潮流能是指潮水水平运动中携带的动能,开发前景巨大。对区域潮流的精准模拟及特征分析有助于准确评估潮流能的时空分布状况,是潮流能资源开发利用的关键。本文选取潮流能蕴藏丰富的舟山海域,应用FVCOM海洋模式构建了高分辨率的潮汐潮流数值模型,经潮位、潮流验证,该模型可靠。根据模拟结果中流速的大小确定了潮流能资源密集的6处水道进行评估,其中西堠门水道、册子水道、桃花港水道平均能流密度超过2.0 kW/m2,最大能流密度超过20 kW/m2,流速大于1.0 m/s时长超过80%,潮流涨落期间以往复流为主,潮流不对称性及旋转性低,潮流稳定系数大于0.98,较其他3处水道更适合潮流能的开发利用。通过有效发电小时数及可利用小时数确定了这3处水道内潮流能开发的最佳位置,并应用Farm法计算了相应的潮流能资源可开发量,分别为27.53、39.96和130.26 MW。
硝酸盐是海洋中浮游植物生命活动可利用的主要氮形态,其跃层深度(ZN)会直接影响硝酸盐垂向输送、海洋初级生产力以及海洋碳循环。随着海洋观测技术的不断发展,硝酸盐剖面数据的采集呈现多样化,包括船基CTD观测和生物地球化学浮标BGC-Argo自动观测等,且垂向采样分辨率差异较大(CTD较低,BGC-Argo较高)。针对不同采样数据,亟需对硝酸盐跃层深度计算方法进行系统且定量化的对比分析研究。本文利用西北太平洋历史船测CTD数据和BGC-Argo浮标数据,采用差值法、梯度法和阈值法分别计算对应硝酸盐跃层深度。研究结果表明:就单一硝酸盐剖面,基于BGC-Argo数据,差值法计算的ZN与目视解译的ZN相差仅为0.2 m,阈值法次之为20.0 m,梯度法相差最大为202.8 m;基于CTD数据,差值法计算的ZN与目视解译的ZN相差2.0 m,阈值法相差49.0 m,梯度法相差155.0 m。相较于梯度法和阈值法,差值法计算的ZN与目视解译的ZN相差最小。根据误差统计分析结果发现,基于BGC-Argo数据,三种方法计算得到的ZN与目视解译的ZN均呈现良好相关性,其中差值法计算结果误差最小(R2为0.77,RMSE为28.48 m),阈值法的R2为0.64,RMSE为34.85 m,梯度法的R2为0.52,RMSE为53.80 m;对于CTD数据,由于其垂向采样分辨率较低,三种方法计算得到的ZN与目视解译的ZN相差较大,但相比于梯度法和阈值法,差值法的误差仍最小(R2为0.81,RMSE为16.13 m),阈值法的R2为0.47,RMSE为27.65 m,梯度法的R2为0.42,RMSE为36.41 m。通过对比分析各方法的特点和差异性,初步探究了各方法的适用性,可为深入研究硝酸盐垂向分布特征和向上输运过程提供科学参考。
以温州市洞头区大竹峙岛为研究区,采用无人机搭载多光谱传感器获取海岛高分辨率遥感影像,通过比选光谱最佳波段组合,以监督分类方法将植被类型分成乔木、灌丛和草丛,分类精度为99.72%,Kappa系数为0.995 4。通过深度卷积神经网络对乔木和灌丛进行单木分割(精确率为0.79),获得各优势种的空间分布,结合生物量方程反演各乔木、灌丛优势种的生物量空间分布(乔木R2=0.97,灌丛R2=0.99),其中3个灌丛优势种(天仙果、野梧桐、滨柃)的生物量反演方程通过现场采样构建,其余乔木和灌丛优势种生物量反演方程来自文献。根据优势种的生物量和空间分布,计算得到大竹峙岛的乔木碳储量为300.36 t,灌丛碳储量为47.59 t。通过归一化植被指数反演草丛生物量空间分布(R2=0.99),结合根据实测数据构建的草丛优势种(中华结缕草)生物量方程,计算得到大竹峙岛草丛碳储量为21.59 t。
