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西南印度洋中脊(Southwest Indian Ridge, SWIR)热液区具有潜在发育的大规模硫化物矿床,当前正在开展SWIR硫化物矿产资源评价。测量分析硫化物和不同围岩的声速等物性特征是硫化物近底地震勘探资料处理和解释的基础。该文对西南印度洋中脊热液区的硫化物和围岩等样品进行了系统的物性测量,结合岩石物性(包括密度、孔隙度、P波速度)与矿物组成,深入分析了西南印度洋中脊热液区岩石声速变化特性及其影响因素。结果表明,SWIR热液区围岩的P波速度受到岩石骨架矿物、孔隙和围压的影响。由于岩石孔隙度总体偏小,对P波速度的影响并不显著,但围压的增加使岩石微裂缝和孔隙逐渐闭合,P波速度呈非线性指数变化。蚀变作用导致了矿物成分改变,是影响围岩声速的最关键因素。单一物性参数测量结果可能存在多解性,联合波速、密度、磁性和电性等多物性参数测量有利于岩性区分。该研究成果有助于识别硫化物和围岩,为我国西南印度洋合同区多金属硫化物地震勘探工作提供重要支撑。

针对单波束测深数据插值模型精度验证困难等问题,利用潮间带潮汐规律,提出了一种基于高精度无人机数据验证插值模型精度的方法。在低潮时利用无人机摄影测量构建高精度潮间带数字表面模型,高潮时获取单波束测深数据并结合全球导航卫星系统技术计算得出潮间带地形点的三维坐标,使用克里金插值法、反距离权重法、规则样条函数法以及自然邻域法分别构建潮间带数字高程模型。以无人机数字表面模型数据为基准,分别对4种插值方法构建的潮间带数字高程模型进行精度分析。结果表明:1)后处理差分技术辅助无人机摄影测量可以构建高精度潮间带数字表面模型。2)在潮间带区域可以使用无人机数据作为单波束测深数据精度的评价标准。3)潮间带地形较为平坦时,规则样条函数法相比于其他3种插值方法精度更高,粗差率为12.5%。

针对复杂地质背景下的大陆架划界问题,提出了一种新的大陆坡脚点(foot point of the continental slope,FOS)确定方法。该方法基于水深平均梯度变化计算坡脚点所在位置,并结合相反证明以及凸包性、分段性、连续性原则进行优化。以莫桑比克南部陆缘为研究区域,利用2021年实测的高精度多波束地形数据,应用该方法提取了大陆架划界最关键的依据——FOS,并与联合国大陆架界限委员会使用的Geocap软件提取的结果进行对比,确认了相同的FOS位置,证明该方法是准确有效的。

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。

将Holland风场与ERA5风场相结合,通过引入一个随风速半径变化的权重系数,构建了混合风场,进而利用MIKE21 SW建立了浙江海域台风浪模型。使用Holland风场、ERA5风场、混合风场作为输入风场模拟1918号台风“米娜”期间的风速和有效波高,验证结果说明Holland风场和ERA5风场均无法准确反映真实风场和有效波高,而本文构建的混合风场弥补了两种风场的不足。为验证混合风场在浙江海域是否具有普适性,选取近5年影响浙江海域最为严重的5个典型台风进行台风浪数值模拟实验,并开展误差统计分析。结果表明:Holland风场在台风中心周围的风速模拟表现较好,最大风速的平均相对误差为8.62%~10.19%,但10 m/s以下风速的平均相对误差较大,为29.76%~44.29%;ERA5风场在台风中心周围的风速偏小,最大风速的平均相对误差为17.64%~25.77%,但10 m/s以下风速的平均相对误差比Holland风场小,为19.64%~32.00%。对5个台风的模拟中,由Holland风场、ERA5风场和混合风场驱动得到的台风浪有效波高平均相对误差的平均值分别为29.92%、25.62%和22.82%,均方根误差的平均值分别为0.46 m、0.42 m和0.39 m,一致性指数分别为0.94、0.95和0.96。上述结果说明本文构建的混合风场在浙江海域具有普适性,能够提高台风浪的模拟准确度。

