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为了揭示全球海域内波混合的时空分布规律并探究其影响因素,本文采用内波细尺度参数化方法统计分析了2006—2021年全球250~500 m深度段的Argo温、盐数据,得到内波混合的时空分布特征以及全球海域在不同季节下风生近惯性能通量对内波混合的影响规律。在空间上,北大西洋和南大洋全年都存在较大的风生近惯性能通量,从而产生较强的内波混合;在西太平洋和40°N以北的北太平洋,内波混合与风生近惯性能通量的空间分布不一致,与涡动能的空间分布一致,说明内波混合不仅会受到风生近惯性能通量的影响,可能还会受到涡旋的调控。在时间上,12—2月全球内波混合最强,其次是9—11月和3—5月,6—8月最弱,这与全球风生近惯性能通量的季节变化相一致。在北半球,冬季的风生近惯性能通量和内波混合最大,而夏季风生近惯性能通量和内波混合最小。在南半球,风生近惯性能通量和内波混合四个季节的变化不一致。南、北半球内波混合和风生近惯性能通量的季节循环大致吻合,尤其在北大西洋,风生近惯性能通量和内波混合吻合较好。

2023年12月,崂山实验室“深海Argo区域观测网建设”项目在菲律宾海盆布放了1台国产4 000 m级HM4000型剖面浮标(世界气象组织编号为2902895),该浮标携带了加拿大RBR公司生产的RBRargo³ deep 6k CTD传感器(以下简称RBR CTD)。布放后发现,该浮标返回的盐度观测数据与船载CTD结果以及气候态盐度值相比存在系统性的偏差。为了校正浮标盐度数据,使用现场盐度计分析结果和船载CTD测量的盐度,计算了RBR CTD电导率的偏移率,进而对浮标盐度剖面进行了校正。经检验,校正后的结果与邻近浮标和气候态盐度数据基本一致。随着我国 “深海Argo区域观测网建设”项目的启动实施,越来越多的国产深海Argo浮标将被布放,相比观测水深为0~2 000 m范围内的核心Argo(Core-Argo,仅观测海水温度和盐度),深海Argo(Deep-Argo)需要更高的观测精度才能分辨出深海更小的变化。当前,Deep-Argo使用的CTD传感器仍存在技术问题,一些浮标和传感器在存储、运输和使用过程中难免会存在不当操作,导致观测数据特别是盐度数据存在较大误差。为此,本文提出了一种使用现场比测资料对深海Argo浮标观测资料进行校正的方法,可为我国深海Argo区域观测网资料质量控制提供重要的技术支撑。

甲烷厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane,AOM)过程是冷泉沉积物中元素循环过程的重要一环。该反应一般由甲烷厌氧氧化古菌(anaerobic methanotrophic archaea,ANME)和硫酸盐还原细菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)共同完成,两者通常以共生体的方式存在。然而目前尚未获得ANME纯培养菌株,且其缓慢的代谢阻碍了对其代谢特征、协同作用机制的进一步探索和研究。本文通过杂交链反应-荧光原位杂交技术(hybridization chain reaction-fluorescence in situ hybridization,HCR-FISH)并结合16S rRNA基因高通量测序结果,调查了南海Formosa冷泉(简称F冷泉)黑色菌席区域不同深度沉积物中ANME群落组成情况及存在状态。结果显示,ANME-1和ANME-2为F冷泉沉积物中的主要ANME类群,其中,ANME-2和SRB以菌团聚集体的方式存在,而未发现ANME-1类群与细菌成团的情况。这表明ANME-2多与SRB共生进行AOM过程,并且暗示ANME-1与ANME-2存在不同的生理功能和甲烷代谢机制。另外,在所有层位的沉积物样品中,ANME-2/SRB菌团直径主要集中在3~10 μm之间。相关性分析表明,菌团直径分布与沉积物中硫酸盐浓度等环境因子显著相关,指示冷泉环境因子对ANME/SRB菌团生长的影响作用。此外,通过HCR-FISH技术进一步发现,在F冷泉沉积物中存在多个排列整齐、大小均匀的菌团连接形成的菌团簇,这种特殊结构暗示菌团间可能存在着联系或合作关系。本研究揭示了F冷泉不同深度沉积物中ANME类群的存在状态及共生菌团的大小和分布规律,为进一步揭示不同ANME类群在原位冷泉沉积物中的甲烷代谢机制和生态功能提供了基础。

