高分辨率海水表层二氧化碳分压重构——以大西洋为例

海洋是自然界中重要的碳汇,海-气二氧化碳通量通常利用大气和海水表层的二氧化碳分压(pCO₂)差进行估算。受制于时空分布不均匀的观测样本和预测数据,目前已有海水表层二氧化碳分压的重构结果在空间分辨率上仍有较大可提升空间。为在高空间分辨率下更好地拟合时空变化,基于表层大洋二氧化碳地图(SOCAT)的海水表层二氧化碳逸度(f CO₂)数据集和遥感卫星等多源数据,利用XGBoost模型建立了海水表层二氧化碳分压值与海洋物理、生物、光学等要素的非线性关系,并根据样本时空频率构建权重模型,最终重构了2000-2018年大西洋0.041 7°×0.041 7°下月度海水表层二氧化碳分压分布。预测结果的相关系数为0.966,均方根误差为8.087μatm,平均偏差为4.012μatm,与同类重构结果相比,海水表层二氧化碳分压的时空变化趋势一致性强,且在空间分辨率上具有优势。     

基于岸基观测数据的渤海沿岸海域表层温盐特征分析

岸基海洋站观测是我国最基本的传统海洋观测方式,也是最重要的海洋观测方式之一,其特点是规范、连续,所获取的海洋环境要素数据具有标准化程度高、质量可靠等优点。文章利用环渤海沿岸9个岸基海洋站的长期观测数据,对渤海沿岸海域的表层海水温度和盐度数据进行了综合统计、分析,得出了渤海沿岸海域表层海水温度和盐度的地域分布特征,同时给出了渤海沿岸各海洋站所在海域表层海水温度和盐度的季节变化特征等。     

基于经验正交函数分解的热带印度洋海温研究

利用1945—2011年的月平均Ishii海水温度数据,采用统计方法和经验正交函数分解(EOF)方法,对热带印度洋海温的时空分布特征进行研究。结果表明:海水温度方差最大值位于100 m深度,温度跃层处于50~150 m之间,偶极子现象存在于表层至150 m深度,其位置和强度随深度逐渐变化,在100 m深度偶极子现象达到最强。50 m深度层是偶极子现象转变的关键层,50 m之上由第二模态体现为偶极子现象;50 m之下则为第一模态。     

基于广义回归神经网络的全球表层海水1°×1°二氧化碳分压数据推演

表层海水二氧化碳分压是评估海洋碳源汇强度的关键参数,但其实测数据较少、时空分布极不均匀,导致二氧化碳交换通量的估算有很大的不确定性,海洋源汇特征就不能确切获取。为了解决这个难题,在收集的表层大洋二氧化碳地图(Surface Ocean CO₂ Atlas,SOCAT)实测数据集基础上,运用广义回归神经网络建立二氧化碳分压与经纬度、时间、温度、盐度和叶绿素浓度间的非线性关系,构建了1998?2018年间全球1°×1°经纬度的表层海水二氧化碳分压格点数据,其标准误差为16.93 μatm,平均相对误差为2.97%,优于现有研究中的前反馈神经网络、自组织映射神经网络和机器学习算法等方法。根据构建的数据所绘制的全球表层海水二氧化碳分压的分布与现有研究有较好的一致性。     

山东近海枪乌贼类资源丰度的时空变动及其与环境因子的关系

枪乌贼类(主要是日本枪乌贼(Loligo japonica)和火枪乌贼(Loligo beka))是山东近海头足类中的重要经济种,它寿命短、生长快,其资源变动极易受到外界环境因素的影响。本研究根据2016—2017年山东近海渔业资源底拖网调查数据,利用广义加性模型(Generalized additive model,GAM)分析枪乌贼类资源丰度的时空分布特征及其与环境因子的关系。研究表明,枪乌贼类的资源丰度秋季最高、春季最低,且主要分布在山东半岛南部的海州湾产卵场附近,呈现出显著的时空变化特征。GAM分析表明,除了季节因素外,海水深度、表层温度和表层盐度对枪乌贼类的资源丰度具有明显影响;在海水表层温度16℃、表层盐度31.2～32.5和水深40 m以内的水域,枪乌贼类的资源丰度较大。本文研究结果可为研究枪乌贼类的资源变动和可持续利用提供科学依据。     

南海海域叶绿素浓度分布特征的卫星遥感分析

介绍了第二代海洋水色传感器SeaWiFS资料的特点汲其基本处理方法，海水叶绿素浓度提取方法，对南海域表层海水叶绿素浓度分布的时空变化特征及其与营养物质和南海环流的关系进行了初步分析。     

