黑潮主轴弯曲对西北太平洋柔鱼资源补充量影响的动力学分析

为研究黑潮主轴弯曲产生的物理环境变动对柔鱼(Ommastrephes bartarmii)资源补充量的影响,采用物理模型(FVCOM-Global)耦合个体模型(IBM)的方法模拟西北太平洋柔鱼冬春生群早期生活史阶段(70 d)的输运分布和资源补充量,利用3月份黑潮主轴线140°E重心最南点位于32°N以南来判断大、小弯曲的路径与柔鱼资源补充量的相关性。结果表明:2007—2016年西北太平洋柔鱼的资源补充量有年际波动,该波动与3月份黑潮主轴弯曲有明显相关性(R^(2)=0.71),即黑潮主轴呈小弯曲年份时,柔鱼仔幼鱼被向北或东北即25°N以北、145°E以东的海域输运,在该海域中分布的柔鱼仔幼鱼数量占比越高,相对补充量就越高,并呈现较好的正相关性(R^(2)=0.89),其过程中产生的黑潮暖流流量在25°N以北海域体现明显,在流速为0.2~0.6 m/s、平均水温为20.2℃且等温线偏北的情况下,可导致该海域柔鱼仔幼鱼群的分布更加密集;在垂向分布上,不同年份垂向分布与补充量存在一定的正相关性(R^(2)=0.65)。研究表明,3月份黑潮主轴弯曲是影响柔鱼资源补充量的关键因素之一,这为预测当年柔鱼资源补充量的丰歉提供了科学依据。

河口海岸生态系统生态阈值及环境管理应用进展

河口海岸生态阈值是促使生态系统从相对稳定的动态平衡状态发生骤然转变的环境变量的值,对于研究河口海岸生态系统演变以及开展区域生态修复具有重要意义。本文梳理了部分盐沼、海草床、珊瑚礁、海带床等典型生态机制转换事件的阈值结果以及国内外生态阈值在河口海岸生态系统的应用管理情况,结合当前国内从环境保护转变到生态保护的环境管理需求,提出了生态阈值在环境管理中的思考和建议。阈值因子的选择既可以反映河口海岸的自然特征,又可以反映人类活动的某个方面;在气候变暖的大背景下,生态阈值的目标应该关注系统的完整性;须加强空间尺度、气候变化对生态阈值的影响,海陆自然条件与社会经济条件的耦合与机理过程研究。

基于超像素块聚类与低秩特性的高光谱图像降噪

高光谱图像通常受到高斯噪声、脉冲噪声、死线和条纹等干扰,因此去噪必不可少。现有基于低秩特性的降噪方法通过引入空间信息改善了降噪效果,但由于其只利用了局部相似性或非局部自相似性,而对在光谱维度存在一定结构信息的稀疏噪声去除效果较差。本文提出了基于超像素块聚类与低秩特性的高光谱图像降噪方法,实现了分块的自适应划分与聚类,在较好地保留了局部细节的同时又充分利用了非局部空间自相似性,且实验表明聚类后的超像素块组成的同物分块具有良好的空-谱双重低秩属性。该方法首先对高光谱图像进行超像素分割,再对超像素块进行聚类,得到同物分块;然后对其建立低秩矩阵恢复模型并求解,最终得到降噪后图像。本文分别在模拟数据和真实数据上进行实验,并与其他基于低秩特性的方法进行比较,结果表明:本文方法对混合噪声,尤其是具有一定结构信息的稀疏噪声具有较好的降噪性能。

