“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,

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。

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。

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.

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。

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.

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。

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。

孟加拉湾春季小型暖池对热带气旋的影响研究

本文研究了2017年春季孟加拉湾小型暖池对热带气旋Maarutha(4月14-17日)以及热带气旋Mora(5月27-30日)的影响.利用卫星遥感和现场观测数据分析发现,尽管春季孟加拉湾热带气旋确实能引起海洋上层冷却效应,但是其冷却强度受到暖池强度的影响.本文进一步对比孟加拉湾小型暖池对两个热带气旋的响应情况,发现当春季小型暖池的温度大于31℃(热带气旋Mora期间),暖池效应能有效抑制海洋上层混合层的加深,降低热带气旋引起的潜热通量损失带来的冷却效应,并在一定程度上加强了热带气旋.

Atlantic Niño–ENSO关系的年代际变化及其影响因子:基于CESM1长期模拟的研究

三大洋相互作用是当前国际前沿的热点问题之一,近年来大西洋和印度洋对太平洋气候变率的影响得到了广泛的关注,其中热带大西洋主要年际变率Atlantic Niño/Atlantic Niña(大西洋尼诺/尼娜)对El Niño–Southern Oscillation(ENSO)的发展演变具有不可忽视的影响。观测结果表明夏季大西洋尼诺/尼娜与随后冬季ENSO的负相关关系(以下简称“Atlantic Niño–ENSO关系”)并非一直显著,而是表现出了年代际差异,然而关于影响二者关系年代际差异的关键物理因子尚不清楚。本文基于观测资料和地球系统模式(CESM1)长期模拟资料分析了影响Atlantic Niño–ENSO关系变化的关键因子,得到以下主要结论:(1)夏秋印度洋偶极子(IOD)是调控Atlantic Niño–ENSO二者关系密切与否的重要因子之一。当大西洋尼诺(尼娜)激发出热带大西洋—太平洋异常沃克环流的同时,负IOD(正IOD)可以激发热带印度洋—太平洋异常沃克环流,对应的下沉支(上升支)加强了大西洋尼诺(尼娜)引发的太平洋异常沃克环流下沉支(上升支),最终造成赤道太平洋低层东风(西风)异常,促进了随后拉尼娜(厄尔尼诺)事件的发生发展。(2)ENSO发展前期的夏季太平洋海洋热容量初始状态也是调制大西洋尼诺/尼娜能否影响随后ENSO事件发生发展的另一关键因子。当大西洋尼诺(尼娜)发生时,若同期赤道太平洋处于“放电”(“充电”)状态,则更有利于随后拉尼娜(厄尔尼诺)事件的形成。值得指出的是,夏秋季IOD与夏季太平洋海洋热容量初始状态这两个关键因子相互独立,二者对Atlantic Niño–ENSO关系的调制作用相当。总之,在关注热带大西洋影响太平洋气候变率的时候,须同时考虑印度洋特别是IOD信号的影响以及热带太平洋自身海洋初始态影响。由于观测资料长度有限,该研究基于长时间模拟资料所得的结论可作为观测结果的补充,有助于增进对热带洋盆间相互作用的理解。

亚洲区域海—陆—气相互作用对全球和亚洲气候变化的作用研究进展

围绕全球变化研究国家重大研究计划项目"亚洲区域海—陆—气相互作用机理及其在全球变化中的作用"预定的总体研究内容和科学目标,项目执行两年多以来,取得了一系列阶段性科研成果。关于气候动力学方面,项目揭示了热带印度洋—西太平洋暖池的海温变化是全球热带气候年代际变化的重要驱动力,是全球尺度副热带干旱的重要调控器;发现热带东太平洋海温存在冷舌模态,它是一个海气耦合模态,阐明在全球变暖背景下其对ENSO型态变异的作用及影响东亚气候的机理;揭示了青藏高原热力强迫的异常特征及其气候效应;提出了水平非均匀基流中行星波传播的理论,研究了其在不同东亚夏季风背景下的传播特征。关于气候预测方法方面,提出了若干有物理基础的气候预测方法,如尺度分离的降尺度预测新方法、基于北大西洋涛动(NAO)—ENSO的东亚夏季风预测模型、基于南半球环状模的东亚气候预测模型等,为业务部门提供了重要参考。关于观测方面,项目在亚洲区域海气补充观测和海洋资料同化方面也取得突出进展,成功进行了南海18°N断面海洋综合观测,为形成我国第一条南海断面长期海气观测打下了基础。在国际合作方面,项目还继续推动和领导了"亚洲季风年"(AMY2007-2012)与"东亚气候模拟"国际计划,提升了我国在该领域的国际地位。