深海多金属结核和沉积物中赋存丰富的微生物,研究其群落结构特征和功能对认识深海微生物基因资源和微生物成矿作用具有重要的科学意义。目前,对于深海多金属结核分布区的结核内部及结核周围沉积物的细菌群落多样性和结构特征的研究较少,特别是对微生物参与多金属结核成矿的认识十分有限。本研究利用16S rRNA全长测序技术获得了太平洋区域不同类型多金属结核与周围沉积物中的细菌群落组成,通过扫描电镜和能谱分析观察到类细菌微球结构以及结构表面的金属元素分布。研究结果表明:细菌群落组成在不同结核和沉积物中存在差异,变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)为优势门类。有些功能类群可能因具备金属氧化还原或生物膜生成能力而参与了多金属结核成矿过程,如能够驱动结核锰元素循环和锰矿物形成的希瓦氏菌属(Shewanella)和科尔韦尔氏菌属(Colwellia)。类细菌微球结构能够促进金属元素在其表面聚集,可能为矿物沉淀提供了位点。研究进一步深化了关于微生物功能及其与矿物相互作用的认识,对于认识深部生命圈的生物地球化学循环和微生物成矿过程具有积极意义。

位于南海南部的曾母-北康盆地,形成于复杂的地质构造背景下,发育了大量的油气藏和多类型的流体运移构造。地震资料表明南海南部由气烟囱、断层、管状通道、泥火山和泥底辟构成的流体运移系统,可能与水合物成藏相关,海底渗漏与似海底反射(bottom simulating reflector,简称BSR)指示了水合物存在的可能性。气烟囱形成自深部流体积聚导致的水力压裂,该水力压裂将流体运移至浅部,并且气烟囱与BSR相关,指示了水合物的富集。断层发育于深部,因与潜在烃源岩或储层相连,周围积聚了大量浅层气和水合物。麻坑是海底渗漏的指示性构造,也是冷泉水合物通常富集的区域。泥火山以及泥底辟的形成既导致了流体垂向运移,也引发了浅部地层变形和断层发育,因此其也是水合物的潜在富集区。另外,本文利用体积法对曾母-北康盆地天然气水合物的资源量进行了估算,结果表明资源量约为1.62×10¹³ m³。曾母-北康盆地具有很大的水合物资源潜力,是未来水合物勘探活动值得关注的区域。

人工岛建设在满足土地需求的同时会不可避免地对海洋生态环境造成损害,开展人工岛海洋生态修复及效果评价是海岛海岸带生态修复工作的热点和难点。该文基于压力-状态-响应(pressure-state-response,PSR)模型构建人工岛周边海域生态修复效果评价指标体系,利用最佳-最差方法(best-worst method,BWM)进行评价指标权重赋值,并结合贝叶斯网络(Bayesian network,BN)对海南日月岛附近海域生态恢复效果进行评价。结果表明,2016年至2019年,在“自然恢复为主,人工修复为辅”的修复策略下,日月岛附近海域生态环境取得了一定的修复效果,旅游休闲娱乐区、农渔业区和保留区生态环境质量的期望值分别提升了32.6%、31.7%和22.7%,其中水环境压力和沉积物环境压力明显下降,但生物状况未见改善。敏感性分析的结果表明,三个海洋功能区的生态环境质量对沉积物指标的敏感性较低,对底栖生物栖息密度的敏感性最高。未来修复措施的重点应聚焦于生物生态指标的改善。本研究可为海洋生态修复效果评价提供有益参考。

本文基于1993年1月至2021年12月的卫星高度计数据,利用最小二乘法和集合经验模态分解对舟山及邻近东海海平面的长期变化及其影响因子进行分析。研究发现,研究区海平面整体以上升趋势为主,在舟山群岛东侧海域,上升趋势更为明显;平均线性速率为0.36±0.10 cm/a,2018年起上升趋势有所减缓。研究区海平面变化具有明显的季节差异,其线性速率为秋季最大(0.37±0.12 cm/a),冬季次之,春、夏两季略小(约为0.34±0.10 cm/a)。近30年来的非线性变化趋势显示,夏、秋季的上升速率几乎不变,冬季的上升速率呈减缓态势,春季呈加速上升态势。研究区海平面变化存在年振幅增大的趋势,长期变化与温度引起的海水热膨胀效应以及风应力引起的增-减水效应密切相关。