融合密集特征金字塔的改进R^(2)CNN海洋涡旋自动检测

海洋涡旋演变过程认识的不足是制约当前物理海洋研究水平的关键因素,海洋涡旋自动检测是掌握其产生、发展、变异过程机理及其与多尺度海洋过程相互作用的基础。然而,由于海洋涡旋尺度多样性、形状不规则、分布密集的特点,现有水平检测方法导致检测区域存在显著的冗余、重叠与嵌套。为解决上述问题,提出多尺度旋转密集特征金字塔网络。具体地,通过密集连接(dense feature pyramid network,DFPN)改进特征金字塔网络实现多尺度高层语义特征提取与融合,增强特征传播与特征重用;此外,针对海洋涡旋密集分布的特点,改进旋转区域卷积神经网络(rotational region convolutional neural network,R^(2)CNN),提出多尺度RoI Align机制,实现特征的语义保持和空间信息的完整性,提升模型检测性能。最后,采用海平面异常值数据构建海洋涡旋数据集,并预处理成VOC格式进行训练,调整相应参数得到检测模型。实验结果表明,提出的检测模型最优检测精度可达96.4%,并对太平洋、大西洋海域的海洋涡旋进行自动检测,验证了模型具有较好的泛化能力。

2021年11月7日山东极端暴雪过程降水相态的多源观测特征分析

利用自动气象站、双偏振雷达、毫米波云雷达、温度廓线仪和ERA5逐小时再分析资料等,分析了2021年11月7日山东西部地区暴雪甚至特大暴雪过程中降水相态的多源观测资料特征。研究表明:此次过程主要受西风槽、低涡切变线和冷锋共同影响,系统斜压性强,有低空急流配合,降雪持续时间不长,但小时雪强大,山东的西部地区出现大范围暴雪局地特大暴雪的极端降雪。多源观测资料较好地捕捉到此次过程降水相态及变化信息。风廓线雷达的风和垂直速度,双偏振雷达的相关系数和0℃层亮带,毫米波云雷达的反射率、垂直液态水含量、速度和谱宽,温度廓线仪的边界层温度及二维视频雨滴谱仪的粒子二维图像和信息都可以作为降水相态判断的指标,为0~1 h短时临近预报提供参考。此次过程地面降温非常迅速,雨快速转雪,雨雪混合持续时间短。地面降温是强的负温度平流、垂直运动和非绝热作用共同导致,其中,负温度平流作用最大,非绝热次之,垂直运动作用最小。负温度平流强,且负温度平流强度随高度降低而增强,导致地面呈现出快速降温的特征。

基于多周期趋势分解和两级融合策略的浪高预测方法

不同海区的近岸海浪浪高具有明显差异性。针对当前大部分时间序列预测模型缺乏对不同地区(多源)浪高预测的适应性难题,提出了一种基于局部加权回归的多周期趋势分解(Seasonal and Trend decomposition using Loess,STL)和两级融合策略的浪高预测模型,简称为MSTL-WH(Multiple STL-Wave Height)。结合多源近岸浪高时间序列的多周期性、非线性和非平稳性的特点,首先利用周期图法提取多源近岸浪高数据集中的4个主要周期,并基于主要周期进行多次STL分解,将复杂的原始浪高序列分解为周期项、趋势项和余项;然后利用长短期记忆网络(Long Short Term Memory,LSTM)并结合两级融合策略,搭建近岸浪高预测网络;最后使用自注意力机制重新调整权重并输出未来12 h的浪高值。通过与当前主流时间序列预测方法对比,验证了所提方法在多源近岸浪高序列预测中具有较好的实用性和更低的预测误差。

基于稀疏表示和学习图正则的高光谱图像特征提取

针对传统局部特征提取算法难以确定邻域参数,以及仅考虑数据间的单一结构而漏掉重要信息的问题,提出一种基于稀疏表示和学习图正则的局部判别与全局稀疏保持投影算法。该算法首先对稀疏表示模型施加基于学习的图正则器,用该改进的稀疏表示模型自适应揭示样本数据间的局部线性结构,通过局部判别模型全局集成算法来提取局部线性结构中的判别信息;利用基于学习图正则稀疏表示模型构建的新型稀疏图来揭示数据间的全局稀疏结构;使得数据的局部判别结构和全局稀疏结构在低维特征空间得以保持。通过1-近邻和支持向量机分类器对实验结果进行评估,在PaviaU和Indian Pines两个高光谱公共数据集上的实验显示,提出的局部判别与全局稀疏保持投影算法较对比算法取得了最好的性能,由于提取了全局和局部的判别信息,有效提升了高光谱图像的地物分类精度。

