海底CORK观测30年:发展、应用与展望

过去50年深海钻探计划(DSDP)、大洋钻探计划(ODP)及综合大洋钻探计划(IODP)等国际间综合深海钻探计划的实施,使我们对地球和海洋的认识取得了显著进步。海底井控观测装置(CORK)的研发和应用是上述深海钻探计划带给我们的最宝贵财富之一。目前地球科学和海洋科学已由过去的间断性观测模式升级为现在的连续性原位观测模式,海底CORK观测系统为地球科学、海洋科学与生命科学领域的科学家对海底洋壳复杂而又相互关联的深部过程进行数秒至数十年时间尺度的研究提供了新手段和新机遇。通过对海底CORK观测系统的发展演变、在ODP和IODP航次中的使用以及在此过程中获得的科学经验和教训进行总结,对CORK系统如何应用于我国洋壳地质学、水文学、微生物学及生物地球化学过程研究提出看法。     

海水入侵的实验研究

在海岸含水层中,含较多盐分的海水向陆地方向入侵形成淡-咸水交界面,通常称为海水入侵界面。该界面的动态变化受气象、水文地质和人类活动等因素的影响,是海水入侵问题的主要研究内容。本文介绍了海水向含水层中入侵的室内实验研究,以着色海水和图像处理方法获得入侵界面的形态及其动态变化。实验方法先进,所得数据整体性强,精度高,而且观测方法对流场没有干扰,比传统的提取水样进行化验的方法更有效。实验中模拟了海洋潮汐条件,揭示了入侵界面在不同实验条件下的动态特征。应用数值模拟方法揭示了流场的特征。计算表明,流场分两个区———淡水区和咸水区,由入侵界面分开。淡水区的水流相对活跃,淡水由入侵界面以上区域渗出边界,在界面以上形成淡水通道。     

北阿拉伯海的光纤海洋观测网络:成功、挑战和机遇

2005年夏,一个先进的海洋观测网络——包括实时的光纤海洋观测系统和内部存储的自动化观测系统——被投放在了阿曼海和北阿拉伯海并运行至今.在2010年初,其中的自动化观测系统被升级到了新的深水光纤观测系统.这个海洋观测网络是在阿曼农业和渔业部的资助下,由美国的Lighthouse R&D公司设计、开发、安装和维护的.这2个观测系统作为一个整体已经连续工作了7年多的时间.所采集数据包括海流、温度、盐度、压力、溶解氧和浊度等.该海区是一个多水团的汇合区,波斯湾的高盐水和阿拉伯海的低盐水在这里汇合并蔓延南下到印度洋.对采集的数据研究表明,这一观测网络对研究该区域的物理和生物过程具有重要价值.在此,将系统介绍整个观测网络,并简要阐述已经完成和接近完成的4个研究主题:①对阿拉伯海有记载以来最强热带气旋“古怒”的海洋响应的研究;②阿曼海北部的季节性缺氧现象的季节及年际变化和成因分析;③深海声散射层的时空演变;④阿曼海和北阿拉伯海的高温高盐现象的成因.该观测网络采集的长期、连续的时间序列对这一地区的海洋动力研究、水文的季节性变化,以及气候的长期变化等研究都有很大帮助.此外,如果观测网络可以完成25年的设定观测目标,这将对验证和改进海洋环流模式和海气耦合模式具有重要意义.     

海洋观测能力建设的现状、趋势与对策思考

海洋观测是海洋科学发展的基础和重要支撑,海洋科学的创新发展在很大程度上依赖于海洋观测能力的提升.介绍了国际海洋观测能力的现状和趋势,提出了目前海洋观测能力建设所面临的挑战.针对我国海洋科学发展的需求和海洋观测能力存在的差距,提出了对策思考.     

海洋涡旋在模态水形成与输运中的作用

模态水在全球气候变化中有着重要作用.但是由于缺乏海洋次表层的高分辨率观测,对空间尺度为百公里的海洋中尺度涡旋如何影响空间尺度大于千公里的模态水的认识仍然欠缺.为了解决这一科学难题,在科技部的支持下,实施了一次成功的海上观测试验.系统梳理了基于该观测数据所发表的有关涡旋影响模态水潜沉和输运的主要研究成果:①捕捉并揭示了中尺度涡导致混合层水潜沉的过程和动力机制;②发现了中尺度涡携带模态水迁移的新路径;③阐明了模态水多核结构的形成机制.研究结果揭示了黑潮延伸体海域中尺度涡旋影响大尺度模态水的物理本质,为该海域多时空尺度海洋—大气相互作用作出了一定的贡献.通过对该次观测试验结果的分析和总结,得到了如下新的科学推论:海洋次中尺度过程对模态水的形成和耗散也具有重要影响.     

