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。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

准确监测和评价滨海电厂温排水的温升强度和时空分布,对于滨海电厂的安全作业和周边海域生态环境保护具有重要意义。基于热红外遥感观测技术,可以获取滨海电厂温排水空间分布、温升强度和时间变化等信息,已成为滨海电厂温排水监测的重要手段。本文从遥感数据源、水体温度反演、温排水背景温度信息提取、温排水时空统计及其影响因素分析等多个方面系统综述了利用热红外遥感技术监测滨海电厂温排水的研究现状和进展,并提出了未来滨海电厂温排水遥感研究的方向。

岛群是中国近岸海岛的典型存在形式,开展岛群及其内部海岛之间的景观格局演变研究可为海岛资源管理提供理论依据和技术支撑。基于洞头区六个有居民海岛(洞头岛、半屏岛、大三盘岛、花岗岛、霓屿岛和状元岙岛)2008年、2014年、2018年和2022年4期的高分辨率遥感影像,计算了岛群和单个海岛的景观格局指数。结果表明:1)研究期间岛群景观中林地、水域、耕地面积占比呈持续下降趋势,建筑用地、工矿用地、道路面积占比持续上升。2)洞头岛、大三盘岛、霓屿岛和状元岙岛的景观格局变化幅度大,前两者以建筑用地增加为主,后两者以工矿用地增加为主;半屏岛和花岗岛的景观格局相对稳定。3)各海岛间的开发活动相互关联,景观有序演变,霓屿岛和大三盘岛的林地变为采矿区,支持了洞头岛、状元岙岛水域的围填和后续的开发建设;随着大岛的建设和发展,周边小岛的发展也开始起步。

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。

本文以2021年中马国际合作航次获得的实测重力、磁力和二维多道地震剖面资料为基础,对横穿马达加斯加岛西南陆缘的CMD01剖面进行解释分析和重震联合反演,研究马达加斯加岛西南陆缘的地壳结构、构造单元及其演化过程。通过建立马达加斯加岛西南陆缘地壳密度模型,发现该陆缘具有减薄的陆壳,部分区段存在岩浆底侵作用;由陆向洋可划分出减薄陆壳、洋陆过渡带和洋壳等构造单元。其中,由于戴维断裂带的走滑运动对陆缘的影响,洋陆过渡带呈现出典型的转换型陆缘的构造特征。结合地壳密度模型和板块重建研究,重建了马达加斯加岛西南陆缘的发育演化过程。研究成果对于深化冈瓦纳大陆的裂解分离、东非被动陆缘的发育演化和海域划界等均具有重要的理论意义和实际应用价值。

洋中脊的地形地貌特征直接受构造运动和岩浆活动控制,对其进行研究可以了解洋中脊的构造演化历史和岩浆作用过程,对于海底矿产资源的勘探具有重要意义。本文利用中国大洋24航次采集的船载多波束声呐数据,用定量分析的方法对西北印度洋卡尔斯伯格脊61°24'E—61°48'E段的地形地貌特征开展研究,计算了岩浆侵入比及断层相关指数,并探讨了研究区的岩浆-构造意义,获得了以下认识:1)研究区可划分为A、B、C、D四个二级洋中脊段,其岩浆-构造活动期间隔分别为0.15、0.50、0.70和0.21 Ma。2)洋中脊A段和B段为不对称扩张段,岩浆贫乏,以构造作用为主,处于构造活动期;洋中脊C段为对称扩张段,岩浆较为充足,以岩浆作用为主,处于轴向火山脊构建期;洋中脊D段为对称扩张段,岩浆贫乏,以构造作用为主,处于构造活动期。3)在洋中脊段两侧断层核密度值高的区域,有可能形成热液活动区,将是未来进一步勘探的目标区域。