基于信息熵种子点选取的流线可视化

有效的种子点选取方法是影响流线分布洞悉流场特性的关键。在保持流场变化规律与重要特征准确描述前提下,为了解决由过多流线所导致的遮挡与杂乱问题,提出了基于贪婪策略和蒙特卡洛的两种种子点选取方法。基于贪婪策略的种子点选取方法通过流场信息熵的计算,对流场中的关键特征具有高度敏感性。基于蒙特卡洛种子点选取方法根据均匀随机分布函数生成输入,基于信息熵计算输入点影响半径确定流线分布。通过多个数据集对两种选取方法实验,结果表明基于贪婪策略选取方法可高效捕获流场的关键特征,基于蒙特卡洛方法选取流线更加均匀,保持了流场全局变化规律,两种方法的结合得到更优化的流场可视化效果。

一种多元台风时间序列的相似性度量方法

台风相似性度量方法的研究对防灾减灾、辅助决策等具有重要意义,台风相似性的研究大多集中在台风路径的相似性度量上。首先,梳理影响台风相似性度量的多个要素,提出了基于多元时间序列的台风数据描述方法;其次,提出了台风时间序列完整性、一致性评估与修复方法;最后,针对台风时间序列的不等长问题,设计了一种基于主成分分析和动态时间弯曲距离的相似性度量方法。通过实验验证,该方法能够实现台风相似性的有效度量。

鲐鱼生活史及模型应用研究进展

鲐鱼Scomber japonicus是太平洋、大西洋和印度洋的主要经济鱼类之一,是暖水性远洋中上层洄游性鱼类,在中国近海渔业中具有重要的地位。鲐鱼早期生活史会受多种环境因素的影响,气候变化、海洋环境的改变均会对鲐鱼资源补充量产生影响,通过构建模型可以更好地对鲐鱼资源量补充进行模拟和预测,为其资源管理提供科学依据。本文综述了鲐鱼的生物学特性、早期生活史与环境因子间的关系、环境变动对其早期生活史中生存、生长和资源补充量的影响、相关生态模型等在鲐鱼上的应用,并对未来掌握全球气候和环境变化对鲐鱼资源的生态响应及鲐鱼资源中长期预测提出相应的建议,以期为鲐鱼渔业发展战略提供参考依据。

海上突发环境事件生态系统服务损失评估进展

评估海上突发环境事件对生态系统服务造成的损失,对落实生态损害赔偿制度、保证生态系统服务与功能正常发挥具有重要意义.基于生态系统服务的定义,明确了生态系统服务损失的内涵,是除直接经济损失外,生态系统产生的供给、调节、文化和支持等公益服务的损失.阐述了国内外关于海洋生态系统服务损失评估的研究现状及实践,重点介绍了美国自然资源损害评估(NRDA)体系中生境等价分析法和资源等价分析法的基本假设与主要步骤,通过等价分析法确定生态恢复工程的规模,并结合生态系统服务价值评估的研究成果确定损失.我国学者借鉴NRDA体系等开展了大量研究,提出环境损害鉴定评估、溢油生态损害评估等方法,并在“塔斯曼海”号溢油、蓬莱19-3油田溢油等典型案例中进行应用及优化,比较了不同评估方法差异及影响因素.评估损失必须首先确定事件对海洋生态的影响范围与影响程度、受体类型及敏感度等关键因子,可采用现场监测、遥感及扩散模型等方法确定影响范围与程度,在实践中一般需要综合应用、互相补充.从管理和技术层面,分析了我国海上突发环境事件生态系统服务损失评估研究现状与应急管理需求的差距,在此基础上建议:①建立健全法律体系,细化生态损害评估的责任、内容和要求,明确将生态系统服务损失纳入生态损害赔偿;②构建技术评估体系,根据化学品性质、生态系统类别及特征等,分类出台一系列技术标准;③建议在遥感遥测技术、化学品泄漏数值模型等方面进一步开展研究,提高准确度和时效性.

