基于复杂网络的海洋涡旋移动特征研究——以南海为例

海洋涡旋作为一种快速连续变化的海洋现象,如何分析和挖掘其移动特征成为当前海洋涡旋定量研究的重点。本文引入空间数据挖掘的社区网络划分方法,将涡旋过程看作复杂的移动网络,对涡旋移动的聚集性特征进行探索和分析。首先,以网格为统计单元对1992-2011年近20年南海海洋涡旋移动数据进行组织,基于图论模型构建了涡旋瞬时移动（TP）,涡旋移动起止点（OD）,涡旋最小描述距离的特征点移动网（MDL）和涡旋过程移动再生数据（RSP）4种状态的海洋涡旋的移动网络图;其次,采用基于快速模块度优化的区域划分方法分别得到4种状态下涡旋移动的聚集性区域;最后,利用弦图对区域内和区域间涡旋移动规律进行了可视化分析,发现海洋涡旋的RSP数据能够弥补原始涡旋移动数据在区域划分方法中呈现的数量不足的问题,能够在足够数据量的情况下,有效地发现从起点到终点的主要移动通道和涡旋移动的聚集性区域,这些区域反映了南海涡旋从其产生、发展到结束整个演化过程的聚集性特征。     

黄河河口泥沙输移分布特性及其回归计算

在分析黄河河口泥沙输移和分布影响因素的基础上,分径流区域、径流潮汐区域和外海区域3个不同区域对黄河河口泥沙的输移和分布规律进行了系统探讨总结;利用实测资料对河口清水沟流路的泥沙分布特征进行了分析,并据此得出了河口泥沙沉积分配的回归计算式。     

渤海和黄海北部波高与周期联合分析

分析波高与周期的联合分布特征对于海洋平台设计、海洋工程建筑等有着重要的意义。基于SWAN模型模拟的波浪后报数据对渤海和黄海北部1999~2018年的波浪特征进行了统计分析。分别对20年的波高和周期数据进行了统计分析,得到了研究区域20年有效波高和波周期的季平均值和最大值的区域分布特征。然后以散布图的形式刻画了整个区域20年波高和周期的联合分布特征。为了更深入地研究波高和周期的联合分布规律,选择了两个研究点A1和A2,A1在渤海内部相对近岸,A2在黄海北部深海区。统计结果表明,在A1和A2,波高与周期的联合分布特征较为相似,均呈现斜三角形的分布特征,然而大波高大周期的波浪却呈现不同的分布特征。最后,利用20年的波浪后报数据,在A1和A2点构建了有效波高和谱峰周期的联合概率模型,并采用IFORM法得到了50年、100年和200年重现周期的环境等值线,为研究海域海上结构物的可靠性设计提供了参考。     

北太平洋副热带逆流区中尺度涡旋的统计特征及其分布规律

本文基于卫星高度计得到的全球非线性中尺度涡旋数据集,分析了北太平洋副热带逆流(Subtropical Countercurrent.STCC)区域中尺度涡旋的统计特征,包括其基本特征、空间分布、传播特征、季节和年际变化;给出了该区域涡旋振幅、半径、旋转速度和罗斯贝数的分布直方图,并利用瑞利分布和对数正态分布对其进行了拟合。结果显示,涡旋振幅、半径、旋转速度和罗斯贝数的直方图很好地服从于对数正态分布。此外,通过与北太平洋中涡旋的对比研究,我们发现在STCC区中对数正态分布的拟合效果更好。本研究提高了对STCC区域中尺度涡旋统计特征的认识,明确了其与大洋中涡旋的区别;通过对数正态分布对涡旋特征的拟合,清晰地体现出了其分布规律,这在很大程度上降低了对观测数据的依赖,从而帮助我们更加有效地判断和预测涡旋特征的变化,同时为数值模式中涡旋的参数化提供了依据。     

基于LLC4320环境数据的吕宋海峡声学特征分析

声波是水下信息获取和目标探测的主要手段,其在海洋波导中的传播特性及声场分布与海洋动力环境紧密相关。基于LLC4320再分析数据,针对吕宋海峡及其周边海域,开展了局部环境场特征和声学特征分析,评价了高分辨率数据对于声学特征研究的适用性。首先,通过分析该区域1月温盐场的时间和空间变化特征,结合跃层的空间分布和时间变化,研究了吕宋海峡区域的动力环境特征;其次,开展了声传播规律的研究,并评价了声速、声传播特征等与温盐场的相关性,可为高分辨率的海洋数值模拟在海洋声学特征研究中的应用提供参考。     