本研究基于2022年3月在杭州湾海域的航次调查,阐述了春季杭州湾及其邻近海域溶解氧化亚氮(N₂O)的空间分布特征与海-气交换通量,并分析其影响因素。 结果表明,春季杭州湾及其邻近海域表层水体溶解N₂O的浓度与饱和度范围分别为12.5~21.3 nmol·L^-1和115%~183%,其中,上、中、下游N₂O浓度平均值分别为17.2±2.9、14.1±0.8和13.2±0.7 nmol·L^-1,饱和度平均值分别为151%±17%、125%±6%和123%±6%,所有站位的溶解N₂O均处于过饱和状态。表层水体N₂O浓度和饱和度的分布显示出明显的空间差异性,高值集中在上游,且自西向东逐渐递减,中、下游呈现自北向南逐渐递减的趋势。温度、河口混合、河流输入和生物过程对春季杭州湾及其邻近海域溶解N₂O的分布具有重要影响。N₂O海-气交换通量范围为11.4~71.2 μmol·m^-2·d^-1,平均值为29.5±16.0 μmol·m^-2·d^-1。与国内其他河口、海湾相比,杭州湾的N₂O海-气交换通量相对较高,N₂O释放潜力大。根据海域面积,本研究初步估算春季杭州湾及其邻近海域N₂O的释放量为3.5×10⁵ mol·d^-1,表明其在大气N₂O排放中扮演着重要的角色。

南极磷虾(Euphausia superba)是维持南大洋生物多样性的关键物种,是南大洋的重点保护与限制捕捞对象。在气候变化对南大洋生态环境持续显著影响的背景下,亟需了解南极磷虾的时空分布、变化趋势及其栖息地适宜性。本文基于南极磷虾出现记录及长时序遥感与再分析数据,利用藻华物候与海冰消长的时序特征参数及相关环境参数,构建了宇航员海与迪尔维尔海南极磷虾栖息地适宜性的最大熵模型(Maxent)。研究发现,相较于常规单一时刻环境参数,时序特征参数更适合用于南极磷虾栖息地适宜性评估。基于Maxent模型,反演了两个典型海域超过20年的南极磷虾出现时间和频率变化序列,并通过分析多个环境参数的年际变化趋势进行机制解释。南极磷虾出现时的环境参数显示,宇航员海整体叶绿素质量浓度低于迪尔维尔海,无冰期更短,温度更低,南极磷虾出现时间更晚,且主要由沿岸区域的南极磷虾幼体与年轻个体构成。在1997—2019年,宇航员海沿岸区域磷虾出现时间逐渐提前,出现总天数逐年增多,主要是由于沿岸区域藻华起始时间提前,同时叶绿素质量浓度增加也为南极磷虾幼体提供了更充足的食物来源。迪尔维尔海受海水增温、无冰期缩短、叶绿素质量浓度降低等环境变化趋势的影响,该区域磷虾成熟个体或向更适宜环境迁移,南极磷虾每年出现总天数下降。在模型构建基础上,本研究首次获得了宇航员海与迪尔维尔海的南极磷虾长时序分布数据,可为了解气候变化对南大洋生物的影响、南大洋保护区规划与渔业管理提供科学依据。

利用美国联合台风预警中心的热带气旋最佳路径数据集、欧洲中期天气预报中心的风速数据和海平面气压场数据,本研究基于风应力特征设计了一种简便追踪器用于检测1985—2014年西北太平洋热带气旋,并评估了该追踪器的性能指标。研究结果表明,追踪器能较好重现西北太平洋热带气旋的时空结构特征,热带气旋峰值期集中于8—10月,高频位置随季节南北移动的规律也与观测结果一致。此外,该追踪器使用海平面气压最小值作为划分热带气旋强度标准,识别出的各个强度热带气旋数量也与观测结果基本吻合。追踪器的检出概率和误报概率均表现良好,与前人设计的追踪器效果相当。追踪器检测到的热带气旋中,约有90%的热带气旋中心位置与观测结果的经纬度偏差小于等于1°,生命期偏差小于等于2 d,能较好地反映热带气旋完整的移动演变规律。

本研究基于1990—2020年高分辨率卫星遥感海面温度数据,采用深度优先搜索算法识别了南海海洋热浪面积,并探究了不同空间尺度南海海洋热浪的特征。研究结果表明,南海小尺度海洋热浪事件(Ⅰ类海洋热浪,面积<1.8×10⁴ km²)发生最为频繁,占总发生次数的94.20%。大尺度海洋热浪事件(Ⅲ类海洋热浪,面积>1.2×10⁵ km²)在31年期间仅发生74次,其中面积最大的热浪事件发生在2015年。进一步分析发现,不同面积海洋热浪的平均强度、持续时间以及发生频率的空间分布有显著差异性。相较于Ⅰ类海洋热浪,Ⅱ类海洋热浪(面积为1.8×10⁴~1.2×10⁵ km²)平均强度超过1.5 ℃的空间范围明显增加。统计分析表明,南海海洋热浪面积增加,其平均强度和累积强度均增强,持续时间也随之变长。Ⅲ类海洋热浪事件累积强度的中位数分别是Ⅰ类的1.4倍,是Ⅱ类的1.2倍。进一步研究发现,厄尔尼诺时期Ⅰ~Ⅲ类海洋热浪的面积均显著增加,并且存在6~7个月的滞后关系。厄尔尼诺时期Ⅲ类海洋热浪事件持续时间比拉尼娜时期长2 d。本研究探究了南海海洋热浪面积的基本特征,并进一步分析了不同空间尺度海洋热浪的共性和差异性,为研究南海海洋热浪生消特征及机制提供了新的研究思路。