基于多属性最优化的海洋监测数据副本布局策略

数据的完整性和可靠性是保证其能被高效访问的关键,尤其是在云存储环境中,数据副本策略是影响系统性能和保障数据可用性的核心。从数据副本布局的角度,提出了基于多属性最优化的数据副本布局策略(Data Replica Layout Strategy based on Multiple Attribute Optimization,MAO-DRLS)。该策略根据数据的访问热度和存储节点的关键属性特点,为每个数据设置动态的副本数,并选择合适的节点对副本进行布局。实验表明,MAO-DRLS策略能够有效地提升数据副本的利用率,缩短系统的响应时间。

一种基于时间序列分析的赤潮预测新方法研究——以浙江海域为例

根据1989—2018年《中国海洋灾害公报》及浙江省海洋监测预报中心提供的1981—2019年监测数据,统计分析了浙江海域赤潮的发生次数长期变化和季月波动特征。基于月发生次数的时间序列,建立了一种以数据驱动为核心、简易实用的赤潮预测模型,并对2019年进行后报检验。结果表明:(1)近40 a浙江海域赤潮发生次数呈"低频发生-爆发增长-缓降波动"3段式年际变化规律,同时97.5%集中爆发在春夏季,其中5月爆发次数最多;(2)通过数据差分处理和参数检验,最终确定的最优时间序列预测模型为ARIMA(1,1,1)(1,1,0)12,且残差通过白噪声检验,拟合优度系数为0.68,绝对误差控制在两次以内的样本占总数的84%,具有可预测性;(3)模型经浙江海域2019年逐月赤潮后报预测检验,其年相对误差为14%,月绝对误差在两次以内,预测结果理想。在目前赤潮发生机制尚不完全清楚的情况下,利用ARIMA模型进行赤潮发生次数的年际和季节特征预测是一种经济且有效的途径,也是赤潮灾害年度趋势预测方法和业务化预警技术的新尝试和有效补充。

基于数值模式的苏北浅滩海域单站最大风速和极大风速预报方程建立

利用苏北浅滩海域预报和观测数据,基于平均风速与最大风速、最大风速与极大风速的高度相关性,以及高精度数值预报产品,运用统计分析方法建立了苏北浅滩5个测站大风(风速≥10.8 m/s)发生时逐时最大风速和日极大风速的预报方程。通过检验发现:单站一元一次客观预报方程能准确地预报逐时最大风速,5个测站最大风速预报平均绝对误差为1.30 m/s,预报评分在81~85分之间,预报误差大于4 m/s的样本数在2%~6%之间。区分天气形势进行分析,冷空气最大风速预报精度最优,台风次之。日极大风速预报平均绝对误差为1.99 m/s,预报评分在65~76分之间,预报误差大于4 m/s的样本数在5%~10%之间。最大风速和日极大风速客观预报方程的效果都比较理想,但是对8级风速以上(风速≥17.2 m/s)的预报结果偏小。

危险化学品分类体系现状及在海洋环境应急监测中的应用

综述了国内外危险化学品分类体系,以苯乙烯为例,参考欧盟SEBC体系,建立了危险化学品海洋环境应急监测信息卡,内容包括分类、索引号及纳入名录,理化性质及行为特征判断,健康危害及防护要求,检测方法及评价标准等4类信息。建议进一步筛选海洋污染事故涉及的典型或高危化学品,细化SEBC体系,加强快速检测技术研究,构建适应我国海洋环境应急监测需求的危险化学品分类体系和数据库。