大气沉降对海洋初级生产过程与氮循环的影响研究进展

大气沉降通过为海洋提供外源性氮、磷和铁等微量元素,可显著影响海洋氮、碳循环过程,并产生气候效应。一方面促进海洋初级生产和生物固氮,增强海洋吸收二氧化碳的能力;另一方面影响海洋氮、碳循环路径,增加海洋生物源气溶胶排放量,间接影响气候变化。由于大气沉降对海洋生态系统及气候变化的重要影响,相关科学问题已成为海洋科学与大气科学交叉研究的热点,被多个国际研究计划列为核心研究内容。在大气污染物排放持续增加与沙尘事件频发的背景下,大气沉降对我国东部陆架海(黄海、东海)及其邻近西北太平洋碳、氮循环过程的影响日趋增强,因此该海区已成为大气沉降及其气候影响研究的代表性海域。结合分子生物学和实验生态学手段理解大气沉降影响下的海洋初级生产过程,利用同位素示踪技术研究大气沉降对海洋氮循环的影响,以及获得大气沉降影响下海洋生物源气溶胶排放的观测证据将是未来研究的重点方向。     

上层海洋-低层大气科学研究计划

海洋和大气是地球系统的重要组成部分，其在全球气候变化中具有重要作用。上层海洋与低层大气研究（SOLAS）作为IGBPII第一个新的核心计划，以海洋中深度在100 m以上的水层和 1 000 m以下的大气边界层为主要研究对象，通过多学科的交叉研究，以揭示海洋与大气相互作用的物理和生物地球化学过程耦合及其在气候变化中的作用。SOLAS科学计划得到了世界各国的积极响应，已有16个国家向国际SOLAS科学委员会提交了SOLAS进展状况的国家报告。我国也制定了自己的科学研究计划重点研究中国近海的大气物质入海、海洋温室气体排放、海-气界面上的物质和能量交换过程及其对气候和环境的影响和反馈。     

从海洋内部研究海洋

几百年来,人类总是从海洋外面——在船上或者岸上研究海洋。随着技术的最新发展,人类现在可以从海洋内部来研究海洋。简要讨论了海底观测系统和活动观测平台为各领域的海洋研究提供的空前机遇,并指出中国发展海洋科学必须对这一新趋势给予密切注意。     

全球实时海洋观测网(Argo)与上层海洋结构、变异及预测研究

围绕国家重点基础研究发展计划项目“基于全球实时海洋观测计划(Argo)的上层海洋结构、变异及预测研究”,首先介绍Argo这一新型全球海洋观测网给海洋和大气科学带来的发展机遇以及我们面临的挑战,接着阐述项目重点研究区域西北太平洋和热带印度洋—太平洋的国内外进展,最后给出了项目的关键科学问题和主要研究内容。     

海洋飞沫及其对海—气相互作用影响的研究进展

按照海水滴生成机制和粒径大小,由海浪破碎生成的海洋飞沫分为膜滴、射滴和裂滴三大类,较小的海水滴在大气中滞留时间长,成为云的凝结核,对长期气候变化有重要影响,较大的海水滴参与海—气界面动量和热量交换过程,有利于热带气旋的形成和发展。海洋飞沫的生成与海上风速、海浪、海流和大气稳定度等因素有关,但由于缺乏观测数据,刻画海洋飞沫效应的关键物理量——海洋飞沫生成函数通常用海上风速进行参数化,忽略其他因素的影响,彼此间的差异非常大,给研究海洋飞沫对气候和海—气相互作用的影响造成困难,需要进一步开展海洋飞沫的观测,考虑风速之外的其他因素对海洋飞沫生成函数的作用,改进海洋飞沫热量和动量效应的参数化方案,进而阐明海洋飞沫对气候和海—气相互作用的影响。     

海洋浮游生物原位观测技术研究进展

原位观测技术在生物海洋学过程研究中的应用,从海洋生物多样性、海洋生物的生理生态响应和宏观的生态过程及其变动机制等方向的研究中得到迅速的发展,极大提高了对海洋生物学、生态学以及不同时空尺度生物地球化学过程的认识.包括原位光学检测技术、水下显微摄像与自动化鉴定技术、水下流式细胞技术、分子生物传感器等新型原位观测技术,拓宽了各类型观测平台的研究对象范围.重点阐述生物海洋学原位观测技术的发展现状、应用实例及其在立体海洋观测系统中的应用前景.     