“三重”拉尼娜在历史上罕见,但已经对全球天气和气候系统带来了深远影响。为了提高对 “多重”拉尼娜成因理解和对天气、气候的预测能力,本文通过多套观测和再分析数据,采用合成分析等方法对2020—2023年“三重”拉尼娜期间热带太平洋年际、季节尺度特征以及相应的海气相互作用过程进行了对比和分析。结果显示: 2020年拉尼娜峰值在冬季,持续时间在“三重”拉尼娜中最长;2021年拉尼娜峰值也出现在冬季,表现为“东部型”,冷中心靠近东部;2022年拉尼娜在秋季暴发,强度相对较弱,持续时间最短,冷中心位于中部,呈现“中部型”特征。进一步研究发现,纬向风的变化与海面温度的变化存在耦合关系,但在“三重”拉尼娜期间,东风异常的强度和位置变化较小。相比之下,次表层海温的变化与海面温度异常中心的变化高度一致,它可能是导致拉尼娜强度和类型差异的关键因素。尽管东传开尔文波对海洋系统有一定影响,但它的传播速度和强度在“三重”拉尼娜期间的变化较小。此外,研究发现暖水体积增长速率的不同造成了各重拉尼娜事件之间的强度差异,而暖水的经向辐合与辐散则导致了拉尼娜的季节锁相现象。

结合涡分辨率数值模拟数据和历史水文观测数据,研究了印尼贯穿流之下两支次表层潜流——位于翁拜海峡的翁拜潜流和帝汶通道的帝汶潜流的来源和季节与年际变化特征。 结果表明,这两支潜流存在于大约200~800 m深度之间,是一个准永久性存在的潜流系统。翁拜潜流的形成主要与南爪哇潜流的东伸有关,而帝汶潜流水体来源较为复杂,主要是南爪哇潜流和卢温潜流的混合水。两支潜流均具有明显的季节变化和年际变化,其中在季节尺度上,具有显著半年周期,通常在印度洋季风转换期(4、5月份和10月份)流量达到峰值。结合历史风场、卫星高度计和温盐观测数据,发现与局地风场及其上升流相关的次表层经向压强梯度是导致其季节变化的主要因素。在年际尺度上,潜流存在2~4 a的周期,与印度洋偶极子存在显著相关。

海底地形具有非常重要的商业、工程、军事和科学研究价值。目前,常用重力场数据反演海底地形,如自由空气重力异常和垂直重力梯度。然而,由于现有方法反演海底地形具有较强的多解性,仍然无法准确获取高精度的海底地形。该文提出了重力-密度法与随机森林结合的数据-知识驱动新方法,以重建准确的海底地形。该方法在中国南海海域进行了测试,并与重力-密度法、随机森林以及现有的SIO模型进行了对比分析。反演结果显示,数据-知识驱动提供了更好的反演性能,随机森林和重力-密度法次之,SIO模型最差。相比于重力-密度法,数据-知识驱动的平均绝对误差、平均相对误差和均方根误差分别降低了21%、25%和7%;而相比于随机森林,它们分别也降低了20%、20%和20%。此外,数据-知识驱动模型与船载测深数据具有较高的一致性,其差值大约有72%分布在±10 m范围内,占比高于其他三种模型。该结果证明了数据-知识驱动方法在海底地形反演中的可行性和有效性,有助于加快高精度海底地形的绘制。