基于IDW 的埕岛海域水下三角洲地形演变

为研究埕岛海域水下三角洲地形演变,利用1958—2014年间埕岛海域7个不同时期水深点的数据,采用 不同插值方法开展适用性比较,确定选用反距离加权法进行数据插值,生成研究海域范围内7期水深地形图。通过栅格计算对不同时期的水深地形进行研究,分析比较了各个时期的地形特征,总结出区域内地形演变规律。研究表明,埕岛海域内整体地形呈西南高东北低走势,3~12 m 等深线间水下岸坡地带地形最为复杂且变化剧烈,走河期淤积中心不断向东北方向推进,最大淤积厚度超过12 m,废弃后侵蚀中心逐步向岸移动,且后期侵蚀速率明显降低,形成了“陡-缓-陡”的地形特征。     

浙江近海潮流和余流的特征

依据近年来浙江海岸带和海岛调查的实测海流数据,研究了浙江近海的潮流、余流特征和分布规律。由实测数据得到调和分析的一些参数,并根据这些参数分析了浙江近海的潮流性质、潮流运动形式、最大可能流速、M2分潮潮流椭圆、潮流的垂直分布及冬、夏季的余流分布,从而对浙江近海整个区域的潮流、余流特性有了一个较为全面的认识。     

基于空间插值的长江口邻近海域春季悬浮物和叶绿素a空间分布分析

针对目前利用实测数据对长江口邻近海域水质状况进行分析研究相对偏少的情况,基于“淞航”号2018年春季航次对该海域的综合观测,利用实验室水样分析数据对船载温盐深仪（CTD）的测量数据进行校正,并对该区域2018年春季时节悬浮物（TSM）和叶绿素a(Chl-a)浓度的空间插值结果进行分析。研究结果表明：CTD观测数据与水样分析数据呈较强线性相关关系。反距离权重插值对TSM和Chl-a浓度空间分布具有整体最优的效果。TSM浓度在近岸和近海底较高,在观测区域内出现两个高值中心;Chl-a浓度在近岸海域较高,有较明显的片状高值结构,垂向上表层较高。TSM与Chl-a浓度分布在长江口南北表现出不同的特征,且两者具有一定的负相关性。长江径流、外海洋流、潮汐混合等水动力过程是影响该区域TSM和Chl-a浓度分布的主要因素。     

北部湾沿海土地利用变化时空特征及情景分析

基于遥感技术监测北部湾沿海2000年~2010年土地利用变化特征,应用多要素数据和LogisticCA-Markov耦合模型模拟土地利用变化并进行多情景分析。结果表明:2000年~2010年,耕地是土地转化的主要来源,城镇、农村居民点及交通工矿的扩张主要来自于耕地,城镇化加剧增加了耕地保护的压力;2005年~2010年,沿海围填海的速度较快,导致海岸线形态发生显著的变化以及海岸带脆弱性的加剧;基于区域环境与生态保护、经济社会发展的历史过程特征和相关规划,设计既有趋势延续、城镇化优先、生态保护优先3种情景,模拟得到2020年、2025年的土地利用分布数据;综合土地利用变化的历史特征和情景分析的结果,提出未来土地利用优化的策略与措施,包括:优化城镇化空间布局及其发展质量,严格保护沿海湿地尤其是红树林湿地,变化热点区域合理规划未来的土地利用方向等。     

2013年夏秋季黄、渤海悬浮颗粒物及粒径分布特征研究

悬浮颗粒物及粒径是水质重要参数,其分布特征研究有助于加深对海洋生态环境的了解。利用2013年6月和2013年11月LISST-100观测数据,研究了黄、渤海区域悬浮物粒径和浓度的分布情况,浓度分布整体上呈现近岸高远岸低的状况,粒径分布呈现近岸细远岸粗的特征,季节分布特征明显;通过典型断面分析,悬浮物粒径和浓度随着水深变化明显,连续站数据分析结果表明大风对底层颗粒物的再悬浮作用显著,潮流对悬浮物的时空分布有着重要影响;水体衰减系数随着体积浓度变化明显;此外,还研究了悬浮颗粒物粒径Junge分布在黄、渤海区域的适用性。     

