2)KT大LST大、(3)KT小LST小和(4)KT小LST大,分别占其总数的34%、11%、13%、42%。合成分析证实:一般情况下,KT大对应黑潮跨越吕宋海峡流态,此时LST较小;KT小时,地转β效应迫使黑潮向西入侵吕宋海峡,此时LST大。然而,吕宋岛东侧和台湾东南沿岸的涡旋常削弱黑潮在吕宋海峡处流量,造成KT大时黑潮亦入侵吕宋海峡,从而出现KT大LST大的情形;太平洋一侧的异常高海表高度诱发吕宋海峡处强地转流,造成KT虽小而黑潮在吕宋海峡处仍是跨越流态,因而LST小。结果表明,LST不仅受KT影响,亦受局地涡旋和海表高度的重要控制。