基于海上移动平台GNSS动态精密单点定位技术(precise point positioning, PPP),对海洋上空可降水量(precipitable water vapor, PWV)探测的影响因素进行了研究,主要分析了采样间隔,卫星截止高度角,PPP解算方式(固定解或浮点解)以及有无北斗卫星系统组合对海洋PWV反演的影响。结果显示,采样间隔为30 s时,PWV反演的精度最高;可用卫星数较少的情况下,截止高度角设为5°~10°时,PWV反演精度更优,随着卫星截止高度角的增大,反演精度逐渐降低;定位解是否固定对PWV反演精度影响较小;在GPS/GLONASS系统组合的基础上,加入北斗卫星观测值,将提高观测的冗余度,有利于PWV反演精度的提高。

海面温度(sea surface temperature, SST)是海洋和气象研究中的关键气候变量,广泛应用于海-气相互作用、海洋混合、边界层过程及海洋状态预报等领域。欧洲静止气象卫星Meteosat-8/SEVIRI(M8)提供的逐小时SST数据是上述工作的重要数据源,但其误差的时空变化尚不明确。为评估M8卫星SST数据的可靠性和适用性,利用实测SST质量监测平台(iQuam)提供的船只、漂流浮标和Argo浮标的SST数据,对M8卫星在印度洋区域的逐小时SST数据进行了验证。结果显示,M8卫星与三种实测数据的平均偏差为-0.06~-0.10 ℃,均方根误差为0.48~1.03 ℃,决定系数为0.96~0.99。其中,漂流浮标与M8卫星的匹配数据量最大、覆盖最广,因此漂流浮标是理想的验证数据源。分析M8卫星SST数据偏差的时空分布发现:在阿拉伯海西北部和孟加拉湾西北部夜间存在0.6 ℃的负偏差,在该海域白天的负偏差更大,而在40°S—60°S部分海域白天则出现了超过1.0 ℃的负偏差;M8卫星SST在夏季较易出现正偏差的极大值,在春、夏转换季则存在极小负偏差。

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。

利用海上移动平台搭载GNSS接收机采集观测数据,开展全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)精密单点定位(precise point positioning,PPP)采样周期对验潮精度影响的研究。以30 s、60 s、90 s和120 s为周期抽取成四个数据集,用Trip软件进行动态处理,获取每个测量历元坐标,比较各采样周期下两台接收机潮位测量结果,以标准差作为精度评价指标。研究结果表明,采样周期越短,PPP验潮精度越高,当采样周期缩短至60 s后,变化不再明显;采样周期从120 s逐级递减至90 s、60 s和30 s,精度分别提升63.0%、60.4%和10.0%。另外,对比了BDS/GPS/GLONASS三系统组合和GPS/GLONASS双系统组合GNSS PPP在验潮精度上的差异,结果显示,在30 s、60 s、90 s、120 s采样周期下,三系统较双系统PPP在验潮精度上分别提升了88.9%、90.4%、78.7%和44.7%。

深海橄榄岩在海底洋中脊、俯冲带和大陆边缘等构造环境中广泛分布,并普遍经历后期蚀变,其中蛇纹石化作用是最主要的蚀变类型。蛇纹石化是指橄榄岩中富镁铁矿物,如橄榄石和辉石,被蛇纹石、磁铁矿、水镁石等一系列次生矿物所取代的化学过程。蛇纹石化反应条件与热液循环、成矿物质迁移等具有密切的联系,对指示热液成矿作用具有重要意义。传统的岩石矿物学、地球化学方法在反映蛇纹石化条件时具有多解性和不确定性,不同矿物或不同化学指标可能指示不同的结果。氧同位素在自然界普遍存在,氧同位素示踪法具有适用范围广、容易比对、支持原位微区分析等优点,可以清晰地反映矿物或岩石-流体体系的反应条件和过程。该文主要综述了氧同位素测温法的原理、深海橄榄岩蛇纹石化过程、氧同位素测温法在深海橄榄岩蛇纹石化过程中的应用案例、蛇纹石氧同位素组成变化的影响因素以及氧同位素测温法的优势和局限性等问题,为后续更深入地了解深海橄榄岩蛇纹石化过程提供参考。

