海洋大数据应用技术分析与趋势研究

随着各类探测设备及计算模拟的发展,科学研究进入第四范式"数据密集型发现",海洋领域亦已进入大数据时代,各类海洋大数据应用技术也成为海洋科学研究的关注焦点。本文从海洋大数据的产生到海洋大数据应用整个链条进行探讨。首先对海洋大数据的定义及特征进行了讨论;其次从技术方面,从多源感知与探测、存储与管理、分析挖掘、可视化角度对海洋大数据应用技术研究的基础和研究现状进行分析,最后从实践方面,对相关技术研究的应用现状及应用前景进行了说明,为海洋科学及技术研究发展提供重要参考依据。

雅浦海沟沉积物的生物地球化学特征及其海洋学意义

通过对雅浦海沟4 500和6 500m两个深度的柱状沉积物的含水率、总有机碳和多种地球化学元素含量的测定,总结分析了这些参数的垂向变化规律,采用元素比值法追溯沉积物的物质来源和氧化还原环境变化,并结合扫描电镜确定了沉积物中的生物化石组成,探讨了化石分布特征与地形结构、深海环流及板块运动之间的关系。结果表明,位于碳酸盐补偿深度以上的4 500m深度深渊沉积物自上而下由含硅质黏土逐渐向钙质软泥过渡,其中的沉积断层可能与深海环流或滑坡有关;位于碳酸盐补偿深度之下的6 500m深度超深渊沉积物属于硅质软泥,可能是重力流导致的表层沉积物堆积,这种沉积作用有利于有机碳的埋藏。该区域沉积物主要来自海洋生物源、陆源和火山源;底层流属于氧化环境,可能有南极底层水的流入。第四纪以来,雅浦海沟应无大规模火山喷发,而海沟东侧的卡罗琳海岭由于板块俯冲作用在不断下沉。

基于水淘选分级的长江口最大浑浊带附近颗粒有机碳的来源、分布和保存

从分粒级的角度研究大河河口颗粒有机碳的输送特征是深刻理解河口淡咸水混合过程中有机碳的生物地球化学过程的关键。于2011年6月采集了长江口最大浑浊带附近盐度梯度下的表层悬浮颗粒物,采用水淘选方法对其按照水动力直径大小进行了分级分离,分析了这些颗粒物的有机碳含量、稳定碳同位素组成及颗粒物比表面积等参数,讨论了不同粒级颗粒物上有机碳的来源、分布和保存随盐度的变化特点及其影响因素。结果表明,随着盐度的增加和粒径的增大,长江口最大浑浊带附近分级颗粒有机碳逐渐降低,颗粒有机碳含量主要集中在小于32μm的粒级。相对于长江干流,长江口颗粒有机碳含量偏低,可能归因于河口最大浑浊带附近特殊的生物地球化学作用,如细颗粒物絮凝——沉降、微生物分解等。基于蒙特卡洛模拟的三端元混合模型的计算表明长江口分级颗粒有机碳主要来源于河流和三角洲输入,海洋来源贡献较小,三者的平均贡献比例分别为40%、35%和25%。在河口盐度梯度的淡水端,不同粒级颗粒物上三角洲来源的有机碳比例均随着盐度升高而增加,而在咸水端,海源有机碳的贡献比例升高,尤其是在16-32μm粒级,最高达39%。32-63μm粒级的颗粒物单位比表面积有机碳含量均大于1.0mg/m^2,小于32μm的颗粒物单位比表面积有机碳含量均在0.4-1.0mg/m^2的范围之内,符合河流颗粒物的一般特点,同时也说明细颗粒物上的有机碳可能已经发生了一定程度的分解,不过相对于长江口表层沉积物,颗粒物单位比表面积有机碳含量普遍较高,表明这些颗粒有机碳在沉降过程中或沉积之后还要经历进一步的再矿化分解,初步的估算表明,长江所输送的陆源有机碳约71%会在沉积过程中损失掉。本研究有助于深入了解大河河口不同粒级颗粒物在有机碳迁移转化过程中的作用,深化对高浊度河口有机碳生物地球化学过程的认识。