区域海洋减灾能力评估指标体系构建与权重量化

为有效开展防灾减灾,需要充分了解区域海洋减灾能力现状,从而科学确定未来减灾能力建设的优先领域及重点工程。首先梳理了能力评估与灾害管理阶段、能力建设优先领域、能力评估对象与建设主体等要素之间的关系,以及评估指标体系共性设计与区域个性的关系;其次,通过组织部门及地方的相关减灾机构与专家开展多方参与式讨论,综合了海洋、水文、气象、民政、应急、教育及综合减灾等多个领域专家的减灾经验,构建了区域海洋减灾能力评估三级指标体系,包括6个一级指标、21个二级指标及136个三级指标;然后,基于专家问卷(有效问卷69份)及层次分析(AHP)方法,量化了三级指标体系中各指标的权重。区域海洋减灾能力评估三级指标体系及指标权重成果已在相关市县开展了评估试点应用,为未来在全国范围开展区域海洋减灾能力评估奠定了良好基础。

基于聚类的时空轨迹特征挖掘——以中尺度涡轨迹为例

采用密度聚类方法对中长生命周期中尺度涡轨迹进行聚类分析,分析比较了不同类簇中尺度涡的轨迹特征、时空分布以及生成和消亡的空间分布特征。结果表明:随着纬度的增加,不同轨迹类别的振幅增大,旋转速度和半径却呈现递减趋势,反气旋涡轨迹变化更快速,轨迹更易受地理位置影响。南海南部春冬季气旋涡较多,反气旋涡更易出现在夏秋季;南海中部中尺度涡向西移动;南海北部中尺度涡向西北移动。此外,位于越南东南部的中尺度涡轨迹表现出更活跃、更复杂的特性。

基于Prophet-随机森林优化模型的空气质量指数规模预测

长时间的规模预测有助于从宏观角度分析事物的发展趋势与规律。对上海市2013—2017年逐日空气质量指数(AQI)进行分析,在此基础上建立了Prophet-随机森林(RF)优化模型。Prophet模型将AQI时间序列趋势分解为趋势项、季节项、节假日效应;RF算法用于弥补Prophet模型无法预测随机非线性部分的缺点,对Prophet模型进行优化,将Prophet-RF优化模型用于AQI的规模预测。结果表明:相比于Prophet模型,Prophet-RF优化模型的预测效果更加精确,其中,拟合值的均方根误差和平均绝对误差均减少了0.161,预测值的均方根误差和平均绝对误差分别减少了0.434和0.399。Prophet-RF优化模型解释性强且精度高,对于时间序列的规模预测具有较明显的优势。

基于FVCOM的物理-生物地球化学耦合模型构建与应用

通过使用FABM框架将水动力模型FVCOM与生态模型ERSEM进行耦合,构建了一个新的适用于近岸复杂地形并完整描述了低营养级生态系统的物理-生物地球化学耦合模型:FVCOM-FABMERSEM.基于该耦合模型分别建立了垂向一维模型和长江口三维模型.使用欧洲L4站的多年观测资料对垂向一维模型(1DV)进行验证,验证结果良好.使用长江口三维模型模拟长江口及其附近海域2013-2016年的历史过程,经与营养盐和Chl-a观测数据校验,并利用MODIS卫星遥感的海洋表层Chl-a分布数据对春季藻类暴发的空间分布进行了验证,证明建立的耦合模型能正确刻画长江口区域的温度、盐度、硝酸盐、磷酸盐、Chl-a等物理和生物地球化学过程.同时,使用模型对长江口锋面区域的特征进行了再现,并讨论了盐度锋、泥沙锋、营养盐锋和叶绿素锋相伴产生与相互作用的关系.

太阳能蓄电匹配效率研究在业务化运行浮标上的应用

通过对集成系统工况、电理、光伏转化再生能力源的研究,进一步优化系统匹配能力,这对于目前海上长期化无人值守移动平台是具有重要意义。海上移动平台的运行过程中,固态直流输出设备是核心部件。若其契合能力不良,将影响其所支撑的观测系统的电流环境,产生欠压、过载等不良工况,进而影响观测平台的整体性能、影响设备使用效率和工作寿命,同时也会大大增加其维护成本。以3 m标为例,基于SYMONS经典假设所提出控制策略,尝试梳理了各部件使用功耗并进行简化计算。文中研究结果便于为现有平台快速加载传感器,或为提高采集器收集与传输频率提供后续支持,以及提供业务化、可量化分析的计算模型。