海洋热含量作为全球气候变化研究最关键、最稳定的指标之一,对其进行系统、准确的评估依赖于长时间序列、全球覆盖的海洋内部观测数据。利用立足Argo剖面观测构建并持续更新的全球海洋0~2 000 m水深多参数再分析数据集(gradient dependent correlation scale method Argo, GDCSM-Argo),通过时空序列和滞后回归等手段分析热含量变化,研究了2004—2021年间全球海洋热含量的时空演变特征及其与异常气候的响应关系。结果表明:自2004年起,全球海洋0~2 000 m水深热含量均有不同程度的增加,海洋热含量异常增幅超过2×10⁸ J/m²。2013年以后,700 ~2 000 m水深的海域表现出持续增暖趋势,至2017年,全球0~2 000 m水深变暖加剧。700 m水深的温度异常在海洋热含量整体变化中贡献突出。热带东太平洋海域在厄尔尼诺之前积蓄热量,在厄尔尼诺期间/之后失去热量,同时也向南、向北散发热量以中和前期积蓄的热量,变暖范围向赤道南、北两侧扩展。热带东太平洋海洋热含量正异常峰值先于ENSO(El Niño-Southern Oscillation)指数约0~1个月。 由上述结论可知,GDCSM-Argo数据集能够更细致地刻画海洋热含量的时空演变。

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。

浒苔暴发是影响全球近岸海域最为严重的海洋灾害之一,引起了社会各方的重视。该研究基于大气-波浪-海洋集合模式,根据卫星遥感数据提取浒苔位置,采用拉格朗日漂流模式对浒苔进行追踪并预报其漂移路径。与卫星观测结果对比表明,该集合模式能够较好地预报浒苔的位置、分布及其漂移路径。此外,该研究还讨论了Stokes漂流对于模式预报的影响,结果表明考虑Stokes漂流可以修正浒苔漂移路径,有效提高预报的准确性。

基于2019—2020年HY-1C CZI的L2B级泥沙数据和同期气象、水文数据,应用空间分析和统计方法开展辽河口海域悬浮泥沙质量浓度的时空变化特征及其动力因素分析研究。结果表明:潮汐是该海域悬浮泥沙日变化的主导因素,落潮期平均悬浮泥沙质量浓度高于涨潮期;径流对辽河口海域悬浮泥沙质量浓度影响的范围主要在近岸区域,一般不超过5 m等深线;当落潮流流向与风向相反时,浑浊带常横向扩展,而当落潮流流向与风向相同时,浑浊带则收缩在辽河口顶部;风速与悬浮泥沙质量浓度存在显著相关性,离岸越近,风对悬浮泥沙的作用越强烈,这可能与风、浪的协同作用有关;受潮流、径流和风浪的影响,8 m等深线内侧通常发育为最大浑浊带。

中尺度涡普遍存在于大洋中并会对声传播产生影响。利用2000—2018年AVISO卫星高度计资料和Argo浮标资料,通过涡旋合成方法构建了西北太平洋黑潮延伸体和亲潮延伸体海域中尺度涡的多年平均三维结构,对其垂直温、盐异常和声速特征进行分析,并采用Bellhop射线声学模型对中尺度涡背景下的声传播进行了模拟仿真。结果表明: 1)冷涡背景下,温度异常为负,盐度异常在上层为负,在下层为正,声速等值线抬升;暖涡背景下,温度异常为正,盐度异常在上层为正,在下层为负,声速等值线下沉。2)冷涡背景下,声传播会聚区向声源方向偏移,会聚区宽度缩小;暖涡背景下,会聚区远离声源,会聚区宽度增大。声会聚区宽度在黑潮延伸体海域较在亲潮延伸体海域更大,距离声源也更远。3)冷涡背景下,声传播的反转深度变浅,暖涡背景下,反转深度加深;在黑潮延伸体海域,反转深度总体随经度增大而变浅,在亲潮延伸体海域则相反,反转深度随经度增大而变深。

