随着海洋观测数据和数值模式产品的爆发式增长,人工智能方法在海洋学研究中展现出巨大的潜能。该文首先回顾了海洋大数据科学的发展历程,并详细介绍了人工智能在海洋现象识别、海洋要素与现象预报、海洋动力参数估算、海洋预报误差订正和海洋动力方程求解中的研究现状。具体地,阐述了海洋涡旋、海洋内波和海冰等海洋现象的智能识别研究,海面温度、厄尔尼诺-南方涛动、风暴潮、海浪和海流的智能预测研究,数值模式中海洋湍流过程参数化方案的智能估算研究以及海浪、海流等海洋现象预报误差的智能订正研究。此外,还讨论了物理机制融合和傅里叶神经算子在海洋运动方程智能求解中的研究进展。该文立足于当前人工智能海洋学的发展现状,旨在全面展示人工智能技术在海洋学领域的优势和潜力,并聚焦于海洋数字孪生和人工智能大模型两个新兴的研究热点,展望未来人工智能海洋学的发展方向,为海洋学者提供启示和参考。
红树林、滨海盐沼和海草床是典型的滨海蓝碳生态系统,具有相当可观的固碳能力。植被碳库和沉积物碳库是蓝碳生态系统有机碳的主要载体,其变化过程决定了生态系统的整体固碳能力。本文尝试从碳库相互作用的角度出发,通过文献梳理,总结不同植被碳库之间、不同沉积物碳库之间以及植被碳库和沉积物碳库之间相互作用的研究进展,指出物种竞争、外源碳输入以及生物地貌学过程在碳库相互作用中所起到的重要作用,并提出滨海蓝碳生态系统碳库研究中存在的问题和未来研究的方向。
基于中尺度大气模式WRF和区域海洋模式ROMS,构建WRF-ROMS海气双向耦合模式,针对2018年超强台风“山竹”进行模拟。利用观测数据对台风路径和强度进行验证,结果表明海气耦合模式对台风“山竹”的模拟相对单一模式有更高的精度,耦合模式得到的台风路径与最佳路径吻合良好,误差控制在60 km以内;获取的风速和海平面气压结果也较单一模式更为准确。基于海气耦合模拟结果,进一步分析台风作用下风场、气压场、海表流场和风暴增水的时空分布特征,结果表明:1)空间分布方面,台风进入南海后,七级风圈半径在台风沿路径右后方较大;气旋式流场与台风风场呈现出显著的埃克曼效应,流向与风向呈45°;风场、气压场、风生流场和增水分布均存在明显的不对称性,台风路径右侧的台风强度、流速和增水均大于左侧。2)时间分布方面,风场与气压场分布特征相似且与台风中心保持同步,流场和近岸风暴增水相对台风路径存在3 h左右的滞后。
海浪是海洋中最为重要的现象之一,快速准确的海浪预报对于保障海上生产、生活安全具有重要意义。该文回顾了海浪预报方法的发展历程,包括传统统计预报、数值模式预报以及目前快速发展的人工智能预报。基于人工智能的海浪预报模型表现出计算速度快、预报精度自适应优化等优势,已经开始从研究阶段逐步应用于实际海浪预报业务之中,但同时该方法也存在预报要素有限、极端海况预报值偏低以及预报泛化能力弱的局限。该文根据人工智能海浪预报的特点,提出了人工智能海浪预报目前亟需解决的观测数据高效利用、先验知识引入、人工智能模型安全性与泛化能力提升等关键科学技术问题。
导管架平台具有适应性强、安全性高等优势,在海上油气开发中应用广泛。随着越来越多的导管架平台即将达到或已达到设计寿命,平台弃置已成为海洋油气开发领域面临的重要问题。该文系统介绍了国内外关于导管架平台弃置的法律法规,重点阐述了各国际公约的约束内容、适用范围及其异同点,总结了中国、英国、挪威、美国弃置管理的要点,对国内外四个典型导管架弃置工程进行了梳理和分析,对不同弃置方案适用范围以及弃置过程中拆除、切割和吊装三个关键工艺的操作难点和实施细节进行了总结,可为海洋导管架平台弃置方案与关键技术的优选提供依据,对海洋环境保护、通航和渔业生产等具有重要的工程意义。
滨海盐沼的碳库变化可为蓝碳碳汇核算提供依据。为量化短时间尺度(季节到年际尺度)内滨海盐沼碳库的固碳速率,基于高分辨率的地表高程监测系统,于2022年在杭州湾南岸典型滨海盐沼开展了季节性的观测和采样分析。研究结果表明,在观测期间,本地种海三棱藨草和外来种互花米草的生长呈现季节性变化特征,植物生长主要集中在3—9月。就植物碳库的地下部分而言,海三棱藨草固碳量达到11 g C·m-2,互花米草盐沼则较高,为56 g C·m-2。地表高程监测数据表明,海三棱藨草盐沼的沉积速率为12.30 cm·a-1,略低于互花米草盐沼的沉积速率(13.02 cm·a-1)。结合沉积速率与沉积物容重、有机碳含量等数据,可以算得观测期间,海三棱藨草盐沼沉积物碳埋藏速率为460 g C·m-2·a-1,互花米草盐沼沉积物碳埋藏速率为588 g C·m-2·a-1,这两种滨海湿地的碳埋藏速率也具有季节性,在夏、秋季达到高值。结合植物碳库和沉积物碳库结果可知,杭州湾南岸滨海盐沼生态系统具有较高的固碳速率,外来种生态系统固碳速率(644 g C·m-2·a-1)高于本地种生态系统固碳速率(471 g C·m-2·a-1)。在将来的滨海湿地蓝碳管理工作中,需要考虑不同物种之间的差异性。