国外海洋地质科学发展态势

综述了80年代国外海洋地质科学的主要进展,包括现代沉积、板块构造与地体构造和古海洋学等基础理论研究;海洋矿产资源(油气、滨海砂矿和海底热液矿床)勘查与新发现;新技术方法(GPS、测深与海底扫描、海底取样、深海探矿和深潜器)。根据当今国外海洋地质科学调查研究朝“领域广、精度高、研究深”的趋势,对90年代至21世纪初海洋地质科学的发展态势作了评述。     

热带海洋盐度障碍层多尺度变异机理及其对海气相互作用的影响研究进展

在上层海洋,受盐度的影响,温度均匀层和密度均匀层并不一定重合,出现温跃层顶界深度明显大于密度跃层顶界深度的现象,即产生盐度障碍层.重力稳定度较高的障碍层对上层海洋热量的垂直交换具有“热障”作用,使混合层和温跃层无法进行有效的热量交换,导致局地海洋上混合层偏暖,从而影响局地海气相互作用乃至全球气候变化.得益于全球海洋观测计划的实施,近20年来科学家已逐渐认识到盐度在海洋环流和气候变化中的重要性,因此盐度障碍层在上层海洋热量收支中的作用等科学问题已成为物理海洋学的前沿研究热点.以障碍层多尺度变异为中心,围绕影响和调控障碍层变异的关键海洋过程,以及障碍层通过海气相互作用影响天气、气候尺度变异的过程和机理等关键科学问题,综述了近几十年来有关热带障碍层的研究进展.重点总结了以下3个方面的进展:全球不同热带海域障碍层的空间结构和多尺度变异特征;海洋动力过程和大气热力过程在障碍层变异中的作用及其机理;障碍层与天气、气候事件及海洋生物相互作用的关键过程和机理.强调了障碍层变异的海洋—大气耦合过程及其气候效应,最后提出了尚需解决的关键科学问题.     

浅强跃层大振幅内波研究

海洋内波是分析整个海洋中能量的收支和平衡问题时必须研究的一个重要的物理过程 ,对它的研究不仅在整个海洋动力学的研究中占有重要的地位 ,而且对海洋环境与资源的开发和保护、推动其它相关学科的深入研究和发展都具有重要的应用价值。浅强跃层大振幅内波是海洋内波研究中的一个重要组成部分 ,它对人类在浅海中的活动之影响尤其引人注目 :如对海洋石油、天然气等资源的勘探及开采设施的安装施工和正常工作等具有直接的或潜在的破坏性 ;能够改变海水中声传播路线 ,从而影响声通讯设备的正常使用 ,使众多利用声信号进行测量的调查仪器所获取的大量观测资料中带有难以去掉的噪声信号 ;可将富含营养盐底层水带到表层 ,改进了海洋生态环境 ,因而对于海洋生态环境的保护、渔业捕捞及海洋养殖业的发展等具有指导意义 ;还对环流场、物质输运、航道淤积以及深水沉积等有一定的影响。文中主要从浅强跃层大振幅内波的生成机制、传播演变、模型描述以及观测方法等方面介绍了浅强跃层大振幅内波研究的进展状况、存在的问题及其发展趋势。     

234Th/238U不平衡法在真光层颗粒动力学研究中的应用

真光层是海洋浮游生物活动最为活跃的区域,其间发生的颗粒动力学过程及其机制对于海洋碳的生物地球化学循环有着重要影响,利用放射性核素示踪海洋真光层颗粒动力学过程成为近年来海洋科学的前沿课题。介绍了该领域＾２３４Ｔｈ－＾２３８Ｕ不平衡法的原理、发展历程及其在ＰＯＣ输出通量的估算、沉积物捕集器捕集效率的校正、真光层层化结构的揭示、颗粒活性元素固／液界面分配机制的研究、海洋胶体性质的研究及近岸海域悬浮颗粒活     

行星地理学

行星地理学是研究地球、月球及太阳系九大行星运动特性对自然地理过程的影响的科学,它研究上述运动特性对大气、海洋及河流水文的影响,从而研究整个自然地理环境的变化。它是涉及天文、地球物理及自然地理诸要素(气候、水文与海洋等)的交叉学科。其主要理论基础为地球物理学,而研究方法则主要包括地球物理学、大气和海洋动力学、统计学及数值模拟等方面。国际上一些著名的地球物理及气候学家研究了这个问题,并取得了显著的进展,其代表人物是和Hunt。在我国,这方面的研究也处于世界前列,代表作者是彭公炳和任振球,前者主要研究地球自转速度变化和地极移动对气候、海洋和水文等自然地理条件的影响,其代表作是《气候的第四类自然因子》一书;后者主要研究月球及九大行     