基于水淘选分级的长江口及其邻近海域表层沉积物中有机碳的来源、分布和保存

从分级的角度认识大河三角洲前缘河口沉积有机碳的来源、分布和保存对深刻理解全球碳循环具有重要意义。于2012年6月采集了长江口和浙闽沿岸共6个站位的表层沉积物样品，采用水淘选的方法按照颗粒物水动力直径大小对其进行分级分离，分析了这些分级样品的有机碳含量、稳定同位素、比表面积以及木质素等参数，并且结合蒙特卡洛模拟的三端元混合模型，讨论了此区域不同粒级沉积有机碳的来源、分布和保存特点。结果表明，长江口表层沉积物的有机碳在小粒级中含量较高，如816μm 粒级有机碳含量的均值为1．30％，而3263μm 粒级的均值为0．90％，但是大粒级有机碳对沉积物有机碳的贡献最高（81．3％），这是因为大粒级的质量贡献占绝对优势（72．0％）。三端元混合模型的计算结果表明，长江口表层沉积物中沉积有机碳的贡献以海洋来源为主（平均为73％），土壤和维管植物也有一定贡献（平均值分别为21％和6％）。在小粒级（816μm）中，土壤对于沉积有机碳的贡献显著高于其他粒级，这是由于土壤有机质比较容易富集在细颗粒上。木质素的参数，如 C／V（0．040．32）和 S／V（0．331．23），显示长江口表层沉积物主要来源于草本和木本被子植物的混合，随着粒级的增大，草本被子植物的来源逐渐增多。浙闽沿岸分级沉积物的 OC／SSA＜0．4 mg／m2，而长江口的站位中 OC／SSA＞0．4 mg／m2，表明长江口沉积有机碳的保存效率比浙闽沿岸的高。木质素降解参数，如（Ad／Al）v、3，5－Bd／V 和 P／（S＋V）随着粒级的增大逐渐降低，表明小粒级降解程度较高，而大粒级中降解程度较低。

生物炭对宁夏低质土壤中油菜生长及氮素利用的影响

宁夏地区的淡灰钙土壤养分含量低、保水性差,已成为该地区农业生产的主要限制性土壤.近年来,生物炭在土壤改良方面表现出的巨大潜力,为淡灰钙土壤的改良提供了一种新途径.本文采用花生壳生物炭（BC）及其改良剂（AD）,分别按照0％、1.5％、3％和5％ （w/w）的量添加到淡灰钙土壤中,采用室内盆栽试验探究其对“宁杂1号”油菜（Brassica napus L.）生长及氮（N）素利用有效性的影响.研究表明：BC的添加对油菜生物量和株高无显著影响,但显著增加了N的利用有效性,增幅达31.3％～31.9％.AD的施用使油菜生物量和株高分别增加了106％～140％和30.7％～35.0％,但对N的利用有效性无显著影响.AD增产的主要原因可能是AD中的养分弥补了BC养分不足的缺陷,增强了油菜的根际效应,从而促进了油菜生长.可见,宁夏淡灰钙土壤中BC的施用能减少油菜对N肥的需求,而AD能显著提高油菜产量.这些研究结果为开发适宜于北方干旱地区低质土壤改良的生物炭技术提供了重要的理论数据.

