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。     

70年来中国化学海洋学研究的主要进展

我国的海洋化学工作者通过70年来,特别是近30年来的化学海洋学研究,实现了我国与世界先进水平进入同步发展的快车道,其显著的特点是:(1)化学海洋学研究从元素地球化学分布系统转向了以揭示深层次海洋生物地球化学过程为核心的研究;(2)化学海洋学研究实现了多领域、多视点的综合交叉研究;(3)更加关注了人为影响与自然变化共同作用下的海洋生态环境变化研究,对近海和海岸带而言,更加注重从海陆统筹一体化角度探析化学物质的分布迁移特征。本文从生源要素的海洋生物地球化学过程、微/痕量元素与同位素的海洋化学研究、生物过程作用下的化学海洋学过程等角度,重点总结归纳和分析了30年来我国海洋化学研究的重要进展和发展状况,以期对化学海洋学的进一步研究提供借鉴和启迪。     

周期性的或伴有贯穿流的西边界流跨隙流动的迟滞变异过程

使用1.5层准地转约化重力模式研究了周期性的或伴有贯穿流的西边界流跨隙流动的迟滞变异过程。当西边界流变化的周期比罗斯贝波在缺口处调整的时间尺度大得多时,在雷诺数增加和减少过程的霍夫分叉点都发生延迟,从而产生新的雷诺数迟滞区间;并且西边界流流态转变的临界值变化显著;且周期强迫越短,雷诺数迟滞区间越大。当西边界流变化的周期与罗斯贝波在缺口处调整的时间尺度相当时,西边界流在缺口的流态呈无迟滞的周期性变化,且西边界流入侵西海盆的程度随周期减少而变小。此外,当贯穿流的流量大于西边界流的一半时,会显著影响西边界流在缺口处的迟滞变异过程;西边界流向西入侵程度和流态转变发生的临界雷诺值均发生变化,且贯穿流流量越大变化越大。     

秦皇岛近岸海域绿藻微观繁殖体的分布以及在绿潮形成中的作用

2015年以来,秦皇岛近岸海域暴发了绿潮,对北戴河旅游区的环境和生态系统造成了严重影响。绿藻微观繁殖体在绿潮的形成过程中起到重要作用,主要包括孢子、配子、幼苗和营养片段。绿藻微观繁殖体作为绿潮的“种源”,其分布规律可以反映绿潮的“藻源”位置。本研究于2016年4-9月和2017年1月对秦皇岛近岸海域绿藻微观繁殖体的调查,探究了其分布规律以及生物量变化。结果显示,绿藻微观繁殖体主要分布在近岸海域,由近岸向远岸海域逐渐降低。绿藻微观繁殖体的数量在7、8月份最高,在冬季最低。受绿潮影响严重的海域微观繁殖体数量高于其它海域。秦皇岛近岸海域的绿藻微观繁殖体为该海域绿潮的种源,其分布规律表明秦皇岛近岸海域绿潮起源于本地。     

北京市居民地铁出行出发时间弹性时空分布特征研究

伴随城市转型进程的加快,交通需求不断膨胀,导致大城市交通拥堵日趋严重,以调节出行者的选择行为为核心要素的交通需求管理理念成为相关政策的重要理论基础,但现有研究也表明,交通需求管理对出行弹性较高的出行具有显著调节作用,而对出行弹性较低的出行调节作用并不明显。因此,加强出行弹性等居民出行行为研究日益迫切,而公交刷卡数据等新的时空数据为居民复杂出行行为的挖掘提供了新的契机。本文利用北京市2014年3月地铁刷卡数据,以出行者出发时刻的可变性来测度出发时间选择的可改变程度,对居民地铁出行出发时间选择弹性进行测度,并结合GIS空间分析技术对其时空分布特征进行分析。研究表明：① 北京市地铁出行的居民出行弹性平均值为0.521,出发时间选择弹性整体上较大,表明北京居民出发时间选择相对较为灵活;② 北京市居民地铁出行弹性存在时空差异,居民个体休息日出行弹性高于工作日,一天中高峰时段出行弹性高于非高峰时段;③ 居民出行弹性存在空间自相关,倾向于在空间上发生集聚,存在明显的冷热点区域;内城居民的出行弹性明显高于城市外围居民。     