盐城近岸海域水质分布特征及富营养化研究

文章于2018年春、夏、秋季对盐城近岸海域海水营养盐和化学需氧量等环境因子进行调查采样,并分析其时空分布特征;应用有机污染指数法和富营养化指数法2种评价方法,对该海域的海水富营养化水平进行评价。结果显示,研究海域环境因子季节变化显著,有机污染指数和富营养化指数的时空分布特征基本一致,指数由高到低的季节依次为春季、秋季、夏季,空间上呈各河入海口向远岸海域逐渐降低的趋势;聚类分析将江苏近岸海域分为废黄河三角洲区域和辐射沙洲区域2个大类;盐城入海河流输入对污染物的分布有强烈影响,同时水动力情况影响环境因子分布;陆源污染和淡水输入是引起海水环境因子变化的关键因素。     

广西北仑河口红树林保护区表层海水溶解态重金属时空分布及其影响因素

根据2013年5月(春季)和8月(夏季)对广西北仑河口红树林保护区的现场调查监测数据,研究了表层海水中溶解态重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As、Hg的时空分布特征,探讨了其影响因素,并对其污染水平进行了评价。结果表明,表层海水各溶解态重金属的浓度、空间波动程度在春、夏季均存在一定的差异;Hg的污染明显超过国家一类海水水质标准,且夏季污染水平高于春季。Cu-Zn、Cu-Cd、Zn-Pb、Zn-Cd之间存在显著正相关,春、夏季As以及夏季Cr分别与盐度之间呈显著正相关,其他重金属与盐度之间无显著相关性。各重金属的时空分布主要受到陆源输入、沿岸江河冲淡水和海水盐度变化等因素的影响。     

长江口海水入侵数值预报网络发布系统

文中对利用三维数值模拟技术所建立一个高分辨率的三维盐度数值信息集进行数据挖掘和可视化分析,采用ADOBE公司的RIA技术,针对海水入侵数值预报信息所固有的特性和规律,通过动态可视化技术对数据进行形象化、对其信息赋予智能化,从而展现各信息集的各个数据层面的属性、规律,透过动态视觉效果,进一步反映和揭示了数据信息所映射的时空规律特征。研究的目标是利用Studio 8的核心技术来构建一套海水入侵数值预报动态可视网络发布系统。     

浙江近岸海域溶解氧的时空分布特征

溶解氧是海洋生态系统中重要的生源要素,其含量及分布变化直接或间接影响海洋生命活动。文章以2014—2018年浙江近岸海域海水监测数据为基础,系统分析溶解氧及其饱和度的时空变化特征,并对该海域内低氧现象作了初步探讨。结果表明,浙江近岸海域溶解氧及其饱和度时空变化特征明显。空间跨度分析显示,溶解氧及其饱和度平面分布为不同季节呈现不同的分布特征,垂直分布为表层高于底层,表底层差异在春夏季较大、秋冬季较小,主要与表层光合作用和季节性温盐跃层有关。时间跨度分析显示,表层溶解氧含量最高出现在冬季,最低出现在夏季,主要是受水温和表层光合作用的影响;夏季表层溶解氧含量最高出现在2018年,最低出现在2015年,这可能主要是受海表温度的影响。此外,研究发现近岸海域外侧少量区域出现低氧现象,其潜在风险正在进一步跟踪监测中。     

日照海洋环境监测站海域表层海水盐度的变化特征

海水盐度是海洋物理环境的重要组成部分,其变化可改变水动力环境,进而改变海洋生态环境,因此研究海水盐度的变化特征具有十分重要的意义。文章对2011-2015年日照海洋环境监测站海域表层海水盐度的实测数据进行统计分析,研究结果表明：该海域表层海水盐度基本围绕多年平均值呈周期性波动;受季风影响,表层海水盐度呈显著的季节变化特征,即冬、春季高,而夏季最低;降水量对表层海水盐度的影响有明显的滞后性;冬季表层海水盐度有升高趋势。     

基于Argo温度异常剖面的海洋涡旋无监督分类方法研究

本文利用涡旋内温度异常剖面对黑潮延伸体区域的涡旋进行分类与分析。基于卫星高度计识别的涡旋数据和与涡旋时空匹配的Argo浮标温度异常剖面数据,本文提出了一种优化的高斯混合模型无监督聚类方法实现涡旋内Argo浮标温度异常剖面的自动聚类,进而实现与剖面时空匹配涡旋的自动分类。实验结果表明,相同类型的Argo温度异常剖面呈现出明显的空间聚集效应,而不同类型的Argo温度异常剖面则在空间上相互分离,与表层(次表层)温度异常剖面相匹配的涡旋主要分布在黑潮延伸体的北部(南部)。相较于直接利用区域范围对涡旋进行分类的方法,本文所提出的涡旋分类方法更为客观,合成分析特定类型涡旋的水下结构也更为合理。     