长江口表层沉积物中有机碳的来源、分布与成岩状态

在长江口及其邻近海域采集了表层沉积物样品,分析了粒级组成、有机碳(OC)含量及其稳定同位素丰度(δ13 C)、木质素和沉积色素含量和相关指标,并结合基于蒙特卡洛模拟的三端元混合模型,讨论了此区域沉积有机碳的来源、分布和成岩状态。结果表明,长江口表层沉积物中OC含量为0.21%~0.63%,长江口泥质区和浙闽沿岸OC含量较高,而河口外陆架上含量较低;δ13C为-23.1‰^-20.9‰,显示沉积有机碳是海洋和陆地来源的混合。木质素含量(Λ8)为0.16~1.41mg/100mg OC,其组成特点显示了木质素的草本和木本被子植物的混合来源。沉积色素以叶绿素的降解产物为主,主要分布在河口外陆架上;类胡萝卜素中以岩藻黄素为主,表明硅藻是此区域浮游植物的优势类群。以δ13 C和Λ8为来源指标的端元混合模型显示长江口沉积有机碳主要来自海洋浮游植物,其贡献为54.3%~88.1%(平均70.2%),从河口向陆架逐渐升高,其次是土壤(9.3%~32.1%,平均22.3%)和C3维管植物(2.7%~13.6%,平均7.5%),两者贡献均在长江口和浙闽沿岸附近较高。沉积物粒级组成、OC含量、δ13C丰度和生物标志物含量之间显著的相关性和分布一致性表明水动力分选过程在决定陆源OC(包括土壤和C3维管植物OC)在河口外的输运和分布中发挥了重要作用。富含木质素的新鲜植物碎屑主要与粗颗粒物相联系,并主要沉积在河口附近,而贫木质素的土壤有机碳则主要赋存在细颗粒物上,可输运到离河口较远的位置。木质素降解参数,如酸醛比、3,5-Bd/V和P/(S+V)在长江口外陆架上的砂质区域相对较高,显示此区域陆源有机碳降解程度较高,而叶绿素降解产物的比例在长江口泥质区较高,则可能与泥质沉积物中较强的有机碳再矿化作用有关。

以甲氧基苯甲酸为配体的两个双核铜配合物的合成、晶体结构和理论计算（英文）

以2-甲氧基苯甲酸(HL1)、2,3-二甲氧基苯甲酸(HL2)及甲醇为配体,合成了配合物Cu2(L1)4(CH3OH)2(1)和Cu2(L2)4(CH3OH)2(2),并通过红外、元素分析、X-射线粉末和单晶衍射等研究手段表征了其结构。配合物1属单斜晶系,空间群P21/n;配合物2属三斜晶系,空间群P1。2个配合物都具有双核铜结构,由2个铜离子、4个L配体分子和2个甲醇配体分子组成,其中配体L通过双齿配位模式与铜离子配合。研究了2个配合物的热稳定性,并通过Gaussian 09软件密度泛函理论B3LYP方法进行了理论研究。

长江口水淘选分级颗粒物中有机碳的来源、分布与降解

对河流颗粒有机碳的来源和归宿的认识是全球碳循环研究的重要方面,而从分级的角度研究颗粒有机碳的输运过程,有助于深入了解其迁移转化过程。于2012年3月采集了长江口的表层悬浮颗粒物,采用水淘选法对其进行了分级分离,分析了这些颗粒物的有机碳含量、稳定碳同位素丰度及木质素等参数,结合颗粒物的质量百分组成,讨论了不同粒级颗粒物有机碳的分布、来源及降解情况。从质量分布上来说,长江口悬浮颗粒物的主要组成部分是〈32μm粒级的颗粒物。随粒径增大,颗粒有机碳的含量逐渐降低,但并不是最小粒级赋存最多的有机碳,大部分站位颗粒有机碳集中在16~32μm粒级颗粒物上（55%以上）。粗颗粒物（〉63μm）中有机碳含量低,N/C比较小,13 C较亏损,木质素含量较高,说明粗颗粒物中陆源有机碳的贡献较大,而在细颗粒物,尤其是〈8μm和8~16μm颗粒物中,除δ13 C外,其它参数的变化均与粗颗粒物的相反,其13 C则比粗颗粒物还要亏损,说明在这些粒级中,除了陆地高等植物外,土壤有机碳或淡水浮游植物的贡献可能也很重要。长江口不同粒级悬浮颗粒物的C/V值和S/V值均较小,表明颗粒物中木质素是被子植物组织与裸子植物组织的混合来源。随粒径增大,木质素降解参数,如（Ad/Al）v、P/（S＋V）和3,5-Bd/V均逐渐降低,表明细颗粒物中木质素的降解程度最高。

