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。

南海海洋动力过程观测与模拟研究进展

主要从动力学角度回顾了近年来与南海环流有关的南海物理海洋学调查与模拟研究的进展。目前,对南海上层海洋海盆和次海盆尺度季节性环流的基本模态已经有了比较一致的认识,对特定区域中尺度的环流特征也达成共识。已有的观测和数值模拟研究工作在以下几个方面取得了很大的进展:研究南海准定常涡旋的空间分布,获得其时间演化的主要特征及影响其形成和演化的可能因素;研究行星波动在南海环流建立与调整过程中的作用,获得南海低阶行星波动的速度场分布以及南海环流建立与调整的典型时间尺度;分析并讨论南海与其周边海域,尤其是与西太平洋海域水交换的形式及其影响因素,初步了解海峡水交换的季节差异及其水平和垂向结构,提出黑潮入侵南海的几种形式。未来南海环流的研究方向将扩展到能量学机制方面,并包括热量、动能、动量和涡度等物理量的多时空尺度迁移。

夏季南海北部海洋混合的微结构特征研究

通过对2007年8月海洋湍流微结构剖面观测资料进行分析,研究南海北部上层湍流混合特征.结果表明,南海北部强混合发生区主要为北部陆架陆坡区域,陆架底混合层湍耗散率可达10-5W.kg-1异常高值.深水区温跃层以下,湍耗散率大部分为10-9W.kg-1量级,然而存在较多小尺度过程产生的强湍流薄层,其湍耗散率达到10-7W.kg-1量级.在吕宋海峡附近,观测到西太平洋次表层水入侵南海,同时伴随着强烈的湍流耗散和混合.混合系数γ的分布显示,Os-born模型估算南海混合率γ取0.11为佳.利用Richardson数对观测到的垂向热扩散系数参数化,发现陆架陆坡区和深水区的垂向混合有不同的规律.

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,

中国南海软珊瑚真菌Eupenicillium sp.DX-SER3(KC871024)的次级代谢产物研究

文章旨在对中国南海软珊瑚来源真菌Eupenicilliumsp.DX-SER3(KC871024)进行次级代谢产物的研究。利用硅胶层析柱、正反相中压层析柱以及半制备高效液相等方法对该菌株的大米发酵产物进行分离纯化,利用核磁共振、质谱等波谱学方法并参考文献数据对分离的单体化合物进行结构鉴定。从中分离得到5个已知化合物:烟曲霉酸、?-腺苷、2'-脱氧胸腺嘧啶核苷、N-acyltryptamine和对羟基苯甲醛。其中,烟曲霉酸在该菌株中产量很高,预示着该菌株具有开发成该类化合物的工程菌株的潜力。文章还探讨了烟曲霉酸抗植物病原真菌的潜力,发现效果并不明显。

中国南海软珊瑚附生真菌Acremonium sp.SCSIO41216的次级代谢产物研究

采用硅胶柱层析色谱法、中压正相柱层析色谱法、中压反相柱层析色谱法以及半制备高效液相色谱法对中国南海软珊瑚来源真菌Acremonium sp.SCSIO41216的大米发酵产物进行分离纯化,并使用核磁共振、质谱等波谱学方法,结合其理化性质及文献数据鉴定了7个单体化合物结构:fischexanthone(1)、sydowinin A(2)、(22E)-5α,8α-epidioxyergosta-6,22-dien-3β-ol(3)、16-O-去乙酰基夫西地酸内酯(4)、环-(S)-脯氨酸-(R)-亮氨酸(5)、环-(S)-脯氨酸-8-羟基-(R)-异亮氨酸(6)和环(L)-脯氨酸-(L)-苯丙氨酸(7)。化合物1—7均首次从海洋软珊瑚来源的枝顶孢属真菌(Acremonium sp.)中分离获得。

中国南海Bukholderia sp. DA2菌株降解邻苯二甲酸二甲酯研究

以邻苯二甲酸二甲酯(dimethyl phthalate,DMP)为惟一碳源,从中国南海底泥中分离筛选到一株高效降解菌株,即伯克霍尔德氏菌Bukholderia.sp.DA2。该菌株降解DMP及其邻苯二甲酸二甲酯(Dimethyl phthalate,DMT)和间苯二甲酸二甲酯(Dimethyl dimethyl isophthalate,DMI)2种异构体的效果显著。B.sp.DA2菌株能够在8d内好氧降解矿化100mg·L-1的DMT,15d内好氧降解矿化400mg·L-1的DMP。但对于200mg·L-1的DMI,则不能彻底降解矿化,反应终止在生成间苯二甲酸一甲酯中间产物的阶段。研究表明,B.sp.DA2菌株降解DMT及DMP的途径相似,首先脱酯生成单酯和甲醇,继而水解酸化,直至彻底矿化。降解速率及其途径,与化学结构密切相关。

