中国物理海洋学研究70年:发展历程、学术成就概览

本文概略评述新中国成立70年来物理海洋学各分支研究领域的发展历程和若干学术成就。中国物理海洋学研究起步于海浪、潮汐、近海环流与水团,以及以风暴潮为主的海洋气象灾害的研究。随着国力的增强,研究领域不断拓展,涌现了大量具有广泛影响力的研究成果,其中包括:提出了被国际广泛采用的“普遍风浪谱”和“涌浪谱”,发展了第三代海浪数值模式;提出了“准调和分析方法”和“潮汐潮流永久预报”等潮汐潮流的分析和预报方法;发现并命名了“棉兰老潜流”,揭示了东海黑潮的多核结构及其多尺度变异机理等,系统描述了太平洋西边界流系;提出了印度尼西亚贯穿流的南海分支(或称南海贯穿流);不断完善了中国近海陆架环流系统,在南海环流、黑潮及其分支、台湾暖流、闽浙沿岸流、黄海冷水团环流、黄海暖流、渤海环流,以及陆架波方面均取得了深刻的认识;从大气桥和海洋桥两个方面对太平洋–印度洋–大西洋洋际相互作用进行了系统的总结;发展了浅海水团的研究方法,基本摸清了中国近海水团的分布和消长特征与机制,在大洋和极地水团分布及运动研究方面也做出了重要贡献;阐明了南海中尺度涡的宏观特征和生成机制,揭示了中尺度涡的三维结构,定量评估了其全球物质与能量输运能力;基本摸清了中国近海海洋锋的空间分布和季节变化特征,提出了地形、正压不稳定和斜压不稳定等锋面动力学机制;构建了“南海内波潜标观测网”,实现了对内波生成–演变–消亡全过程机理的系统认识;发展了湍流的剪切不稳定理论,提出了海流“边缘不稳定”的概念,开发了海洋湍流模式,提出了湍流混合参数化的新方法等;在海洋内部混合机制和能量来源方面取得了新的认识,并阐述了混合对海洋深层环流、营养物质输运等过程的影响;研发了全球浪–潮–流耦合模式,推出一系列海洋与气候模式;发展了可同化主要海洋观测数据的海洋数据同化系统和用于ENSO预报的耦合同化系统;建立了达到国际水准的非地转(水槽/水池)和地转(旋转平台)物理模 型实验平台;发展了ENSO预报的误差分析方法,建立了海洋和气候系统年代际变化的理论体系,揭示了中深层海洋对全球气候变化的响应;初步建成了中国近海海洋观测网;持续开展南北极调查研究;建立了台风、风暴潮、巨浪和海啸的业务化预报系统,为中国气象减灾提供保障;突破了国外的海洋技术封锁,研发了万米水深的深水水听器和海洋光学特性系列测量仪器;建立了溢油、危险化学品漂移扩散等预测模型,为伴随海洋资源开发所带来的风险事故的应急处理和预警预报提供科学支撑。文中引用的大量学术成果文献(每位第一作者优选不超过3篇)显示,经过70年的发展,中国物理海洋学研究培养了一支实力雄厚的科研队伍,这是最宝贵的成果。这支队伍必将成为中国物理海洋学研究攀登新高峰的主力军。     

2003-2016年北极净初级生产力时空变化

The area of Arctic sea ice has dramatically decreased, and the length of the open water season has increased;these patterns have been observed by satellite remote sensing since the 1970 s. In this paper, we calculate the net primary productivity(NPP, calculated by carbon) from 2003 to 2016 based on sea ice concentration products,chlorophyll a(Chl a) concentration, photosynthetically active radiation(PAR), sea surface temperature(SST), and sunshine duration data. We then analyse the spatiotemporal changes in the Chl a concentration and NPP and further investigate the relations among NPP, the open water area, and the length of the open water season. The results indicate that(1) the Chl a concentration increased by 0.025 mg/m~3 per year;(2) the NPP increased by 4.29 mg/(m~2·d) per year, reaching a maximum of 525.74 mg/(m~2·d) in 2016; and(3) the Arctic open water area increased by 57.23×10~3 km~2/a, with a growth rate of 1.53 d/a for the length of the open water season. The annual NPP was significantly positively related to the open water area, the length of the open water season and the SST.The daily NPP was also found to have a lag correlation with the open water area, with a lag time of two months.With global warming, NPP has maintained an increasing trend, with the most significant increase occurring in the Kara Sea. In summary, this study provides a macroscopic understanding of the distribution of phytoplankton in the Arctic, which is valuable information for the evaluation and management of marine ecological environments.     

障碍物对风速风向影响的观测试验

随着城市化进程的加大,测站周围障碍物的存在使风观测资料失去代表性、准确性和比较性。为定量化研究障碍物对风观测的影响,开展了河北沽源构筑物观测试验,通过对比构筑物修建前后各测点的风速风向资料,分析了障碍物对风速风向的影响。分析结果显示:1障碍物对风速的衰减作用与背景风速大小有关,风速越大,衰减作用越强;2背景风速在2~6m/s时,障碍物背风面测点风速衰减随距离增大而减小,在10倍障碍物高度距离处平均约衰减15%;背景风速大于6m/s时,背风面各测点风速衰减先增大后减小,在大约5倍障碍物高度的距离处衰减最大,10倍障碍物高度的距离处平均约衰减20%~30%;3障碍物的存在使主风向的风向频率减小,对风向的影响距离为6倍障碍物高度。     