海底浊流研究百年回顾

本文概括性地回顾了一个多世纪以来浊流研究的历史和发展过程。浊流既是解决许多海洋地质学和沉积学基础科学问题的关键,又与海洋资、能源和海底灾害防护等应用性研究息息相关,多国科学家近百年的努力在浊流理论的发展、实验室水槽数据采集和数值模拟的优化等方面都有很大的进步。但由于浊流的不可预测性和破坏性,如何在现场实时、连续地对浊流实施观测至今仍然是浊流研究的瓶颈。南海东北部海域集天时、地利于一体,在此实施多学科浊流现场观测研究有望实现在‘破坏性’浊流的机制、过程、和沉积响应研究方面的突破。

试验型水下滑翔机的动力学分析及实验（英文）

水下滑翔机是一种新型的无推进装置的水下运载器,它是由净浮力来驱动的,同时通过内部的直线驱动器来改变重心的位置以实现姿态的调节。对于大多数水下滑翔机,浮力机构是通过改变自身排水体积来实现的,文中介绍了一种变重量的水下滑翔机的设计、动力学分析以及实验过程,该浮力调节机构主要由单向水泵和三位五通电磁阀组成,最大下潜深度为30米。文中介绍了水下滑翔机的运动方程和动力学特性,并且给出了在稳定时刻的解,并且通过计算流体力学的方法对水下滑翔机的水动力特性进行了分析。仿真和实验结果证明了该水下滑翔机的可靠性及实用性。

花生壳及中药渣混合生物炭对铅污染土壤的修复研究

以花生壳和中药渣为原料,于400℃下热解制备生物炭,并将两者按1∶1(w∶w)比例混合作为修复剂用于Pb污染土壤修复,研究发现,土壤总Pb含量为1 000mg·kg^(-1)时,生物炭添加量为5%(w/w)时,土壤pH增加了0.93个单位,有效态Pb含量降低了90%,印度芥菜(Brassica juncea L.)的生物量和株高分别提高了35%和57%,植株中Pb含量减少了83.3%~84.2%。由于根际作用的影响,印度芥菜根际土pH下降了0.43~0.57个单位,这可能会使土壤中的Pb被活化,对生物炭固持Pb的作用产生负效应。然而,研究中发现,在5%的生物炭添加量下,虽然根际土pH下降,但根际土与非根际土的有效态Pb含量无显著性差异,表明在这样的试验条件下,生物炭对土壤中Pb的固持作用占主导。这些研究结果为开发适宜于重金属污染土壤修复的功能生物炭以及生物炭技术建立提供了重要的理论数据。

胶州湾海水甲烷氧化速率的水平与垂直变化初步研究

系统考察2014年4月胶州湾海水中甲烷的氧化速率。通过一系列的海水培养实验,采用气相—稳定同位素比值质谱仪(GC-IRMS)追踪了培养样品中δ13 CH4的变化,计算了胶州湾海水的甲烷氧化速率(MOX)。结果表明:胶州湾表层水中甲烷的氧化速率的变化范围为3.7~255.5nmol·L^(-1)·d^(-1),平均值为(104.7±89.7)nmol·L^(-1)·d^(-1)。底层水中甲烷的氧化速率的变化范围为38.2~227.1nmol·L^(-1)·d^(-1),平均值为(148.9±76.2)nmol·L^(-1)·d^(-1)。总体而言,在胶州湾东部和西部,特别是海泊河口、洋河河口附近的水域,表层海水中甲烷氧化速率的分布都明显呈现出近岸高,远岸低的趋势。胶州湾甲烷的氧化速率与溶解无机碳浓度的变化以及甲酸的含量呈较明显的线性正相关。根据甲烷氧化速率估算出胶州湾氧化甲烷的量为1.15×108 mol/a,该值相当于胶州湾甲烷海-气通量的6.4~14.3倍。

一种新型水下升降装置着底碰撞动力响应分析

建立了碰撞结构动力方程,通过能量守恒理论得到了碰撞力,采用中心差分方法对动力方程进行了数值求解,并对一种配套某重载作业型无人遥控潜水器(Remote Operated Vehicle,ROV)的新型水下升降装置进行了着底碰撞结构动力响应数值仿真,考察了碰撞过程中升降装置整体速度、有效应力、弹塑性变形的变化及二次碰撞现象,对5种常见着底工况的仿真结果对比,分析着底速度对碰撞结构动力响应的影响,为水下升降装置的结构设计和配载选择提供理论依据.