利用Argo浮标观测数据并结合卫星遥感及锚定浮标观测资料,对2014年超强台风“威马逊”引起的上层海洋温盐响应进行了分析和研究。结果显示,超强台风“威马逊”过境时会造成海表面温度冷却和混合层加深。通过计算混合长度和台风引起的垂向流速变化解释了次表层温度变化的原因:强混合作用和弱上升流作用致使次表层增温,反之次表层冷却。相比于温度的变化,盐度的响应更为复杂,台风引起的降水会先导致表层盐度降低,随后垂向混合引起表层盐度大幅增加,但是降水的作用能够极大地抑制这一过程;台风离境后,垂向混合减弱,强降水引起盐度大幅降低,甚至会使盐度低于台风过境前。
海底地震是损害深水国际海缆的主要因素之一,认识海缆震损过程和地震引发的海底浊流对海缆的损害机制,对维护国际海底通信安全具有重要意义。本文结合最新海底地形、地貌研究成果,利用国际海缆工程专业软件Makaiplan研究大浅滩和恒春震后海缆大规模震损过程,并厘清了海缆损害规律与震后海底浊流过程之间的关系,总结出海缆震损机制。结果表明,海缆断点集中分布在海底峡谷和海沟内,造成海缆损坏的海底峡谷和海沟浊流的运动时速可达数十公里至数百公里每小时。陆上河流和陆架河道为浊流发育提供物源输入,海底峡谷和海沟为浊流运动大面积破坏海缆提供通道。震后,被动陆缘上陆坡发育的峡谷浊流可破坏陆坡、陆隆和深海平原上海缆,浊流最快速度出现在陆坡并在深海平原自加速;主动陆缘陆坡不同位置可同时发育浊流,对峡谷和海沟内海缆造成多次冲击,浊流最快速度和自加速现象出现在海沟。海缆防震措施包括:尽量避免海缆路由在与陆上河流或陆架河道连通的海底峡谷及海沟处交越,难以避免的时候则使用带外铠装浅水型海缆,海缆稍悬浮于峡谷或海沟底部并加装Uraduct,改变深水海缆的横截面形状等。
海岸海洋接受大量来自陆源的碳物质和营养盐,涉及大量以碳为中心的相互作用,是重要的碳循环海域;同时,该区域也常发育具有良好圈闭条件的储-盖系统,具有明显的CO2储集潜力。该文以海岸海洋及其下发育的沉积盆地为研究对象,综述了碳物质在海岸海洋中的循环过程、CO2通量的影响因素和海岸海洋沉积盆地的储碳机理。从“双碳”角度,重点论述了海岸海洋在促进CO2负排放方面的意义、促进海洋负碳排放的潜在途径和在沉积盆地的储碳潜力及面临的问题。海岸海洋是重要的碳汇区域之一,高效率的微生物碳泵和碳酸盐碳泵是增强海岸海洋CO2负排放的核心过程;同时,海岸海洋沉积盆地中的储-盖系统,不但提供了额外的CO2封存空间,也保障了CO2封存的安全性。未来的研究应以抑制海岸海洋中碳物质向CO2转化的进程和保障沉积储层中CO2封存的安全性为主要方向,为CO2负排放提供理论依据与技术保障。
海底天然气水合物藏是天然的巨型碳储藏库,是深部甲烷等烃类气体运移至海底过程中暂时的碳储,是地球碳循环过程的重要一环。冷泉通常与海底天然气水合物藏分解密切相关,是深源或浅层气及水合物分解气在海底发生渗漏的现象。该文根据国内外天然气水合物及冷泉系统勘查的最新动向,综述了与水合物及冷泉流体渗漏相关的羽状流、运移通道、海底微地形地貌等要素的海底原位观测技术,主要包括:走航式及坐底式原位观测、海面及低空渗漏甲烷观测、海底可视化观测、与水合物及冷泉相关的海底观测网络等。综合使用原位观测技术可以更细致、全面地描绘水合物和冷泉系统的时空“景象”,更好地协助厘清海底渗漏甲烷的归趋,拓展人类对深海独特生命绿洲的认知。