基于环境DNA技术的西沙礁区长棘海星种群丰度研究

长棘海星(Acanthaster planci)作为珊瑚的天敌之一,因其对珊瑚礁生态系统的灾难性破坏而备受关注。然而,长棘海星在南海珊瑚礁生态系统中的时空分布特征仍不清楚。本研究于2020年9月、2021年4月和2022年1月对西沙群岛礁区表层海水进行取样,借助环境DNA(environmental DNA)和实时荧光定量PCR技术分析了表层海水中长棘海星线粒体细胞色素-c-氧化酶亚基I(COTS-mtCOI)基因片段浓度的时空变化,及其与海水温度、盐度、pH、叶绿素含量和营养盐含量等环境因子的相关性。结果发现,2020-2022年,西沙礁区COTS-mtCOI片段浓度的变化范围为0～4.13×10⁷拷贝数/m³,且永乐环礁附近一直有较高的COTS-mtCOI片段浓度。对于华光礁、晋卿岛、羚羊礁、全富岛和赵述岛而言,2020年9月表层海水中COTS-mtCOI片段的平均浓度显著高于2021年4月和2022年1月(p<0.05)。此外,COTS-mtCOI片段浓度与表层海水的温度显著正相关(p<0.05)。研究结果表明,当前长棘海星...     

青岛市奥帆赛区海域表层海水中微量元素的研究

通过离子色谱离线螯舍和ICP—MS对青岛市汇泉湾、太平湾、浮山湾采集的海水样品进行分析,得到了该海域表层海水中微量元素质量比的可靠数据,并对表层海水中微量元素的分布特征及其影响因素进行了探讨。将分析结果与国家海水标准进行比较表明,该海域海水中微量元素质量比符合国家一级海水标准。对该海域表层海水微量元素的分布特征的研究表明,近岸和远岸表层海水中微量元素的质量比差别很小,而不同于沿岸海区质量比高,离岸远处质量比较低的一般规律。其主要原因是该海域的人为污染程度小,再加上其特殊的海岸地形以及水动力条件,有利于溶解物质的扩散、迁移和稀释。     

渤海海水pH时空分布特征与趋势分析

基于2011?2017年海水pH和环境参数数据,应用格网统计和时空矩阵方法,研究各环境单元内pH和环境因子同比变化及相关性,并对影响不同季节、区域和水体层次的相关因子作差异性分析,结果显示:(1) 2011?2017年间,渤海区域pH的空间分布整体相对稳定,各环境单元表层pH平均值为7.95～8.38,底层pH平均值为7.89～8.35,平均值绝对变化为1～1.5个标准差;(2)各环境单元pH时间序列趋于同步变化,由于空间分布不同,局部单元间存在差异,研究认为冬季表层pH低值和盐度高值空间分布特征一致;(3)渤海区域pH与叶绿素a浓度呈现显著正相关,表层pH季节性特征明显,且与叶绿素a时空分布特征一致,生物因素对近岸表层水体pH的调节起重要作用;(4) 8月间渤海底层出现pH局部低值的区域,分析发现这与水体层化形成低氧区域相一致,同时发现底层pH与溶解氧呈显著正相关;(5)利用格网化数据处理技术和时空矩阵分析方法,进一步显化了pH和环境因子特征信息,对气候变化下长时间尺度的分析研究提供了很好的技术支撑。     

海州湾中时空和环境因子对桩张网捕捞小黄鱼的影响

为研究海州湾海区小黄鱼资源的时空分布,并对桩张网的使用提供指导。根据2011—2013年海州湾典型捕捞区域4个站位桩张网小黄鱼的连续调查数据,利用广义加模型(GAM)分析小黄鱼渔获量与时空及环境因子的关系。研究表明,广义加模型可较好的解释小黄鱼时空分布与环境因子关系,模型拟合度较高(Pseudo-R2=80.2%),模型残差基本符合模型假定。对小黄鱼单位捕捞努力量渔获量(CPUE)具有显著影响的各因子的重要性依次为:月份、位置、海水表层温度。调查3年内,小黄鱼CPUE年际间没有显著变化,但季节间,秋季CPUE明显高于春季,表明小黄鱼分布有季节性差异并受伏季休渔影响。空间因子对小黄鱼CPUE影响显著,B、C站位小黄鱼CPUE高于A、D站位。海水表层温度(SST)为5~18℃时,小黄鱼CPUE随温度升高而增加;18~25℃时,随温度升高,小黄鱼CPUE没有显著变化。研究结果表明,月份、位置和海水表面温度对海州湾小黄鱼的渔获率影响显著。本研究为提高张网捕捞效率及可持续利用小黄鱼资源提供理论参考。     