2015年1月中国南方大范围持续暴雨的过程分析

2015年1月中国南方地区出现了一次长达6天的大范围持续性极端强降水过程,多地降水量突破同期极值。本文利用NCEP再分析资料和全国194站降水观测资料,使用合成和诊断分析方法,对此次降水的成因进行了分析。分析结果表明:(1)降水过程的环流型为经向环流型,副热带地区的波动中心更为明显,波动振幅更大。Rossby波能量在地中海中东部-里海地区侵入副热带西风急流,随后波动能量沿急流波导向中国南方传播,约2天后南支槽发展加深。中国南方地区处在高空东亚西风急流的入口区,西风分量小,Rossby波移动缓慢,南支槽能够在中国南方地区维持一段时间,为降水提供了稳定的环流形势。(2)持续偏强的南支槽和西太平洋副热带高压使得暖湿空气源源不断的从孟加拉湾和中国南海输送到中国南方,降水区域随着南支槽和副高的东移而移动。对流层高层强烈的辐散运动为强降水天气的发生提供了动力性上升条件,上升运动区和水汽辐合区对应良好。(3)地中海中东部-里海位势高度异常中心的强度和位相变化超前中国南方降水两天左右,所以分析地中海中东部-里海地区的位势高度变化,对预测我国南方地区的降水有着很好的指示作用。

一种用于蛋白质分析的新型聚丙烯酰胺电泳胶

十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)是用于分离检测蛋白质的重要技术。本研究在对商品化的SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳胶的专利配方进行研究总结后,对胶体配方进行关键改进,得到以三异丙醇胺为核心物质的新型SDS-聚丙烯酰胺电泳胶配方。通过对新型SDS-聚丙烯酰胺凝胶和传统Laemmli胶的电泳对比实验,并对蛋白质谱带在两种胶上的迁移率R_f-log Mr图进行线性回归分析,结果表明,新型胶体对蛋白质具有较好的分离效能,且电泳速度更快。对两种胶体进行加速寿命实验的结果显示,新型胶体在37℃恒温条件下保存12d以上仍能够保存正常的分离效能,相当于在4℃条件下可保存12个月,保质期显著优于Laemmli胶。

西太平洋雅浦海沟区海水中CH_4和DMSP的垂直变化特征

本研究首次探究了西太平洋雅浦海沟北段从表层到超深渊海水中甲烷(CH_4)及二甲基硫(DMS)的前体物质二甲基巯基丙酸内盐(DMSP)的浓度变化情况。结果表明:雅浦海沟海水甲烷浓度变化范围为1.49~3.87nmol/L。其上层海水甲烷平均浓度最高,有明显的次表层极大现象。雅浦海沟氧最小层海水的甲烷平均浓度最低;在500~1 000m中层水中甲烷浓度有一定程度的增大,1 000m以下至底层甲烷浓度继续升高。研究海区溶解态DMSP(DMSPd)和总DMSP(DMSPt)平均浓度的垂直变化随深度呈先增大后减小趋势,颗粒态DMSP(DMSPp)的平均浓度随深度呈波动式变化,在中层达到最大。雅浦海沟CH_4和DMSP浓度垂直变化受浮游生物、微生物、光照、温度、压力、大洋环流等的复杂影响。在真光层海水中,CH_4浓度与DMSPd、DMSPp和DMSPt浓度表现为负相关关系,在200m至底层海水中,CH_4浓度与DMSPd、DMSPp和DMSPt浓度表现为正相关关系,显示光照条件是造成雅浦海沟不同深度海水CH_4和DMSP浓度相关性差异的关键因素。