该文基于开源软件OpenFOAM求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,实现了对于波状涌潮(Fr=1.2~1.3)的数值模拟,并与物理实验数据比较,验证了数值模拟的准确性。使用CONV1D卷积神经网络模型对数值模拟数据进行了学习,预测出在具有斜坡地形上的涌潮水动力发展过程。对比涌潮到达x=30.0 m 测点处的用时和该测点的最高水位的模型预测结果与数值模拟结果可知:到达用时的平均相对误差为2.28%,最高水位的平均相对误差为3.73%。较小的相对误差证明了CONV1D模型的准确性。该文对于涌潮的水动力过程模拟、与涌潮相关的灾害预警以及初生涌潮未来发展趋势研究都具有一定意义。

海冰类型是极地海冰的重要属性之一,多年冰的物理性质较一年冰有着显著差异,因此识别海冰类型对极地气候变化研究和冰区船舶航行保障意义重大。卫星遥感是获取多时序、大范围海冰信息的有效手段。该文以北极西北航道和东北航道为研究区域,基于3个深度学习模型(ResNet、Vision Transformer、Swin Transformer)对Sentinel-1卫星双极化合成孔径雷达影像进行海冰分类研究。 结果表明,8×8像素切片数据集的海冰分类效果优于其他尺寸切片数据集;对假彩色合成图像进行偏移量处理能够有效地减少噪声对海冰分类的影响;在3个深度学习模型中,Swin Transformer模型分类精度最高,整体准确率和Kappa系数均在98%以上。比较多年冰密集度数据发现,3个模型的结果与AMSR2的偏差均小于10%。

该文利用线性回归函数,根据卫星测高及中国沿海6个验潮站数据估算出1993—2020年中国沿海绝对海平面上升速率为4.17±1.32 mm/a,相对海平面上升速率为4.47±0.90 mm/a。将1958—2020年的大气数据、海洋数据及气候模态指数作为预报因子,建立了长短期记忆神经网络模型(LSTM模型)、循环神经网络模型(RNN模型)、门控循环单元神经网络模型(GRU模型)和支持向量机回归模型(SVR模型)等多种神经网络模型对中国沿海6个验潮站周边的相对海平面变化趋势进行预测。模型评估结果表明,同时引入大气变量、海洋变量及气候模态指数变量的LSTM模型取得的预测值与观测值的平均相关系数和均方根误差分别为0.866和19.279 mm,在4种模型中表现最佳,可以作为一种新型的预测相对海平面变化的方法。

极深对流云是热带气旋(tropical cyclone,TC)快速增强的前兆,为预报西北太平洋TC快速增强,该研究开发了一种使用极深对流云相关数据的机器学习模型。该机器学习模型整合了飓风强度统计预报快速增强指数(Statistical Hurricane Intensity Prediction Scheme-Rapid Intensification Index, SHIPS-RII)数据与TC中心300 km半径范围内极深对流云的覆盖面积。基于2011—2019年的数据,对24 h内TC增强超过30 kn和35 kn的快速增强事件分别进行了预报,相较于仅使用SHIPS-RII数据的模型,该机器学习模型在皮尔斯技能得分(PSS)方面分别提升了5.66%和9.58%,在检测概率指标(POD)方面分别提升了8.41%和8.55%。用该模型对典型台风杜鹃(Dujuan,2015)进行预报,其结果证明整合了极深对流云覆盖面积的模型在快速增强预报中具有优势,主要体现在TC初始强度较强时发生的快速增强预报。该模型对于强台风的预报具有较大的应用潜力。

相较于半理论半分析和数值模型的波浪预报方法,智能波浪预报有着精度高、计算资源需求低的优势。该文基于卷积长短期记忆网络(convolutional long short-term memory network, ConvLSTM)算法,建立了有效波高(significant wave height, SWH)二维预报模型,以中国东南沿海2014—2022年ERA5数据进行训练,通过敏感性试验优化模型配置,并开展中国东南沿海SWH在2023年4个预报时效(6 h、12 h、18 h、24 h)下的预测性能评估。敏感性试验显示,输入时间序列长度N=4(即输入-18 h, -12 h, -6 h, 0 h的SWH值)时,模型在4个预报时效下的准确性均优于其他时间序列长度;输入物理要素组合为SWH、平均波向和海面10 m 风矢量时,模型在12 h、18 h和24 h预报时效下的准确性优于其他组合。通过对ConvLSTM模型训练及配置的精细调整,可以实现对中国东南沿海SWH的二维、高精度的智能预报。

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。