通过对高、低潮位数据插值和NS_TIDE模型应用,分析西江感潮河段(马口—大横琴)的潮汐特征。对比三种插值方法发现,相对于三次样条插值法和线性插值法,Hermite插值法对逐时潮位的模拟效果最佳。潮位验证结果显示NS_TIDE模型总体误差较低,异常值主要是源自台风和洪水的影响。西江感潮河段平均水位和分潮振幅存在洪、枯季差异,上游受径流的影响大于潮汐,下游则相反;径流量和潮差增大,促进上游河段平均水位增高,对分潮振幅和迟角的影响在不同河段表现不同,主要与其所处空间位置和分潮自身频率有关。

针对北极部分海域中的双声道波导现象,研究了冰层覆盖下水平变化双声道波导中的声传播。使用微扰法推导并确定了粗糙下表面的冰层反射系数,结合Bellhop射线模型,计算并分析了实测海域中双声道波导水平变化时的声传播特性,并研究了声源深度、声源入射角以及声源频率对水平变化的双声道波导中声传播的影响规律。结果表明,在北极,深海声道中的声传播大多被限制在深海声道的上、下边缘之间;声源与水平变化的深海声道轴处于同一深度时声传播损失较小,当声源位于深海声道边界以外时,水平变化的声速剖面相比于水平不变时具有更低的声传播损失;入射角对双声道波导中声传播影响较小;随着声源频率的增加,表面声道中声传播损失也随之增大,但是对深海声道影响不明显,在相同频率下水平变化的声速剖面更利于声传播。

基于多源观测数据,分析了台风右侧暖涡对2010年南海台风“鲇鱼”的响应,发现了意料之外的暖涡增强和海水下沉现象。台风“鲇鱼”过境期间,暖涡海面高度距平(SLA)最大值从30 cm增加至36 cm、半径从78 km增大至116 km、涡动能从166 m²/s²增加至303 m²/s²、振幅从3 cm增大至9 cm,台风右侧暖涡边缘的Argo站位处温跃层海水下沉20~40 m。为此,诊断分析了台风风应力旋度对暖涡的单独作用,结果显示暖涡及暖涡边缘的Argo站位处总体受正风应力旋度作用,正风应力旋度将使暖涡减弱、温跃层抬升,与观测到的暖涡增强和海水下沉结果不符。而基于实际海面流场的诊断分析表明,台风“鲇鱼”过境期间台风路径下方的海水辐散,路径右侧暖涡区域海水辐聚,暖涡SLA最大值、涡旋振幅均与辐聚强度呈正相关,Argo站位处海水下沉29 m,都与观测结果相符。个例分析研究表明,位于台风路径外围的中尺度涡对台风的响应不仅受风应力旋度的作用,还受海洋背景环境条件的调制,存在着需要深入研究的过程和机制。

该文基于美国国家浮标资料中心(National Data Buoy Center,NDBC) 浮标观测数据对哨兵一号搭载的合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR) 反演风速数据进行精度分析,并利用BP神经网络 (back propagation neural network) 对SAR反演风速的偏差进行校正;同时针对环境要素、BP神经网络训练输入的样本量以及神经网络结构参数设计了敏感性试验;最后将SAR标量风场数据转换为用u、v矢量表示的风场数据,并对u向风和v向风分别进行了精度分析和校正。实验结果表明:SAR反演风速相较于浮标观测数据出现了低估现象;经过BP神经网络校正后,SAR反演风速数据的精度得到了改善,风速的平均偏差绝对值从0.78 m/s下降到0.04 m/s,均方根误差从1.98 m/s下降到了1.77 m/s;敏感性试验表明输入质量较差的环境要素数据时BP神经网络的校正效果有所下降,而增加训练集样本量能改善校正效果;将标量风场数据转换为u、v矢量风场数据后的校正结果也显示BP神经网络具有较好的校正效果。