多重压力下近海生态系统可持续产出与适应性管理的科学基础

本项目围绕"多重压力影响下近海生物地球化学过程对典型生态系统功能的作用机理"和"典型生态系统的资源可持续利用对多重压力的响应"这2个关键科学问题,针对多重压力对近海生态系统产出的影响进行深入的研究,提高预测的水平,为实现我国近海生态系统的可持续产出与适应性管理提供科学依据。项目选择东海陆架与山东半岛为研究对象,以生物地球化学过程与食物网的相互作用为主线,紧扣2个科学问题开展了以下3个方面的研究工作:多重压力对近海典型生态系统中生物地球化学循环的调控作用、东海陆架缺氧区生态系统的功能对多重压力的响应过程和近海典型增养殖区的食物生产对多重压力的适应性响应机制。通过项目的实施,提高了海洋生态系统多学科交叉与整合研究队伍的能力建设,进一步丰富和完善了近海生态系统数据系统和资料共享平台。

利用环境噪声互相关实现散射体无源成像

最近研究表明利用环境噪声的互相关可以恢复两点之间的时域格林函数(声脉冲响应),这一原理在文献中被称为格林函数恢复。基于此原理,通过对多个传声器所接收的环境噪声进行互相关处理,获取与散射体相关联的散射波的到达时延信息,结合最小二乘反演算法和改进克希霍夫移位算法,分别获得道路交通噪声场中石柱以及海浪噪声场中塑料桶的空间位置,且其估计结果与实际测量相一致。实验结果表明将环境噪声作为探测信号进行散射体无源成像是可行的。这为设计室内无源声监测系统以及通过海洋环境噪声实现对水中静默目标成像提供了新思路和有益参考。

调水调沙对黄河下游颗粒有机碳输运的影响

流域内各种自然过程及人为活动对河流有机碳的输运都会产生影响,而正确认识河流有机碳的输运过程是全球碳循环研究的重要方面.于2012年调水调沙期间(6月19日至7月20日)在黄河利津采集了表层悬浮颗粒物,进行了粒度组成、颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)及其稳定同位素丰度(δ13C)等参数的分析,用来研究调水调沙期间POC的来源、组成和丰度的变化规律与影响因素.结果表明,2012年黄河调水调沙可以根据径流量和输沙量的变化分为排水和排沙两个阶段,这两个阶段黄河水沙及POC和δ13C的变化,体现了调水调沙对颗粒物及其赋存有机碳来源的影响.排水阶段径流量高达4 270 m3·s-1,下游河道被冲刷,使底层泥沙再悬浮,因此这一阶段颗粒物粒径较粗(平均中值粒径13.9μm),有机碳含量较低(平均0.38%),δ13C偏正且稳定(-24.2‰±0.3‰),可能与底层泥沙中POC年龄较老、降解程度高有关;排沙阶段含沙量大(可达17.8 kg·m-3),颗粒物较细(平均中值粒径5.9μm),有机碳含量较高(平均0.50%),δ13C偏负且波动较大(-24.8‰±0.6‰),这与颗粒物主要来自上游水库和下游暴雨冲刷河岸,POC相对新鲜有关.2012年调水调沙期间POC日通量与输沙量的变化一致,总输送量约为1.13×105t,占全年POC输送量的12%.与往年相比,2012年黄河调水调沙时期径流量增大,但输沙量和POC通量有所减小.由此可见,调水调沙对黄河颗粒有机碳的输运有重要影响,而颗粒有机碳在调水调沙期间不同阶段也有明显不同的来源、组成和输运模式.

一种宽带噪声信号的深海会聚区判别方法

当目标位于不同会聚区时,其到达接收器的信号具有很强的相似特征,传统的匹配场处理模糊度表面中在不同会聚区会出现高旁瓣,当存在失配时还会导致定位错误,从而带来了难以识别目标所在会聚区的问题.本文针对会聚区判别模糊问题,根据声源在空间分布上的稀疏性,利用不同会聚区信号在频域上的起伏特征差异,基于压缩感知理论,提出了基于l1优化匹配处理的会聚区判别方法.对比传统匹配场处理方法,该方法具有高分辨性能,在有限的采样数据条件下,能有效抑制会聚区判别的旁瓣模糊问题.计算机仿真和海上拖线阵实验数据处理验证了该方法的有效性.