南乔治亚岛海域是南大洋初级生产力最高的区域之一,具有巨大的固碳潜力,但由于缺乏连续的上层海洋观测资料,该海域生物泵效率的强弱仍未有定论。本研究利用2017年至2020年期间位于南乔治亚岛附近海域的生物地球化学浮标(BGC-Argo)所获取的水文和生物化学参数,探讨了物理过程对生物地球化学过程的影响,并估算了该海域的南极夏季碳输出通量。结果显示:南乔治亚岛上游(南极半岛东北部)和下游(乔治亚海盆)海域Chl-a均呈现出很强的季节性特征,尤其是乔治亚海盆区浮游植物维持了4个月的旺发时间,表明该区域具有稳定持续的铁源供给;利用颗粒有机碳(POC)季节性输出量的时间变率,估算了上、下游的夏季POC输出通量分别为7.12±3.90 mmol·m-2·d-1和45.29±5.40 mmol·m-2·d-1,推测这种差异主要是由于混合层加深后促进了有机碳的向下输出导致的。研究发现该区域维持着较高的生物泵效率,与此前的乔治亚海盆存在“高生产力低输出效率”的结论不同,这可能是由于航次断面调查的即时性无法反映整个季节性特征所造成的。BGC-Argo能提供高时空分辨率的多参数观测数据,本研究结果表明其可以更准确地量化与评估海洋生物地球化学过程和固碳能力。
南太平洋岛国大多四面环海且国土面积狭小,多为生态环境脆弱区。基于此,本文利用多源卫星数据,对瑙鲁、帕劳、图瓦卢、马绍尔群岛四国的海洋生态环境进行监测,基于长时间序列遥感结果的回溯,分析了其时空变化,并对比分析了汤加火山爆发前后,各国生态环境是否发生显著变化。结果显示:1)在气候态时空分布上,南太平洋岛屿国家周边海域海表温度和透明度一直维持在较高水平,叶绿素和净初级生产力则随离岸距离增加快速下降;2)升温、酸化和海平面升高是四个岛屿国家周边海域面临的共同问题;3)汤加火山的爆发对于南太平洋四岛国的沿岸悬浮物质量浓度、海表温度等无明显影响;4)火山爆发前半个月海岛地表温度以及周边海域悬浮物质量浓度异常升高的现象对利用遥感手段进行灾害预警预报具有启示作用。
滨海湿地具有较强的碳汇能力,不同植被类型会对沉积物中有机碳的来源和储量产生重要影响。在茅埏岛无植被、老红树林、幼红树林和互花米草等4种淤泥质潮滩各采集1根沉积物柱状样品(柱样长度均为1 m,按10 cm间隔分样),测定沉积物粒度、总有机碳(TOC)、总氮(TN)等参数,分析和讨论沉积物有机碳来源、储量及其影响因素。结果显示:1)无植被潮滩、老红树林潮滩、幼红树林潮滩和互花米草潮滩沉积物中TOC平均含量依次为0.71%±0.03%,0.76%±0.16%,0.69%±0.12%,0.83%±0.09%。在0 ~20 cm层,有植被潮滩TOC含量显著高于无植被潮滩;在20 ~100 cm层,互花米草潮滩沉积物TOC含量高于其它潮滩类型。2)茅埏岛潮滩中互花米草潮滩沉积物有机碳储量最高,达5.79 kg/m2,其次是老红树林潮滩(5.61 kg/m2),幼红树林潮滩(4.95 kg/m2)和无植被潮滩(4.84 kg/m2)有机碳储量较低。互花米草潮滩和红树林的覆盖均在一定程度上增强了潮滩的储碳能力。3)互花米草潮滩沉积物中的有机碳主要以陆源为主,占比57.75%;本地植物贡献在老红树林潮滩沉积物中占比最大,占比32.65%;幼红树林潮滩和无植被潮滩沉积物中有机碳均以海源贡献为主,分别占比61.47%和50.45%。
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。