环境胁迫对海草非结构性碳水化合物储存和转移的影响

非结构性碳水化合物在海草体内的代谢对植株的生长有重要影响。为更好地跟踪非结构性碳水化合物在海草响应环境胁迫中所起的作用,根据国内外最新文献,重点综述了光强、营养盐、盐度、海洋酸化、温度、硫化物和动物摄食等环境胁迫对海草非结构性碳水化合物储存和转移的影响。光限制和富营养化均降低非结构性碳水化合物的合成,并使之从地下根茎转移到叶;而海洋酸化却促进非结构性碳水化合物合成并向地下组织转移;盐度变化改变海草体内渗透压,需要非结构性碳水化合物的新陈代谢来维持;温度通过影响光合作用、呼吸作用、氮代谢来影响非结构性碳水化合物的合成与储存;而硫化物和动物摄食则分别通过抑制海草酶的活性和啃食海草光合组织,减少非结构性碳水化合物的合成和储存。同时指出了一些今后关于海草非结构性碳水化合物的重点研究方向:(1)海草不同生命阶段(种子休眠和萌发,发育,繁殖等)非结构性与结构性碳水化合物之间,以及可溶糖与淀粉之间的转化分配机制;(2)双环境因子或者多环境因子对海草非结构性碳水化合物的耦合作用;(3)非结构性碳水化合物作为海草床生态系统健康评价指标的研究与应用。

El Nio事件期间南海环流的异常特征

基于CORA再分析资料对南海环流的季节特征和其受ElNio事件的响应进行了分析。结果表明,冬季整个南海海区表现为一个大的气旋式环流,夏季南海北部是气旋式环流,南部是一个反气旋式环流。通过对南海海区异常流场进行MV-EOF分解,分析其前两个模态,其空间型主要体现了南海环流冬季和夏季的特征,对应的时间系数与Nio3.4_NDJ指数有很好的相关性。通过分析南海环流在1986—2008年间ElNio年份的异常流场和异常流函数场,证明了MV-EOF分解后得到的联合时间系数所反映各阶段南海环流的季节特征与ElNio事件有相关性,即在8月[0],南海南部异常流函数场表现为反气旋式环流,北部为气旋式环流,南海夏季环流被增强,且ElNio事件时间尺度越长,北部的气旋式异常流场的影响范围就越大;在12月[0],南海除了东南部外,其余整个海区异常流函数场主要表现为反气旋式环流,冬季环流被减弱;在8月[+1],南海夏季流场强度都被削弱了。

南海中南部上层的盐指与湍流混合过程

基于2012年8月12日至9月5日中国南海海洋湍流微结构剖面仪(Turbo Map)观测资料和温盐深剖面仪(CTD)资料,对南海中南部海域上层500m以浅的混合过程进行了分析。南海次表层高温高盐的水团和中层低温低盐的水团构成的垂向温盐环境,利于在该深度范围内盐指的发育。通过盐指与湍流相关参数的计算,评估了盐指在南海上层跨越等密面混合的作用。结果表明南海中部(18°N)相对于南海南部呈现高的温度耗散率(χ)、高的混合效率(Γ)、低湍动能耗散率(ε)及低浮性雷诺数(Rε)等特征,即中部盐指信号明显强于南部。但整体海域仍然呈现出"低Γ;高Rε"的湍流特征,表明盐指对混合的贡献较小,南海中南部的上层混合还是以湍流混合为主导。另外,南海南部的混合强于中部,且呈现出整体水柱均具有较强混合的特征,其原因可能和内潮与南部相对较浅而复杂的地形相互作用有关。

广州市河网水体总悬浮物变化的遥感分析

悬浮物是指悬浮在水中的固体物质,它的含量是衡量水污染程度的指标之一,同时也是影响水体光学属性的主要指标之一。珠江是我国境内的第三长河流,包括东江、西江、北江等支流,汇合至广州河段然后进入南海。该研究基于高精度光学卫星遥感数据对珠江河网悬浮泥沙含量进行评价。利用5个航次现场实测的总悬浮物及水体光谱数据,建立了基于Landsat卫星的珠江河网总悬浮物浓度遥感反演模型,并使用Landsat-7与Landsat-8数据提取了1999-2014年珠江广州段河网总悬浮物浓度。研究发现,珠江广州段总悬浮物浓度自1999年开始增加,至2002年达到最高,2002年以后存在逐步降低的趋势。该研究成果可为决策部门及广大市民提供快速、高质量、可视化的水质变化信息。