表层海水古温度再造方法的研究进展

表层海水温度（简称SST）的变化,已经成为古海洋学研究中一项至关重要的基础资料。古温度的定量估算已成为理解地球气候系统演化的关键性环节,是古环境研究中的前沿问题,海水古温度再造方法备受关注。从最初的标志种和标志性生物组合,到后来的转换函数估算海水表层温度,再发展到用地球化学方法获得古海水温度,如有孔虫氧同位素、U37^k和有孔虫Mg/Ca比、珊瑚骨骼Sr/Ca、U/Ca和Mg/Ca等,古海水温度的估算方法日趋完善。从原理、方法的优缺点及适用范围等角度,对这些方法进行了介绍,并对将来表层海水古温度研究工作提出了一些建议。     

夏季北冰洋海冰边缘区海水温盐结构及其形成机理

利用1999年北极科学考察期间在海冰边缘区的三次考察数据，研究了北冰洋海冰边缘区的温度和盐度结构。将海冰边缘区分为机制不同的两大类，一类是暖水海冰边缘区，主要热源是外部暖水进入海冰边缘区携带的热量；另一类是冷水海冰边缘区，主要热源是太阳辐射加热。文中主要对冷水海冰边缘区进行了研究。虽然两个冷水海冰边缘区(R区与T区)温度结构不尽相同，但都存在表层以下水体中的温度极大值现象，R区的温度极大值位于20m左右，T区的位于40—50m左右的深度，可以认为是海冰边缘区的典型温度特征。作者认为，次表层暖水的热源是太阳辐射的直接加热，为此，建立了太阳加热引起海水次表层增暖的物理模型和简单的数学模型，获得了冰下海水在太阳辐射的作用下增暖的解析解。结果表明，部分太阳辐射能穿过海冰加热冰下海水，加热之初温度的极大值出现在近表层，随着时间的推移，海温极大值的位置向下移动，最终可以达到40m左右，证明了仅仅依靠太阳的短波辐射就可以形成中间暖的水层。文中阐明，开阔海水更多的是上混合层和跃层结构，冰下海水主要是次表层暖水结构；冷水海冰边缘区的海水主要带有冰下海水的特征。由于次表层暖水的形成与海冰厚度关系很大，近十几年北冰洋海冰厚度的显著减少势必加强次表层暖水，可能是北冰洋增暖的又一个重要现象，对全球气候变化有意义深远的影响。     

基于遥感的台湾岛周边海域表层海水温盐特征

卫星遥感具有观测周期短、频率高的优势,可实现大范围、连续的海洋观测。利用遥感的手段对台湾岛周边海域表层海水温度和盐度进行反演,研究了台湾岛周边海域表层海水温度和盐度的分布特征及其成因。研究表明,台湾岛周边海域海水表层温度总体呈现西北低、东南高,由NW向SE以圆弧状向吕宋岛北部沿岸扩散,温度逐步升高,吕宋岛北部沿岸常年温度在26℃以上;台湾岛东部海域海水盐度全年相对稳定,吕宋岛北部有一相对固定高盐度区域,台湾海峡受季风、黑潮分支、沿岸流的影响,盐度分布变化较大。     

基于GIS的南海海温时空过程分析研究

海温是海洋环境影响因子之一,对于海洋生态环境、海水养殖业等尤为重要。本文以Argo数据提取的南海海洋温度场数据为例,结合GIS(GeographicInformationSystem)技术,研究南海海温点过程、面过程可视化表达的方法。利用GIS作为可视化框架提供南海海温场的可视化显示,包括放大、缩小和拖动等基本功能,绘制多种形式的数值图像并进行空间分析,包括海温数据曲线绘制、海温值查询、空间插值、等值线等。基于Argo数据可视化表达的结果,从南海海温年变化、随纬度的变化、垂向变化、季节分布特征四方面对南海的海温时空特征进行了分析,结果表明:(1)南海海表温度高温的持续时间比较长,升温过程比降温过程相对要短一些;(2)随着纬度的降低,温度整体升高,温度的年变化幅度越来越小。夏秋两季随着纬度的变化,温度变化不大,春冬两季的温度变化较大;(3)在0~30 m温度变化很小,在深度为30m处温度开始逐渐下降,到达500m以下,海温一年四季都比较接近;(4)冬季海温总体最低,夏季海温总体最高。冬季和秋季,在南海西南方向等值线呈现西北—东南向,等值线比较密集。海温的时空变化研究可以对海洋温跃层、海洋温度锋,海水不同层次的结构的研究提供一定参考。