利用海-气界面浮标观测得到的高频数据,分析了春季青岛近岸海域海表二氧化碳分压(pCO2)的变化规律及驱动因素,并对海-气CO2通量进行了估算。观测期间该海域由大气的碳汇转变为碳源,主要是由海表pCO2的不断增长所致。对海表pCO2控制因素进行分析,发现温度升高是pCO2增长的主要驱动因素,生物过程起到一定的抑制作用。海表pCO2呈现出日变化特征,温度和生物因素对海表pCO2日变化的作用均与太阳辐射相关,但两者的作用相反。此外,分析发现浮标的不同采样频率会对海-气CO2通量估算产生影响,缩短采样间隔能有效降低海-气CO2通量估算的偏差,提高估算的准确性。
基于1993—2019年海面高度异常数据分析了南澳大利亚海盆表层涡动能的时空变化特征。结果表明,表层涡动能在空间上存在两个高值区,分别位于海盆的西部和东部;在季节尺度上表现为南半球的冬季强,秋季弱,最大值出现在7月(57±9 cm2/s2),最小值出现在3月(40±5 cm2/s2)。涡动能在年际尺度上与ENSO呈显著负相关关系,即在厄尔尼诺(拉尼娜)衰退年,涡动能显著减弱(增强),滞后Niño3.4指数9个月;与SAM呈显著正相关关系,滞后SAM指数14个月,即在SAM正(负)位相的次年,涡动能显著增强(减弱)。
深海沉积物中的黏土矿物组合特征能反映物源区古气候与古环境的变化。前人已有较多关于马里亚纳海沟以西太平洋沉积物黏土矿物组合特征方面的研究,但对马里亚纳海沟以东黏土矿物组合特征的研究较少,从而限制了对亚洲大陆风尘输入与太平洋深海沉积环境之间关系的深入认识。本文以2019年大洋54航次在西太平洋马尔库斯-威克海山区采集到的31个表层样和1个柱状样为研究对象,结合收集到的西太平洋海域及附近地区的数据,开展了黏土矿物组成与分布特征、物质来源等研究。结果表明,研究区表层沉积物中的黏土矿物类型以伊利石为主,含量平均值为69%;绿泥石和高岭石次之,含量平均值分别为16%与11%;蒙脱石最少,含量平均值为3%。柱状样黏土矿物组合与表层沉积物基本一致,但在250 cm深度以下,蒙脱石含量明显增高,伊利石含量相对减少。物源分析表明,亚洲风尘是研究区伊利石的主要物源,高岭石和绿泥石的主要物源可能也是亚洲风尘,东亚冬季风是这些风尘物质的主要搬运营力。沉积物中的蒙脱石则主要由海底火山物质风化形成。P04柱上部伊利石含量增加而蒙脱石含量降低的变化响应了中更新世以来亚洲风尘输入量增加的过程。
近惯性波是海洋对台风响应过程中最为重要的能量传递方式之一,其频率随深度的分布会影响近惯性波能量向海洋内部传播的速度。基于台风期间南海西北部的潜标观测资料,对涡度效应和背景流引起的多普勒效应进行分析,发现背景流引起的多普勒效应是近惯性波频率“蓝移”的主要因素,近惯性波频率大于当地惯性频率,并且频率随着深度增加而增加。深度在200 m以浅,背景流多普勒效应为负;深度在200 m左右,多普勒效应趋于0;深度在230~400 m,多普勒效应为正。在230~400 m深度,背景流强度达到最大,其方向与近惯性波传播方向接近,因此由其引起的多普勒正频移也最大,观测结果显示近惯性波频率偏移也最大。该研究对加深海洋对台风响应过程的认识,特别是近惯性波在背景流结构复杂海域(如西边界流区域)的传播具有重要作用。