WOA18模型在远海地形测量中的运用研究

随着我国远海地形测量的日益频繁,进一步提高测量的效率和精度成为研究的热点。利用WOA18数据,对远海地形测量所涉及海域温盐等海洋要素时空分布规律展开预先分析,由此得到该海域声速垂直和水平分布规律,再利用层内常梯度的声线跟踪方法,对相关海域声速剖面获取频次和线性变化开始深度展开定量研究。结果表明,WOA18数据不但能较好优化远海多波束地形测量声速剖面,还能对声速剖面获取的频次和线性变化开始深度做出较好预测,研究结果对提高远海地形测量的精度和效率具有较高价值。     

不同周期分潮簇对复杂河网潮位分布的影响

在不规则半日潮为主的河口,半日和全日周期的分潮簇在很大程度上影响了潮位的振幅。但当潮波向三角洲河网内部传播时,由于不同周期分潮簇的振幅沿程变化速率存在差异,特别是半月周期分潮簇振幅作用得到增强,使得不同周期分潮簇对河网内潮位分布的影响具有明显的区域性特征。通过珠江三角洲河网一维水动力模型得到研究区域内高频且长周期的潮位资料,基于小波分解重构出主要周期分潮簇的振幅,采用谱聚类图像分割算法,通过像素分割计算确定综合相似度,从图像学等角度论证了不同周期分潮簇与复杂河网潮位分布的空间关联性。研究发现,半日和全日周期的分潮簇影响了复杂河网口门潮位振幅的量值,但半月周期的分潮簇却影响了复杂河网整体潮位分布的形态特征。     

不同周期分潮簇对复杂河网潮位分布的影响*

在不规则半日潮为主的河口, 半日和全日周期的分潮簇在很大程度上影响了潮位的振幅。但当潮波向三角洲河网内部传播时, 由于不同周期分潮簇的振幅沿程变化速率存在差异, 特别是半月周期分潮簇振幅作用得到增强, 使得不同周期分潮簇对河网内潮位分布的影响具有明显的区域性特征。通过珠江三角洲河网一维水动力模型得到研究区域内高频且长周期的潮位资料, 基于小波分解重构出主要周期分潮簇的振幅, 采用谱聚类图像分割算法, 通过像素分割计算确定综合相似度, 从图像学等角度论证了不同周期分潮簇与复杂河网潮位分布的空间关联性。研究发现, 半日和全日周期的分潮簇影响了复杂河网口门潮位振幅的量值, 但半月周期的分潮簇却影响了复杂河网整体潮位分布的形态特征。     

巴伦支海和喀拉海区域海冰变化关键过程及热力响应

巴伦支海和喀拉海区域是北极海冰变化最显著的地区之一,由于该区域海冰厚度和海冰流速观测数据的不完整,对于巴伦支海和喀拉海区域海冰体积时空变化特征的认识还不够完善,对引起该区域海冰变化的关键过程及海冰对热力学因素的响应理解也不够清晰。本研究综合利用1991—2019年海冰流速和海冰厚度再分析数据与海冰流速模式数据,定量分析了巴伦支海和喀拉海区域海冰变化的主要贡献来源。结果表明,相较于外部的海冰输运变化,局地海冰变化贡献是该区域海冰总体积变化的关键过程。外部海冰的贡献主要由斯瓦尔巴群岛与北地群岛之间的海冰向外输出增加和内向输入减少共同作用引起。在局地海冰变化中,海冰体积减小主要由喀拉海和巴伦支海北部以及喀拉海南部海冰厚度减小所致。区域内海冰分别和海表温度以及地表气温呈现较为显著的负相关性变化。海冰与海表温度高相关性区域的分布与海表温度增暖较快的区域相一致,春、夏季主要位于巴伦支海,秋、冬季扩大至巴伦支海和喀拉海大部分区域。海冰与地表气温之间的平均相关系数高于与海表温度的相关系数,高相关性区域的分布与海冰厚度减小明显的区域分布相似。     

基于LANDSAT 8卫星热红外影像反演珠江口海表温度

海水表面温度是研究气候变化的重要参数,具有巨大的研究意义.在近海海域进行研究时对分辨率具有较高的要求.在珠江口区域,利用LANDSAT 8影像热红外波段,结合美国中等分辨率成像光谱仪(MODIS)的近红外水汽二级产品MOD05,运用Jiménez-Mu1oz提出的单通道法,优化了部分参数,建立海表温度的反演流程.为了确定可行性,将与LANDSAT 8影像同一日期的MODIS海表温度产品MOD28作为实验的对照组,利用实测数据对比验证2组数据的质量.结果表明,反演结果时空分布规律与MOD28趋近一致,均呈现为夏季西高东低而冬季西低东高,全年温度变化接近准正弦曲线,并且反演结果精度更优,具有良好的应用前景.     