近岸河口受到陆源输入的影响,通常表现为大气二氧化碳(CO₂)的源,而红树林生态系统一般是大气CO₂的汇。因此,准确衡量红树林河口的CO₂排放量对构建区域和全球碳收支具有重要的现实意义。东寨港位于海南岛东北部,向外连通琼州海峡,有5条主要河流汇入,西部和南部分布着成片红树林。本研究分别于2022年12月(干季)、2023年12月(干季)、2022年5月(湿季)、2023年8月(湿季)对东寨港、周边的主要河流以及邻近海域开展了4次野外调查。结果显示,表层水体CO₂分压(pCO₂)呈现从河流向港内、港外递减的趋势;温度、物理混合与生物活动都会影响干湿季pCO₂空间分布;湿季CO₂通量(8.8±8.2 mmol·m^-2·d^-1)大于干季(3.4±3.6 mmol·m^-2·d^-1),全年平均值为6.1±6.3 mmol·m^-2·d^-1,在全球红树林河口中处于较低水平;东寨港水体的年CO₂排放量将抵消红树林植物固碳量的10.4%~21.9%。

由于存在极高的初级生产和高效的碳代谢速率, 珊瑚礁海域二氧化碳(CO₂)的汇/源属性仍存有争议。为了明晰我国亚热带珊瑚礁海域CO₂的源、汇特征及驱动因素,基于2023年5月的海上调查结果并结合室内培养实验数据,本文探究了春季大澳湾(珊瑚礁海域)海水CO₂分压(pCO₂)的分布特征及主要控制机制。结果表明:春季大澳湾海水pCO₂的范围为412.9~555.7 μatm,主要表现为大气CO₂的源,平均释放通量为0.53±0.90 mmol·m^-2·d^-1。调查期间,pCO₂整体呈现近岸高于远岸的分布特征,这主要受到生物活动(净呼吸)和陆源淡水输入的共同控制。此外,海水pCO₂的日周期变化显著,其差值最高可达168 μatm。生物活动(光合和呼吸作用)的昼夜差异是导致pCO₂日变化的主要因素,在礁区和非礁区对pCO₂日变化的贡献分别为89.4%和66.4%。物理过程(温度和潮汐作用)对pCO₂昼夜变化的影响较小,其中温度变化在礁区和非礁区的贡献分别为12.7%和21.5%,其作用远低于生物过程。此外,近岸珊瑚的代谢过程可能会显著提升大澳湾局部(礁区)的pCO₂,增强海域的CO₂源属性。

全球变暖导致海平面上升,珊瑚礁等自然屏障抵御飓风和海啸等极端灾害的能力减弱,因此需在海岸附近布置海堤或淹没式人工结构物等人工屏障,以有效保护海岸。本文旨在通过数值模拟,探究淹没式人工结构物对孤立波在岸礁上的传播、变形等水动力特性的影响。采用非静压模型NHWAVE建立高精度波浪数值水槽,并通过实验数据验证模型,重点分析了入射波高、礁坪水深、人工结构物坡度、人工结构物峰宽及礁前斜坡坡度等因素对孤立波水动力特性的影响。研究表明,淹没式人工结构物会增大波浪反射系数,波浪与水体之间会形成漩涡结构,复杂的流场能有效耗散部分入射波能,从而减缓孤立波的波高和爬高。本文研究结果可为淹没式人工结构物的设计提供参考。

为探讨沙滩沉积物硅溶出对近海溶解硅收支的贡献开展本研究。2017年3—9月,在北黄海南部的烟台牟平近岸海域进行了6次现场调查,发现在水交换较弱的5—8月,溶解硅异常(ΔSi,相对于溶解无机氮增加的溶解硅的量)呈逐月累积的现象,月平均速率为1.5 μmol·L^-1。通过溶解模拟实验、理论计算和现场数据分析,发现沙滩可渗透沉积物会发生溶解,形成溶解硅输入海洋,使近岸海域溶解硅浓度升高,月平均速率为0.7~2.0 μmol·L^-1,与ΔSi的月平均速率基本一致。按照环海岸线长度进一步外推计算,黄海沙滩硅溶出量或硅酸盐溶解量,大致可以弥合黄海近岸海域夏季溶解硅收支不平衡。研究再次表明,渗透性颗粒的溶解作用可能对近海硅酸盐的总量有重要的影响。