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。

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。

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。

冬季南海北部中尺度涡旋的数值研究

南海环流的一个主要特征是上层海洋环流具有多涡结构，海洋中尺度涡旋的演变（时间上的生消和空间上的迁移）是南海环流季节调整的可能方式．文中依据卫星遥感海面高度资料和实际海洋观测所揭示的南海北部存在中尺度涡旋体系的基本事实，采用一个改进了涡分辨（ｅｄｄｙ－ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ）普林斯顿海洋模式（ＰＯＭ），对冬季处于强盛的东北季风强迫以及黑潮在巴士海峡入侵的共同作用下的南海北部环流的中尺度涡旋体系进行了数值研究，初步再现了冬季南海北部中尺度涡的生命史．计算结果表明，在实际的气候冬季风应力驱动下，具有的实际侧边界地形的南海北部呈现有强烈的中尺度涡旋．文中探讨了中尺度涡的垂直结构、温盐场的配置以及大尺度水平辐合辐散、海洋垂直运动与之相关的时空结构．由此可以得知，在冬季南海北部中尺度涡旋生命史的不同阶段，上述动力学因子的重要性是相对的．不同的敏感性试验表明，斜压调整是形成冬季南海中尺度涡旋体系的决定性因子；边界的入流和风应力驱动是影响中尺度涡旋运动的主要因素．

南海东北部海水中N_2O分布与产生机制的初步研究

2004年9月18—10月4日调查了南海东北部海水中氧化亚氮(N2O)浓度。表层海水中的N2O浓度平均值为8.40±0.79 nmol.L-1,饱和度平均为123%±11.6%,是大气N2O的源。不同区域表层海水中的N2O浓度存在明显差异,在水深200m层呈现南高、北低的分布特征。各层次海水中的N2O浓度均处于过饱和状态,N2O浓度由海水表层到底层呈上升趋势。ΔN2O与AOU间有显著的正线性相关性,说明海洋内部的硝化作用是产生N2O的主要机制。N2O的海-气通量平均值为0.72±0.36μmol.(m2.d)-1。

太平洋年代际海洋变率研究进展

随着“气候变率与可预报性研究”(CLIVAR计划)的实施,年代际气候变率研究已经成为国际气候研究的一个新热点。由于海洋特别是海洋次表层具有巨大的热惯性,海洋环流在年代际气候变率中所起的作用已得到越来越多的重视。但迄今为止,海洋以什么方式参与到年代际气候变化中、海洋次表层在年际和年代际时间尺度上起到什么作用这些与海洋环流有关的问题仍未得到解决,而这些问题的解决将有助于建立一种完备的年代际气候变化机制的理论。文学通过对近10a来国内外在该领域内研究进展的回顾,提出了一个关于太甲洋年际变化(如FNSO循环)和年代际变化(如PDO循环)相互作用的猜想,为今后在国内开展相关研究提供了一些设想。

2000年8月南海中部与南部海洋温、盐与环流特征

根据 2 0 0 0年 8— 9月份南海中部与南部航次的温、盐资料 ,采用P 矢量诊断方法 ,结合ADCP测流资料和同期伪风应力资料以及TOPEX/Poseidon高度计资料 ,研究了 2 0 0 0年夏季风持续强迫之后南海大尺度环流与中尺度涡旋的空间结构。结果表明 ,南海夏季温度和盐度水平分布随深度有显著的变化 :中层 (2 5 0— 4 0 0m左右 )温、盐水平分布与其它各层的温度和盐度分布相比有很大的差异。用诊断方法计算得到的环流场与用TOPEX/Poseidon海面高度计资料计算得到的地转流场比较一致 ,即流场内部有多个中尺度的涡旋 ,主要有越南东南外海反气旋涡、中沙群岛东南反气旋涡以及南沙群岛东北角的气旋涡等 ,这说明南海中部与南部盛夏环流具有较强的地转分量和显著的多涡结构 ,并且这些中尺度涡在垂向上存在速度场的切变。

海洋环境观测技术研究进展

回顾了近年来海洋观测技术发展的基本情况和主要成果,同时指出了海洋观测技术的局限性,与数值模拟技术相结合的必要性,以及加强发展海啸、风暴潮和孤立内波等灾害性强海洋动力过程的监测技术和预警研究的迫切性。

南海北部沉积物间隙水中营养盐研究

通过2004年9月对南海北部6个站位的采样分析,探讨了间隙水的营养盐含量及其空间分布特征,估算了沉积物-海水界面营养盐的扩散通量。结果表明,NH4-N含量为8.9—142.3μmol.L-1,是南海北部间隙水中营养盐的主要组分,占溶解态无机氮的比例范围为49.1%—75.2%。在平面分布上,NH4-N含量表现为近海高于远海,PO4-P则差别不大。NH4-N、NO3-N、NO2-N和PO4-P在沉积物-海水界面的平均通量分别为7.08、-0.61、-0.51、0.14μmol.(m2.d)-1。NH4-N、PO4-P主要是从沉积物向上覆水扩散,是底层水体营养盐的来源之一。

海洋中有毒有机污染物的监测方法研究进展

以海洋中有毒有机污染物监测方法的发展为主线,系统介绍了这些方法的前处理和分析手段,简要概述了各监测方法的优缺点。发现了目前已有的监测方法大都仅停留在对各单一目标有机污染物进行化学监测的阶段,指出了需要发展不仅能获得有效的化学监测信息,而且能直接反映多种混合有机污染物对海洋生物的总生物有效性的新的监测方法,以推动我国海洋污染监测的进一步发展,为维护海洋生态系统的健康发展提供可靠的科学方法和理论依据。