全球海洋观测系统展望

一、引言 海洋在全球变化中起着关键性的作用。为了弄清海洋的作用我们必须进行长期的全球资料收集,并由此进行全球性的海洋观测,这需要熟悉海洋以及海洋与大气、陆地耦合的基本知识,以及必须的技术与人力、物力来发展和负担长期的海洋观测活动。 全球海洋观测系统的主要任务是长期、系统地收集物理、化学及生物学的观测资料,从而提供全球海洋现时状况,这些资料也能提供全球气候耦合模式的初始条件。在1990年8月的一份报告中,Henry Stommel曾指出:希望在2000年能得到完善的海洋“动态”模型,以此用来预测海洋涡流事件、厄尔尼诺事件、深水和中间层水构造的异常现象以及污染物扩散等问题,同时也可提供气候模式边界条件。     

卫星测高仪及其在海洋观测中的应用

卫星测高仪能快速、全天候、全球进行观测，因此成为海洋观测的重要手段。本文简要叙述卫星测高仪的发展规况和工作原理， 着重介绍了该技术在测定大地水准面、反演地球内部构造、海洋面测量、海流探测以及海洋雨图测量等方面的应用。     

迎接海洋科学的新时期——为什么编写《海底观测》一书

人类作为陆生生物,认识世界、观测世界的立足平台在地面。20世纪的航天技术使人类克服地球引力进入太空,第一次看到地球的全貌,为人类观测地球提供了第二个平台。这场变革可以与17世纪从地球放眼太阳系、带来“日心说”的科学进步相比拟,被喻为“第二次哥白尼革命”。     

美国的两大海洋观测系统:OOI与IOOS

介绍美国两大海洋观测系统:基金委员会支持的”大洋观测计划”即OOI计划,和大气海洋署组织的”整合海洋观测系统”即IOOS计划,两者相关但不相同,十分值得我国在建设海洋观测系统中学习参考.     

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.     

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.     

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。     

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.     

海洋三维VC观测系统优化设计

观测系统设计在地震勘探中起着至关重要的作用,最佳观测系统不仅可以提高资料品质,还能够降低采集成本。通过对海洋垂直缆（vertical cable,VC）进行正演模拟我们发现,随着偏移距的增大,同相轴会出现交叉、合并现象,地层顺序也会发生变化。我们针对单VC和多VC的特点,分别设计了相应的观测系统。然后对所设计的观测系统进行评价与优化,并得出了一些有益的结论：采用增加激发点密度的方法对面元覆盖次数的改善效果要好于采用增加激发面积的方法对面元覆盖次数的改善效果;当目标层存在倾角时,通过在构造走向上增加激发线条数,同时在下倾方向上增加激发线长度可以补偿照明损失;当目标层为背斜或向斜时,通过增大最大环半径来增加背斜和向斜照明范围的方法奏效甚微;当激发面积和接收面积相等时,通过同时增大激发面积和接收面积来提高中心区域面元覆盖次数的方法行不通,而当激发面积大于接收面积时则该问题得以解决。     

Variability of cold‐water coral mounds in a high sediment input and tidal current regime,Straits of Florida

Cold‐water coral mound morphology and development are thought to be controlled primarily by current regime. This study, however, reveals a general lack of correlation between prevailing bottom current direction and mound morphology (i.e. footprint shape and orientation), as well as current strength and mound size (i.e. footprint area and height). These findings are based on quantitative analyses of a high‐resolution geophysical dataset collected with an Autonomous Underwater Vehicle from three cold‐water coral mound sites at the toe of slope of Great Bahama Bank. The three sites (80 km² total) have an average of 14 mounds km^?2, indicating that the Great Bahama Bank slope is a major coral mound region. At all three sites living coral colonies are observed on the surface of the mounds, documenting active mound growth. Morphometric analysis shows that mounds at these sites vary significantly in height (1 to 83 m), area (81 to 6 00 000 m²), shape (mound aspect ratio 0·1 to 1) and orientation (mound longest axis 0 to 180°). The Autonomous Underwater Vehicle measured bottom current data depict a north–south flowing current that reverses approximately every six hours. The tidal nature of this current and its intermittent deviations during reversals are interpreted to contribute to the observed mound complexity. An additional factor contributing to the variability in mound morphometrics is the sediment deposition rate that varies among and within sites. At most locations sedimentation rate lags slightly behind mound growth rate, causing mounds to develop into large structures. Where sedimentation rates are higher than mound growth rates, sediment partially or completely buries mounds. The spatial distribution and alignment of mounds can also be related to gravity mass deposits, as indicated by geomorphological features (for example, slope failure and linear topographic highs) in the three‐dimensional bathymetry. In summary, variability in sedimentation rates, current regime and underlying topography produce extraordinarily high variability in the distribution, development and morphology of coral mounds on the Great Bahama Bank slope.     