利用浙江苍南近岸海域一年实测波浪资料,统计分析了波参数特征,采用最小二乘法拟合分析了波参数之间的相关关系,研究波浪平均持续时间和波高的关系,对波浪能进行估算,并分析了台风“利奇马”期间典型台风浪特征。结果表明:研究海域以谱峰周期5~9 s的轻浪为主,年平均有效波高为1.25 m,年最大波高为10.80 m,常浪向为E,强浪向为ENE。特征波高之间具有显著的线性关系,符合典型的瑞利分布。有效波高2.7 m以下的非台风、非寒潮期和4.1 m以上的台风期,波浪平均持续时间随波高的增大呈指数衰减,且有效波高在4.1 m以上的台风期的波浪衰减速率高于有效波高在2.7 m以下的非台风、非寒潮期。台风“利奇马”影响期间,最大波高、谱峰周期、谱峰密度呈现基本同步的先增大后减小的过程,最大谱峰密度为55.10 m2/Hz;台风影响前、后的波浪谱型均呈双峰谱,台风影响最显著期间的波浪谱型呈单峰谱。
本研究以西太平洋表层海水为基质,制备了浓度为0.5~4.0 μmol/L的海水活性磷酸盐系列标准物质。通过对所研制的4批次样品进行均匀性、稳定性评估,确定样品性能良好。对基于磷钼蓝分光光度法的气泡间隔连续流动分析系统的反应和操作条件进行优化,优化后的方法检出限低至0.03 μmol/L。不同浓度样品的相对标准偏差为0.37%~2.45%(n=9);通过与国际已有有证标准物质比对,本研究方法测量误差小于0.05 μmol/L。经6家具有中国计量认证资质且具备海水磷酸盐检测能力的实验室联合定值,确定了该系列标准物质的标准值,并对定值结果的不确定度进行了分析评价,相对扩展不确定度为2%~10%。
海堤在保护沿海城镇免受极端波浪破坏方面具有重要作用。该文基于二维不可压缩两相流数值模型,系统研究了向岸风对孤立波海堤越浪特性的影响。通过数值计算结果与实验数据的对比,验证了该数值模型的可靠性,并重点讨论了向岸风风速、入射波高、堤顶超高、岸滩坡度和海堤坡度等因素对孤立波海堤越浪水动力过程的影响。研究表明:随着向岸风风速、入射波高的增大以及堤顶超高的减小,孤立波的最大越浪量、最大爬高以及沿程最大水位高程逐渐增大;随着岸滩坡度和海堤坡度的增大,孤立波的最大越浪量分别增大和减小,最大爬高逐渐增大。向岸风会影响孤立波海堤越浪的水动力特性,增大孤立波的波陡以及波峰传播速度,使波浪提前破碎;相比无风情况,最大越浪量、最大爬高、最大水动力荷载以及沿程最大水位高程均有所增大。研究结果可为海岸工程的设计提供参考。
潮间带是连接陆地生态系统与海洋生态系统的关键带状区域,其中,淤泥质潮滩是重要而容易被忽视的CO2自然汇集生境,该生境中不同门类的大型底栖动物在促进碳的输入、传递和存储过程中发挥核心作用。本文以夏季浙江东部沿海隘顽湾淤泥质潮滩断面作为切入点,研究大型底栖动物群落结构及生物碳库。结果显示,隘顽湾淤泥质潮滩大型底栖动物平均丰度为105.2±37.2 ind/m2,平均生物量为46.9±6.4 g/m2,其生境内主要类群组成为甲壳类动物和软体动物,生态系统健康程度整体表现为优秀。隘顽湾潮滩中大型底栖动物有机碳含量由高到低分别为其他类(包括鱼类、纽虫)动物(40.95%)、多毛类动物(22.98%)、甲壳类动物(17.24%)、棘皮动物(15.90%)和软体动物(10.76%)。估算研究区域大型底栖动物碳库约为163.90 Mg,其中甲壳类动物为最大贡献者,占比59.80%。淤泥质潮滩大型底栖动物群落结构与生物碳库大小的探究,可作为我国蓝碳调查体系构建的重要科学依据,也可为进一步量化沿海生境整体碳库大小提供基础数据。