深海中地转流与海山相互作用可激发产生近惯性内波,该内波强度与海山高度相关,与海山宽度的关系尚不明确。本文采用二维MITgcm非静力数值模型探究了地转流与深海海山的相互作用以及海山宽度对近惯性内波产生与耗散的影响。结果表明,地形强迫在海山背流面顶部边缘产生强非线性波-波相互作用,产生近惯性内波并得到发展,使得能量从地转流向近惯性内波传递;在海山高度不变的条件下,海山宽度越小,近惯性内波的强度越大,发展和衰减更快;相较海山的迎流面,背流面的近惯性内波的垂直切变更强,产生的湍流耗散更强。因此,除了海山高度,海山宽度也是调控近惯性内波生成和演化的关键因素。

基于浙江苍南海域为期一年的波浪观测数据(包含6次台风和2次寒潮事件),本研究系统分析了极端波浪(台风浪和寒潮大浪)的参数分布特征,并重点研究了典型台风“利奇马”和“米娜”的波浪演变规律。研究结果表明:台风浪受台风路径和强度的影响显著,当台风强度等级越高且移动路径越接近研究海域时,台风浪过程越剧烈,表现为有效波高和谱峰密度显著增大。夏、秋季研究海域均会受强台风的影响而引发极端台风浪。寒潮大浪在冬、春季均会出现,其强度直接受寒潮强度的影响,总体上寒潮大浪不如台风浪强度大。台风浪的影响持续时间为2~3 d,寒潮大浪的影响持续时间约为1 d。在台风/寒潮期间,最大波高和谱峰密度均存在基本同步的先增大后减小的发展变化过程。台风“利奇马”影响期间,研究海域最大波高为10.80 m,最大谱峰密度为55.10 m²/Hz,波浪频谱发展变化过程为双峰谱—单峰谱—双峰谱,波浪类型发展变化过程为涌浪为主的混合浪—风浪—风浪为主的混合浪。台风“米娜”影响期间,研究海域最大波高为8.89 m,最大谱峰密度为36.37 m²/Hz,波浪频谱主要以单峰谱为主,偶有双峰谱,波浪类型主要为涌浪,偶有涌浪为主的混合浪。

潮滩是受潮汐影响而呈现周期性淹没和出露的区域,其淹没频率可以从一定程度上反映潮滩高程。本研究利用时序合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)卫星遥感数据开展了基于潮位互补累积分布函数的潮滩地形遥感反演方法的研究,提出了基于遥感观测次数权重缩放的淹没频率校正新方法,并基于淹没频率的数学定义探究了淹没频率与潮滩高程的函数关系,构建了基于潮位互补累积分布函数的潮滩地形反演模型。以乐清湾为研究区开展方法验证,基于时序Sentinel-1卫星SAR遥感数据,成功反演了乐清湾2019—2020年与2021—2022年两期潮滩地形,并基于对应年份的ICESat-2卫星激光测高数据进行了精度验证,两期潮滩地形均方根误差分别为0.41 m与0.51 m。使用2019年的现场实测水深数据验证了2019—2020年的潮滩地形,均方根误差为0.48 m。本文提出的反演方法可以获得高精度潮滩地形,无需实测地形数据,可推广应用到潮滩地形动态监测工作中。

卫星在运行中会因传感器故障导致影像出现不规则条带状缺失,影响观测要素信息的完整性。针对静止卫星遥感影像的条带状缺失,构建基于卷积神经网络的缺失数据修复模型,对比不同时相辅助数据组合下模型修复图像的精度,确定最佳辅助数据组合。在辅助数据组合中,以待修复图像的生成时间为当前时刻(t),分别采用前4个时相(t-4,t-3,t-2,t-1)以及前、后各3个时相(t-3,t-2,t-1,t+1,t+2,t+3)为输入时,模型的修复效果佳,可用于实时和延时场景下的数据修复和重建。相比其他以单时相为辅助数据的修复模型,采用多时相为辅助数据的本文模型,修复效果更好、精度更优。模型也适用于其他静止卫星影像中的条带状缺失信息的修复。