海洋内波动力学

海洋内波的研究已有较长的历史。Stokes(1847)和Raleigh(1883)分别作了两层流体界面处的波动和连续层结流体中的内波理论研究。本世纪初(1902)Nansen第一次报告了有关海洋内波的观测结果。但由于观测技术限制和理论研究的困难,关于海洋内波的研究长期处于缓慢发展状态。 到了40年代,由于内波对潜艇活动和声纳功能的严重影响等原因促使人们重视海洋内波的观测与研究,而海洋调查仪器和资料分析方法的发展也使内波观测和分析快速发展起来。到了70年代初,在大量调查和研究的基础上,Garrett和Munk(1972,1975)提出大洋内波谱模型(在物理海洋学中被称为GM模型)。此模型假设大洋内波场可抽象成一平稳随机场,它具有水平均匀、水平各向同性、垂向对称性(即上传与下传波能相等)。内波可表示成在一定频率区间内各种频率、各种波数的自由传播的进行波之叠加。从当时所得观测资料看,此模型几乎普遍地适用于世界各大洋。     

近岸海洋气象平台涡动相关数据处理与质量控制

涡动相关方法在海洋—大气界面通量过程的观测研究中得到广泛应用。通量观测的数据质量很大程度上取决于环境条件和订正方法的正确应用,因此需要对数据进行处理与质量控制。基于博贺海洋气象平台上方2层涡动相关系统约7个月的湍流观测数据,分析了目前未能在数据采集平台上实时运行的几种订正方法对通量结果的影响。分析表明：在通量值较小时,...     

全球海洋人为碳储量估算及时空分布研究进展

海洋是全球最大的碳汇,确定海洋中人为碳含量及其时空变化是一件具有挑战性的工作。就当前海洋人为碳含量确定方法、人为碳储量及其随时间变化进行综述总结。研究表明海洋仍然可以吸收并储藏大量的人为碳,但未来对于海洋吸收储藏人为碳的研究仍具有诸多不确定性。已有证据表明稳态海洋的概念不完全正确,需要在非稳态条件下重新定义人为碳并开展研究。同时需要积累更多的观测数据,采用包括观测和模式模拟等手段来研究不同时间尺度的人为碳的吸收和储藏过程。     

全球海洋硅循环及研究中面临的主要挑战

海洋硅循环是海洋生物地球化学循环的关键过程之一,对调控全球二氧化碳浓度、海洋酸碱度和多种元素(氮、磷、铁、铝等)的循环具有重要作用。在当今气候变化和人类活动影响日益增强的背景下,硅循环与“生物泵”及碳循环的紧密联系,是其成为地球科学领域研究热点的主要原因。海洋中硅的外部来源主要为河流、地下水、大气沉降、海底玄武岩风化作用和海底热液输送5个途径,在全球气温变暖趋势的影响下,极地冰川融化成为高纬度海域不可忽视的硅源。生物硅在沉积物中的埋藏、硅质海绵和生物硅的反风化作用是重要的海洋硅移除过程。海洋硅循环过程复杂,受生物(生物吸收、降解)、物理(吸附、溶解)和化学(矿化分解和反风化作用)多重因素的影响,针对海洋硅循环关键过程的研究有助于综合评估海洋硅的“源-汇”和收支。本文总结了海洋硅循环的主要过程及海洋硅的收支,根据国际和国内研究现状讨论了当前海洋硅循环研究中面临的主要问题和挑战。现有研究成果显示,海洋硅的外源输入和输出通量比以往的评估分别增加了2.4和2.2倍。在短时间尺度内(<8 ka),全球海洋中硅的收支大致平衡,海洋硅循环基本处于稳定状态。气候变化和人类活动导致河流输送至陆架边缘海的硅通量发生变化,可能影响硅藻等海洋浮游植物种群结构,是未来海洋硅循环研究需要关注的问题之一。陆架边缘海较高沉积速率和强烈的反风化作用提高了该区域生物硅的埋藏效率,准确评估该区域生物硅的埋藏通量仍是亟须解决的难题。目前的研究评估了全球海洋浮游硅藻、硅质海绵以及放射虫生产力,而海洋底栖硅藻生产力的贡献受到忽视,未来需要关注底栖硅藻对生物硅的贡献及其在海洋硅的生物地球化学过程中的作用。