海温观测资料的三维时空分布和偏度特征研究

利用包含Argo和WOD05的历史现场观测数据集,分析研究了全球历史海温观测的三维时宅分布特征,并对观测数据的偏度特征进行研究.研究结果表明:1)海温观测数据在全球许多海域(特别是南大洋和北冰洋)较为稀少,大多数观测集中在北欧沿海、北美的东西部沿海和西北太平洋区域以及其他少数区域;北半球观测数据明显多于南半球;2)海温具有明显的非对称性分布特征,其非正态分布和有偏现象是一个全球的普遍现象,且随着海区和深度而变化;非正态分布网格数量在任意给定的深度层次上占总网格数的比率超过80%:3)海温观测在各水平层次总体上具有正偏的特性,但在黑潮、湾流、南极绕极流等区域呈现出负偏的特征;具有正偏分布特征的区域网格数量占全球网格总数的比例随着深度的增加而增加,至600 m时达到75%左右.     

厦门湾海域表层沉积物分布特征及其动力响应

沉积物分布对河口海岸地区的地貌演变和岸线变化非常重要。本文收集了2008年9月厦门湾海域的230个表层沉积物样品的数据,研究其表层沉积物空间分布和运输特征。厦门湾海域表沉积物的粒度分布特征非常明显。同时在应用GSTA模型对沉积物进行输运趋势分析的基础上探讨该区域泥沙运移趋势。结果表明,该海域有八种沉积物类型,粘土质粉砂占有比例最高,为65.22%;而且在不同的分区,由于不同的沉积物源和水动力条件,粒度参数特征也有所不同。径流、潮汐和波浪是海床表层沉积物、滩涂变化的主要控制动力,泥沙运动趋势与水动力条件密切相关。     

谱混合模型方法优化及其在海洋水团分析与水交换研究中的应用

优化了谱混合模型(Spectral Mixture Model,SMM)分析方法,提出了谱混合模型方法中两个关键参数的一般优化方案。优化后的方法能够对大量的数据样本进行快速聚类分析,并通过求解概率密度函数确定不同聚类之间的混合区域。以该方法在海洋水团以及水交换中的应用为例,详细阐明了谱混合模型方法的工作原理及过程。在谱聚类方法基础上建立的谱混合模型分析法,避免了传统模糊聚类分析方法的不足,即使在物理量的散点数据分布呈现广泛连续性时,仍然能够抓住数据时空分布的主要变化方向,其在水团的辨别、水团边界以及水交换混合区的分布及其变化规律的研究中具有广泛的应用。     

不同时段下海平面相关参数的差异分析

验潮站观测的海面高度数据是监测海平面变化以及确定平均海面时常使用的重要基础观测信息,针对平均海面以及相对海平面变化速率在不同时段观测资料下结果的差异进行了分析,统计了不同时间尺度平均海面确定的差异,并设计了两组数据实验,具体讨论了不同年份19年观测以及观测时长逐年累加两种情况下,相对海平面变化速率确定结果的规律。实验结果表明,月平均海面具有明显的季节性变化,最大互差可达几十厘米,1年平均海面基本稳定,19年平均海面精度可达厘米级;利用19年的观测资料确定的相对海平面变化速率反映的观测时段内海平面的变化情况,各时段结果差异较大且可靠性较低;为获得稳定可靠的相对海平面变化速率,观测时长应至少涵盖两个潮汐变化周期。     

2013 年夏秋季黄、渤海悬浮颗粒物粒径分布特征

悬浮颗粒物及粒径是水质重要参数,研究其分布特征有助于加深对海洋生态环境的了解。利用2013年6月和2013年11月LISST-100观测数据,研究了黄、渤海区域悬浮物粒径和浓度的分布情况,浓度分布整体上近岸高远岸低,粒径分布呈现近岸细远岸粗的特征,季节分布特征明显。通过典型断面分析发现,悬浮物粒径和浓度随着水深变化明显,连续站数据分析结果表明,大风对底层颗粒物的再悬浮作用显著,潮流对悬浮物的时空分布有着重要影响;水体衰减系数随着体积浓度变化明显。此外,还研究了悬浮颗粒物粒径Junge分布在黄、渤海区域的适用性。