海岸侵蚀导致土地流失,严重威胁人民生命财产安全,识别海岸侵蚀脆弱性对于防灾减灾意义重大。从海岸动力、海岸形态和社会经济三个方面构建评价指标体系,利用数字化海岸线分析系统(digital shoreline analysis system,DSAS)和遥感数据,采用断面法将海岸离散为等间距的评价单元,基于熵权法确定评价指标权重、等级并计算海岸侵蚀脆弱性,利用地理探测器识别海岸侵蚀脆弱性的空间分异和影响因素。结果表明:江苏中部海岸侵蚀脆弱性为极高脆弱、高脆弱、中脆弱、低脆弱和极低脆弱的比例分别为5.60%、15.80%、30.93%、24.21%和23.46%,海岸侵蚀脆弱性总体呈现北高南低的分布趋势,其中为极脆弱的区域主要位于中山河口—射阳河口之间的海岸区域。江苏中部海岸侵蚀脆弱性的空间分异是海岸动力、海岸形态、社会经济多重因素协同作用的结果,其中潮滩坡度、地表覆盖类型、平均潮差、海岸线变化速率是海岸侵蚀脆弱性空间分异的主导因子。
为评估绿色石化项目运营前后的环境变化,于2018—2021年连续4年对项目所在地鱼山岛邻近海域的表层沉积物多环芳烃(PAHs)进行了调查。结果表明,PAHs含量为16.9~178.0 μg·kg-1,平均值为75.9±24.0~102.6±41.4 μg·kg-1,4年来整体呈下降趋势,与国内其他海区相比,总体含量较低;各组分平均值为4环PAHs>5环PAHs>3环PAHs>6环PAHs>2环PAHs。调查海域表层沉积物以粉砂为主,PAHs的空间分布受到多种因素的综合影响。调查海域PAHs来源相对稳定,年际差异较小,主要来源于石油、木柴、煤炭等燃烧产物的远距离迁移。依据沉积物质量基准法评价,调查海域沉积物PAHs生态风险水平较低。绿色石化项目在建设期及投产期未引起邻近海域沉积物PAHs的增加,但随着项目持续运营,其对周边生态环境的影响需持续关注。
深海沉积物蕴藏着丰富的稀土资源,富稀土沉积物的空间分布特征、稀土赋存形态与富集机制是近年来研究的热点。东太平洋克拉里昂—克里帕顿断裂带(简称CC区)是全球海底最重要的多金属结核成矿带,但对该区域沉积物中伴生富集的稀土资源分布特征和资源潜力认识尚不清楚。该文对CC区西部125个站位沉积物全岩地球化学成分(728组主量元素和625组微量元素)进行了分析,结果表明研究区沉积物中显著富集MnO和P2O5,总稀土含量(∑REY)与P2O5、CaO含量和Ce负异常存在较好的空间正相关性,生物成因钙磷灰石是稀土元素的主要赋存矿物。研究区沉积物∑REY平均值为470±202 μg/g,部分区域∑REY含量高于富稀土沉积物标准(∑REY>700 μg/g),表明研究区具有一定的稀土资源潜力。研究区富稀土沉积物主要分布在以丘陵地形为主的北部,南部海盆区的沉积物稀土含量相对较低。研究区地貌特征差异影响了区域沉积速率和钙磷灰石水动力分选,导致研究区稀土资源分布的南北分带性。
海底沉积层的声学特性是开展海洋声场计算与工程地质评价的基础要素,原位测量是精确获取声学特性参数的有效手段。海底沉积层的结构分层特征以及孤石等地质异常体的存在导致其垂向、横向呈现不均匀性特征,现有的声学原位测量系统难以对不均匀性特征进行探测识别,对地层不均匀性上的识别尚且缺少判别参考。对此,该文提出了一种针对海底沉积层不均匀性的斜向声学原位纵波测量方法,利用有限元法进行了百米尺度内的沉积层斜向声学原位测量仿真研究,根据东海区域工程地质勘探资料,构建了均匀型沉积层、分层型沉积层及含孤石型沉积层三种模型,基于斜向原位测量方法开展了沉积层声速测量仿真。结果表明,斜向原位测量方法对大深度沉积层中的不均匀性具有较好的识别效果,通过引入等效偏移距概念,对原有声速计算公式进行了改进,有效提高了异常识别的准确性。斜向声学原位测量方法是对现有沉积层原位测量方式的有效拓展,将有助于推动原位测量在海洋工程勘察中的进一步应用。