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。     

Fifteen Years of Ocean Observations with China Argo

For 15 years since the beginning of China Argo project, China has deployed over 350 profiling floats in Pacific and Indian ocean, and constructed China Argo ocean observing network. Moreover, we have setup the Argo data receiving, processing and distributing system, and developed various Argo data products using Argo observations, which has promoted the progress of ocean data sharing in China. The abundant Argo data have become a main data source in oceanic and atmospheric basic researches and operational applications. A batch of important achievements in basic research and operational application have been brought, e.g. in aspects of tropical cyclone (typhoon), ocean circulation, meso-scale eddy, turbulence, heat/salt storage and transport and water mass, as well as in ocean, atmosphere/climate operational forecasting and predicting. With the extension of the international Argo program from “Core Argo” to “Global Argo”, we are faced with great challenges in the long-term maintaining and sustained developing of our Argo ocean observing network. It is suggested that we should take the opportunity to construct China regional Argo ocean observing network as soon as possible in adjacent northwestern Pacific and Indian ocean using Chinese BeiDou profiling floats, which will make us to take responsibility and obligation of a big country for addressing global climate changes and preventing natural disasters.     

西沙海槽研究区天然气水合物地球化学勘探

天然气水合物研究涵盖了地球物理、地球化学和地质等多门学科, 其中勘查地球化学方法技术可以从海底介质中获得与天然气水合物有关的痕量地球化学信息, 圈定水合物异常区域.依据2000年和2001年在中国南海西沙海槽工作区天然气水合物地球化学现场快速勘查实测和室内分析测试的多种烃类结果, 获得了海上工作区气态烃地球化学异常分布, 以及与该区水合物地震BSR和BZ的对比分析评价结果.同时根据现场实测同位素数据, 探讨了工作区形成水合物气态烃甲烷的成因.研究成果为工作区天然气水合物勘探提供了地球化学方面的直接证据.      

构建天地一体化的全球对地观测系统--三次国际地球观测峰会与GEOSS

为深入认识地球系统,提高国家、地区和全球应对突发事件的能力;为解决人类社会发展中所面临的资源环境危机,增进人类的健康、安全和福祉;通过广泛的国际合作,构建综合、协调、持续的全球对地观测系统是实现上述目标的有效途径且已成为国际社会共识。通过对近两年来3次国际对地观测峰会概况的介绍和分析,阐述了分布式全球对地观测系统（GEOSS）的目标、范围、社会效益、技术方法和运作机制等内容。强调GEOSS成功的关键因素之一取决于其参加者能否接受并执行系统的互操作规程与统一的数据标准,以实现全球范围的数据资源共享。     

大数据环境下卫星对地观测数据集成系统的关键技术

建立卫星对地观测数据集成系统是遥感卫星数据信息资源有效管理与应用的重要手段。从我国对地观测重大需求以及前沿科学问题入手,提出大数据环境下卫星对地观测数据集成系统建立中亟待解决的关键技术,包括大容量异构对地观测数据集成的语义技术、基于网格的遥感图像快速处理技术、遥感大数据深度分析技术、多数据中心协同处理及云平台技术,为实现集成卫星图像、地面观测数据和模拟模型的元数据管理、几何精度纠正和卫星数据质量评价、海量卫星图像数据的空间分析与知识发现、分布式高性能卫星图像数据管理和归档等基本功能,为解决海量卫星数据分布式存储与计算、数据集成与互操作、空间数据分析与地学知识发现提供新思路、新技术与新方法。     