近海海湾受人类活动及自然变化影响大,海水碳源汇格局变化影响机制极其复杂。由于海湾空间尺度小,需要使用宽波段的高空间分辨率卫星遥感对海-气CO2通量进行监测评估。相对于传统公里级的水色卫星资料,海-气CO2通量定量估算的关键参数——海表CO2分压(sea surface partial pressure of CO2, pCO2)遥感反演在小尺度海湾具有极大的挑战性。该文以秋季象山港为例,利用走航观测pCO2数据及近5年哨兵2号(Sentinel-2)卫星影像,采用支持向量机(support vector machine, SVM)机器学习的方法,基于Sentinel-2遥感反射率及其比值,建立了海表pCO2的遥感反演算法。算法验证结果显示决定系数为0.92,均方根误差为23.23 μatm,遥感反演结果与实测值具有较高一致性。在此基础上,制作了2017—2021年秋季(9—11月)象山港海表pCO2遥感产品,结果表明,象山港海表pCO2整体上呈现从湾顶向湾口递减的趋势,均值为514.56 μatm,其中,湾内pCO2均值为551.94 μatm,湾外pCO2均值为477.19 μatm,整体呈现为大气CO2的源,且5年间秋季pCO2没有显著趋势性变化。结合多参数走航实测数据分析发现,2021年象山港秋季海表pCO2受物理混合作用及生物活动的共同调控。海表温度(sea surface temperature, SST)与pCO2具有良好的正相关关系,且SST对pCO2的影响主要体现在碳酸盐热力学平衡作用上。此外,平均温度归一化的pCO2(NpCO2)与海水盐度和溶解氧饱和度均具有良好的负相关关系,NpCO2与海水盐度的关系是潮汐作用下湾内和外海水体交换的结果;长时间序列的遥感数据分析也证实湾内、湾外pCO2与平均潮高具有较为一致的变化趋势,且这种趋势在湾外强于湾内。该研究构建了一套海湾小尺度pCO2遥感反演方法,为后续海-气CO2通量大范围、长时序遥感监测奠定了良好基础。
深海富稀土沉积物广泛分布在西太平洋、东太平洋、东南太平洋、印度洋等地区。本研究对东太平洋克拉里昂-克里珀顿断裂带(Clarion-Clipperton Fracture Zone,简称CC区)的两个站位富稀土沉积物的矿物学与地球化学特征进行了分析,并收集了太平洋92个站位深海富稀土沉积物元素地球化学数据,依据地球化学特征,结合矿物组成,将太平洋深海富稀土沉积物分为富Al型、富Fe型、富Ba型等三个类型。富Al型富稀土沉积物广泛布在西太平洋地区,沉积物类型以沸石黏土为主,全岩Al2O3平均含量可达14.9%。富Fe型富稀土沉积物位于东太平洋海隆附近的东南太平洋和东北太平洋区域,沉积物中TFe2O3平均含量高达18.8%,部分样品呈现明显的Eu正异常,热液活动可能为稀土元素的富集提供了丰富的稀土元素及载体矿物。富Ba型富稀土沉积物主要分布于东太平洋CC区,沉积物类型主要是(含)硅质黏土,Ba平均含量可达8 092×10-6。高Ba含量指示了沉积物形成时期所在海域可能具有很高的初级生产力,这种环境条件形成了大量的生物磷灰石沉积,并与CC区渐新世以来强劲的底流耦合,进而增强了磷灰石的积累,促进了稀土的富集。
红树林、盐沼和海草床被称为三大海岸带蓝碳生态系统,在维持海洋生物多样性、净化水质、营养物质循环以及固碳、储碳等方面发挥重要作用。该研究以蓝碳生态系统分布广泛的广东和广西作为研究区,研究海岸带蓝碳生态系统与海洋生态红线的容斥关系,进而进行海岸带蓝碳生态系统的保护空缺分析,在此基础上提出海洋生态红线外的推荐优先保护区域。该文基于2019年卫星遥感影像、2020年和2021年现场调查和无人机遥感数据,获知广东海岸带蓝碳生态系统总面积为14 481.39 hm2(红树林11 928.87 hm2,盐沼1 258.00 hm2,海草床1 294.52 hm2),广西海岸带蓝碳生态系统总面积为11 751.30 hm2(红树林10 171.70 hm2,盐沼1 450.36 hm2,海草床129.24 hm2)。结果显示,广东海岸带蓝碳生态系统面积的62.13%、广西海岸带蓝碳生态系统面积的59.88%分布在海洋生态红线内。广东红树林、海草床的分布面积和受保护比例均大于广西,盐沼的分布面积和受保护比例均小于广西。广东3种海岸带蓝碳生态系统类型中,有38.16%的盐沼受到保护,85.41%的海草床被纳入保护范围,62.13%的红树林被纳入保护范围。广西3种海岸带蓝碳生态系统类型中,有52.99%的海草床受到保护,盐沼和红树林生态系统受保护的面积比例分别为49.58%和61.44%。研究指出榕木江湾到茅尾海沿岸、铁山港、雷州湾、柘林湾等区域可作为海洋生态红线外海岸带蓝碳生态系统的推荐优先保护区域。