海岛生态系统具有资源特殊性和生态系统脆弱性,科学评估土地利用变化对海岛生态系统固碳等服务功能的影响,对海岛可持续发展管理具有重要意义。浙江省洞头列岛具有典型的海岛生态系统,经历了填海造陆等开发利用和蓝色海湾建设等保护修复的改造,可作为构建土地利用变化对海岛海岸带生态系统固碳等服务功能影响评估方法及探讨管理措施成效的良好样本。本研究以洞头列岛为例,构建了基于XGBoost算法的土地利用分类模型,获得了1988—2023年共12期(每3年1期)土地利用分类数据(精度91.52%)。在此基础上,计算了洞头列岛林地、盐沼和滩涂等主要生态系统固碳量变化;结合社会经济统计数据,构建了洞头列岛“经济发展-土地利用-固碳功能”耦合协调度模型,探讨了洞头列岛30多年发展过程中的经济和生态耦合协调度。研究结果显示,1988—2023年间,由于自然淤长以及人为围垦造陆等作用,洞头列岛陆域总面积增加了34.97%;主要生态系统总固碳量和净固碳量累计总量分别为49.45 万t和46.13 万t,基本呈现震荡上升趋势;固碳主要源于林地和滨海湿地(滩涂和盐沼),累计固碳量分别为25.44 万t和24.01 万t。洞头列岛的“经济发展-土地利用-固碳功能”在2006—2023年间耦合协调程度处于协调状态。整体上耦合协调度受到土地利用变化影响较大,生态修复工程可以提高土地利用和固碳功能的综合评价指数,进而提高整体的耦合协调度。本研究可为海岛海岸带社会经济发展和生态环境保护规划提供科学理论和数据支撑。

基于响应系数的数值模拟是在港湾环境容量评估中的常用方法之一,但目前常见的海洋模型中没有可同时计算多个释放点的响应系数场且互不干扰的示踪物模块。针对响应系数法的特点,本研究对三维水动力海洋数值模型FVCOM(Finite-Volume Community Ocean Model)的示踪物模块(dyeing tracking, DYE)进行改进,在模型原有DYE模块的基础上增加多个功能与原DYE模块相同的独立模块,即并行计算多个DYE模块,使FVCOM能够同时计算多个互不干扰的保守示踪物模块。以一个理想地形矩形案例和一个象山港理想地形案例进行了测试。结果显示,改进算法模拟的多点源示踪物平流扩散过程互不影响,且模拟的响应系数场与传统算法一致;相较于传统算法,改进算法的计算过程耗时更短,对理想矩形案例的计算效率最高提升了85%,对象山港案例最高提升了78%;在并行运算的条件下,改进算法对CPU进程的利用率更高。使用改进后的DYE计算响应系数场可以缩短海洋环境容量评估的整体用时。

总氮(total nitrogen,TN)是衡量水体富营养化的重要指标,了解其时空变化对近海海洋生态管理有着重要意义。本研究以珠江口-江门海域为研究区,基于2021—2023年实测数据、2003—2023年MODIS和2017—2023年Sentinel-3遥感影像,筛选出与TN质量浓度高相关性波段组合,构建随机森林回归模型,并根据模型反演的TN,分析其在不同尺度下的时空特征。反演模型的精度良好(R²为0.797~0.931)。反演结果显示:2003—2023年珠江口-江门海域TN质量浓度整体呈下降趋势,其中2003—2015年质量浓度较高,2016年后显著下降;TN有明显丰/枯季变化,入海口和浅水海域的年内变化明显。本研究通过遥感反演分析了研究区TN变化趋势和分布特征,可为近岸海域污染物管控措施的制定提供依据和参考。

淤泥质滩涂碳汇是海岸带蓝碳的重要组成部分。微藻作为淤泥质滩涂的主要初级生产者,对固碳和储碳起重要作用,但目前对我国淤泥质滩涂微藻群落组成及其碳储量的研究较缺乏。本研究于2021年8月采集了浙江温岭隘顽湾淤泥质滩涂的微藻样品,进行显微镜检并基于细胞生物体积估算其碳储量。调查区域内共检出微藻4门59种,群落组成以硅藻占据绝对优势,主要优势属包括圆筛藻Coscinodiscus、菱形藻Nitzschia、布纹藻Gyrosigma和针杆藻Synedra等。各调查站点的微藻丰度和生物量表现出明显的空间异质性,这可能与陆源输入有关;此外,闸口强水流冲击形成的潮沟也可能影响微藻的沉降与再悬浮过程。根据微藻的生物量估算,调查期间隘顽湾淤泥质滩涂微藻碳储量约为2 134 t,其中浮游型微藻的沉降输入占比约为60%。本研究结果强调了浮游型微藻的沉降输入对泥滩微藻群落组成及碳储量的重要影响,可为淤泥质滩涂碳汇来源的精确评估提供科学依据。