南秦岭构造带内早古生代碱基性岩浆活动：古特提斯洋裂解的证据

位于南秦岭构造带南缘的勉略(勉县—略阳)洋是东古特提斯洋的北侧分支洋盆,在勉县—略阳地区发育有典型的蛇绿岩组合。然而,由于中三叠世晚期开始的碰撞造山作用以及之后陆内变形作用的改造,对于勉略洋盆在构造带东段的裂解和演化过程并不清晰。本文对发育于东南秦岭构造带内的基性岩墙群进行了岩石学、岩石地球化学、同位素年代学等方面的研究。结果表明,基性岩脉以辉长岩、辉绿岩等基性岩为主,其SiO 2含量为41.89%~49.75%,属基性—超基性岩类,并具有富钠、高钛的碱性岩特征。岩石的稀土、微量元素和Sr—Nd同位素特征与板内洋岛玄武岩(OIB)特征一致,岩浆源于具有地壳混染的板内洋岛玄武岩型地幔源区。该类基性岩脉顺层侵入到早古生代早期地层中,通过基性岩脉中的锆石SHRIMP测年获得岩脉顺层侵位的时代为晚志留世早期(约422 Ma)。这种岩浆作用很可能与古特提斯洋初始裂解有关,并导致南秦岭构造带内地壳伸展、基性岩浆侵位,该过程与南秦岭构造带北缘的商丹(商南—丹凤)原特提斯洋的消减和陆内俯冲可能相关。     

Patterns of Pacific decadal variability recorded by Indian Ocean corals

We investigate Pacific Decadal Oscillation (PDO) signals recorded by two bimonthly resolved coral δ¹⁸O series from La Réunion and Ifaty (West Madagascar), Indian Ocean from 1882 to 1993. To isolate the main PDO frequencies, we apply a band pass filter to the time series passing only periodicities from 16 to 28 years. We investigate the covariance patterns of the coral time series with sea surface temperature (SST) and sea level pressure (SLP) of the Indian and Pacific Oceans. In addition, the empirical orthogonal functions of the filtered SST and SLP fields (single and coupled) are related to the filtered coral times series. The covariance maps show the typical PDO pattern for SST and SLP, confirming the coupling between the Indian and Pacific Oceans. Both corals show the strongest signal in boreal summer. The La Réunion (Ifaty) coral better records SST (SLP) than SLP (SST) pattern variability. We suggest that the filtered La Réunion coral δ¹⁸O represents δ¹⁸O of seawater that varies with the South Equatorial Current, which, in turn, is linked with the SST PDO. The filtered Ifaty coral δ¹⁸O represents SST and is remotely linked with the SLP PDO variability. A combined coral record of the Ifaty and La Réunion boreal summer δ¹⁸O series explains about 64% of the variance of the coupled SST/SLP PDO time series. AGU OS06 special issue “Ocean’s role in climate change—a paleo perspective”.     

边坡稳定分析的自适应性局部网格加密解法

常规的有限元强度折减法在确定边坡塑性区时,不能直观地反映出塑性区的形状和滑裂面位置,计算结果精度低。在塑性区范围内进行网格局部加密,不仅使安全系数的计算精度大幅度提高,而且可求出滑裂面的形状和位置。针对求解塑性区搜索滑裂面这一具体问题,提出塑性应变界限值网格加密准则,采用自适应性网格局部加密技术求解边坡的滑裂面和稳定安全系数。数值计算结果表明,所提出的加密准则能正确地确定滑裂面的形状和位置,计算所得稳定安全系数和理论稳定安全系数仅相差0.2 %。     

IODP计划的新进展

综合大洋钻探计划(IODP)经过5年(2003-2008年)的过渡运行,在2009年真正实现了多平台钻探格局,美国决心号、日本地球号和欧洲联合体特定任务平台同时执行特定海区和地质条件的钻探航次.随着澳大利亚-新西兰联合体和印度的加入,IODP大家庭已有7个成员单位共24个国家,犬洋钻探的国际合作渐入佳境.IODP钻探航次在2009年的重大进展包括:地球号在IODP第319航次首次实施立管钻探并成功取芯;经全面改造升级后的决心号首航赤道太平洋成功获取53 Ma以来古赤道太平洋连续沉积物断面;特定任务平台成功实施推迟2年多的新泽西陆架IODP第313航次等.我国科学家在近年来参加IODP航次、提交航次建议书、积极参加国际学术会议等方面明显活跃,大大提高我国科学家的国际学术竞争力,并在海洋科学的相关领域进入了国际前沿.