珠江口萘双加氧酶基因多样性及其与环境因子相关性分析

选取珠江口上游到下游的四个站点采用16S rRNA-DGGE方法分析了珠江口表层沉积物中微生物群落结构。结果表明:四个站点中微生物组成差别较大,并且珠江口上游的微生物多样性稍低于下游。基于萘双加氧酶基因(ndo基因)的DGGE分析则表明珠江口上游和下游区域中的ndo基因多样性(站点A1和A4)高于珠江口中游(站点A2和A3)。为了进一步探讨环境因子与ndo基因分布的相关关系,典型对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)发现站点A1中ndo基因组成主要受NH4-N影响,该基因在站点A2的分布主要与SiO3-Si正相关,而站点A4的该基因组成则与盐度的相关性较高。研究结果能为珠江口的PAHs生物降解提供重要理论参考。

1992—2011年夏季南海西部离岸流区涡流相互作用特征

本文利用南海海洋再分析产品REDOS(Reanalysis Dataset of the South China Sea)和风场资料CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform),从能量学角度探讨了1992—2011年夏季(6—9月)越南离岸流区域涡-流相互作用特征,并通过能量收支方程诊断评估了风应力、压力梯度、正压不稳定以及平流的相对贡献。以越南离岸流的强度作为分类标准,对1992—2011年划分为正异常年、负异常年和正常年。结果表明,在正异常年,涡动能EKE(Eddy Kinetic Energy)和涡势能EPE(Eddy available Potential Energy)极大值主要分布在越南离岸流附近;在负异常年,EKE极大值向南北两侧分散,EPE极大值向北延伸;在正常年,EKE和EPE的极值空间分布介于正负异常之间。斜压不稳定是EPE年际变化的主要因素,越南离岸流影响周围海域的速度和密度分布,是斜压不稳定的主要原因。而影响EKE年际变化的因素较为复杂,压力做功是最主要的影响因素,风应力做功和平流做功次之,正压不稳定最小,其中正压不稳定依赖于流速大小和由风应力旋度扰动引起的上层水平流速剪切。

2005-2009年、2011年和2013年南海东北部120°E断面秋季体积输运的年际变化

基于2005年至2009年、2011年和2013年各年九月份南海开放航次获取的南海东北部120°E断面的水文观测资料,运用了地转流诊断和模态分解两种方法,研究了该断面流场结构和体积输运的年际变化特征。2005年、2006年、2007年和2013年流场呈显著斜压特征,断面上、下层流速方向相反;而2008、2009年和2011流场垂向变化不明显,呈现准正压结构。断面体积输运沿深度分布呈现三种方式:一致向西(2005年、2007年和2011年),上西下东(2008年和2013年)和上东下西(2006年和2009年)。断面净体积输运亦有显著年际变化,在2005年出现西向最大–11.2Sv,在2013年出现东向最大9.1Sv,而在2009年仅为西向-1.2Sv。模态分解表明,准正压结构的年份,流场主要被正压模态控制,但第一斜压模态亦不可忽略;而斜压结构的年份,流场由正压模态和第一斜压模态共同主导。

西太平洋—南海地区潜热通量长期变化趋势的南北差异及成因分析

利用1958～2014年美国伍兹霍尔海洋研究所客观分析海气通量项目（OAFlux）的月平均潜热通量和相关气象要素数据,以及NCEP/NCAR再分析表面气压数据,通过Trend-EOF分析方法,本文研究了西太平洋—南海地区潜热通量的长期变化趋势。发现西太平洋—南海地区潜热通量整体呈上升的趋势,其中冬季上升趋势最强。冬季潜热通量趋势存在明显的南北差异,特别是在南海地区,南海北部为上升趋势而南部为下降趋势。南海北部以及菲律宾海地区冬季潜热通量上升的主要原因是海气比湿差的增大,而南海南部潜热通量呈下降趋势,在东侧主要原因是风速减小,在西侧主要原因是海气比湿差减小。南海潜热通量长期趋势的南北差异是风速和海气比湿差的共同作用造成的。另外,研究发现风速变化趋势受到局地环流变化的影响,在表面气压下降中心线以北地区为上升趋势,在其以南为下降趋势,而海气比湿差的变化趋势则主要取决于海表温度的变化趋势。