一种基于XML的WebGIS研究与实现

研究了基于XML技术开发WebGIS的优点,提出了一种基于XML的WebGIS体系结构,利用GML(GeographyMarkupLanguage)编码进行地理信息的存储与传输,将SVG(ScalableVectorGraphics)用于地理信息的显示,便于实现空间数据的共享和互操作,最后通过实例来证实该体系结构的优点及可行性。     

海洋自然资本评估中生物能值转换率的研究

自然资本评估是研究生态系统服务与社会经济发展的重要方式。由于海洋具有特殊性和复杂性、开放性、流动性和多层次耦合性等特点,海洋自然资本评估方法的研究进展缓慢。能值分析理论通过能值转换率将生态系统内流动和储存的各种不同类别的能量和物质转换为同一标准的能值,可衡量和比较不同等级的能量价值,系统完整地反映自然资本价值,这一特点是其他评估方法所缺乏的。为精确量化海洋生物资本价值,本研究引入海洋食物网信息能流图和生态系统能量传递规律,提出了生物能值转换率的经验公式,即Tn=T1·E^1-nL(T1为初级生产者的太阳能值转换率,n为营养级,EL为林德曼效率)。为验证经验公式的可行性,选用相关案例进行了研究,得到海洋食物网中不同食性生物所处营养级及其相应的能值转换率。经验公式有一定误差,具体应用时应通过调研文献和相关数据,确定关键参数的取值范围以提高准确性。本研究得出的经验公式简化了海洋生物能值转换率的计算方法,促进了能值分析理论在海洋自然资本评估中的进一步应用。     

地理时空三向聚类分析方法的构建与实践

随着地理数据获取能力的不断提升,地理数据体量呈指数增长,数据种类、数据性质更加多元化。对数据的有效甄别和归类成为理解地理现象时空特征、演化过程和行为机制的关键。传统聚类方法面临数据体量大、维数高、质量差的挑战,加之对地理空间与时间关联分析的需求,对聚类方法改进和提升研究的要求越来越迫切。本文介绍了从单向到三向聚类构建思路的变革。单向聚类是仅在样本或属性方向上进行聚类,易忽视非常相似的局部特征、易犯“横看成岭侧成峰”的错误。双向聚类是基于数据矩阵内元素值的相似性,形成一个子矩阵分割方案,使子矩阵内元素相似度尽可能高,子矩阵间元素相似度尽可能低,从而实现行列两方向的同时聚类,避免了单向聚类的不足。鉴于双向聚类难以满足地理研究超出双向的解译需求,本文提出并研发了一个全新的三向聚类方法,给出了运用该方法开展地理时空格局过程探测的流程,总结了如何根据研究涉及的“空间—时间—尺度—属性”构建三维数据体;最后,展示了三向聚类的地理实践案例。结果表明：① 三向聚类是一种大数据时代探测地理数据时空分异规律的有效方法,可以解决数据维度高、质量低等问题;② 面对不同的地理问题,三向聚类在算法层面上是通用的,不同之处仅在于：根据不同问题涉及的空间、时间、尺度、属性的不同,构建不同的数据体;不同数据体聚类得到的不同结果回答不同的地理问题;③ 三向聚类可以实现地理数据的时空分异规律多方向、多尺度、多层次的联合解译,揭示地理特征时空尺度叠加效应。最后,论文强调根据地理问题组织数据的重要性,期待未来能够提升三向聚类在多空间尺度、多属性方面的地理研究实践。     

The cooperative and conflictual interactions between the United States,Russia, and China: A quantitative analysis of event data

The United States, Russia and China are militarily and economically among the most powerful countries in the post-Cold War period, and the interactions between the three powers heavily influence the international system. However, different conclusions about this question are generally made by researchers through qualitative analysis, and it is necessary to objectively and quantitatively investigate their interactions. Monthly-aggregated event data from the Global Data on Events, Location and Tone(GDELT) to measure cooperative and conflictual interactions between the three powers, and the complementary cumulative distribution function(CCDF) and the vector autoregression(VAR) method are utilized to investigate their interactions in two periods: January, 1991 to September, 2001, and October, 2001 to December, 2016. The results of frequencies and strengths analysis showed that: the frequencies and strengths of USA-China interactions slightly exceeded those of USA-Russia interactions and became the dominant interactions in the second period. Although that cooperation prevailed in the three dyads in two periods, the conflictual interactions between the USA and Russia tended to be more intense in the second period, mainly related to the strategic contradiction between the USA and Russia, especially in Georgia, Ukraine and Syria. The results of CCDF indicated that similar probabilities in the cooperative behaviors between the three dyads, but the differences in the probabilities of conflictual behaviors in the USA-Russia dyad showed complicated characteristic, and those between Russia and China indicated that Russia had been consistently giving China a hard time in both periods when dealing with conflict. The USA was always an essential factor in affecting the interactions between Russia and China in both periods, but China's behavior only played a limited role in influencing the interactions between the USA-Russia dyad. Our study provides quantitative insight into the direct cooperative and conflictual interactions between the three dyads since the end of the Cold War and helps to understand their interactions better.     

盐城海岸带湿地景观格局变化研究

利用4个时相的陆地卫星遥感影像及相关资料,在遥感和地理信息系统技术支持下,对盐城国家级自然保护区的核心区和缓冲区进行了景观格局分析。结果表明,从1988~2002年,淤泥质滩涂面积增长了13.33%;分形维数从1.0991上升到1.1166,蔓延度指数从76.4426下降到53.1142,表明研究区形状趋于规则,人为干扰程度增大,景观有破碎有上升的趋势,该边缘生境异质性在逐步增强;人类对滩涂的影响增加,逐渐成为影响该生态系统的主要力量。