两郧断裂郧县盆地段地质与地球物理特征研究

通过野外地质调查,结合地球物理探测手段,研究两郧断裂郧县盆地段地质与地球物理特征;参照两郧断裂带多个位置采集断层物质的SEM、TL测试成果,并结合本次对断层上断点沉积物OSL测年数据,对两郧断裂该段第四纪活动性进行分析。研究结果表明,两郧断裂在郧县盆地段埋深相对较深;断裂特征主要为逆断层,部分分支断裂显示为正断性质;断裂带最新活动时代为中更新世晚期-晚更新世早期。     

基于无人机多源遥感数据海岛植被叶面积指数协同反演研究

无人机多源遥感数据的获取、融合以及应用是当今研究的热点和难点。文中以城洲岛为例,针对海岛特殊的地理生态环境,获取无人机多源遥感数据。结合无人机多光谱遥感数据定量分析各遥感植被指数与植被叶面积指数(Leaf Area Index, LAI)的响应关系,构建单因子遥感反演模型;基于无人机激光LiDAR点云提取海岛植被冠层高度模型(Canopy Height Model,CHM),并将其作为自变量引入到多源统计回归分析中,从而构建多源遥感数据协同反演模型,对区域尺度下海岛叶面积指数(LAI)进行估算,开展验证和精度评价。结果显示,加入植被冠层高度因子的协同反演模型的判定系数R2为0.92,绝对平均误差系数为12.29%,预测精度要优于单因子反演模型(判定次数R2为0.86,绝对平均误差系数19.95%)。研究表明,加入了植被冠层高度因子的协同反演模型能在一定程度上提高乔木植被LAI的预测精度。实践证明,无人机多源遥感技术在生态学定量研究中具有巨大的潜力和广阔的应用前景。     

Understanding geographical patterns of a city’s diurnal rhythm from aggregate data of location‐aware services

Do collective behaviors of the daily routine of a city's inhabitants form the periodical cycling of human activity at the city level (here termed the “city's diurnal rhythm”)? If the answer is yes, do there exist geographical patterns in the city's diurnal rhythm? Using a nationwide dataset of observed uses of location‐aware services in the largest Chinese social media platform, we first confirm the significant periodicity in city‐level human activity from the perspective of the aggregate degree of social media uses over a day. We then investigate geographical changes in the diurnal rhythm of human activity and its local variations in different parts of the city, and between weekdays and weekend days, over 340 Chinese cities. Our results show that a city's diurnal rhythm across the whole country exhibits both regular, nationally conspicuous shifts along geographical gradients and locally distinct spatiotemporal changes within the city. Our findings could provide insights into the characterization of the daily routine of city‐level human activity and its geographical patterns, and have potential for several issues in terms of planning, management, and decision‐making related to human population dynamics.     

气候系统预测:基础创新和集成应用

随着全球变暖,极端天气气候事件增强,天气气候灾害造成的损失也愈发严重。当前气候预测的准确性远远不能满足社会需要,气候系统预测理论和方法面临着众多挑战性问题。为提档气候预测科学水平和准确率,由南京信息工程大学和中山大学承担的“气候系统预测研究中心”获得国家自然科学基金基础科学中心项目支持(2021年1月—2025年12月)。在该项目执行的前三年,项目团队开展了大量深入系统的研究,并取得了若干重要进展:1)揭示了气候系统的若干关键变化、驱动力和机制;2)剖析了海-陆-冰-气相互作用对我国重大极端气候事件的影响;3)在气候系统数值模式研发和预测系统集成方面取得重要进展;4)发展了延伸期-S2S-年代际的气候系统预测理论和方法。本文对这些进展作了扼要介绍,并针对气候与环境变化归因、古今气候环境研究融合、跨时空气候系统变异和极端气候、人工智能与气候科学、年代际预测和风险应对体系等关键科学问题做了展望。     

西昆仑-喀喇昆仑造山带锂矿成矿特征与成矿规律初探

西昆仑- 喀喇昆仑造山带中生代花岗伟晶岩相当发育,主要分布于麻扎- 康西瓦缝合带以南的喀喇昆仑造山带,构成了西自木吉—塔什库尔干,东到大红柳滩长达600 km的喀喇昆仑稀有金属成矿带。通过多年的研究,本文对西昆仑- 喀喇昆仑造山带37处稀有金属矿床(点)进行了全面系统的梳理,认为喀喇昆仑- 喀喇昆仑造山带表现为“西铍东锂”的格局,稀有金属成矿年龄集中213~206 Ma。将喀喇昆仑造山带稀有金属成矿带划分为木吉- 塔什库尔干稀有金属成矿亚带、赛图拉- 大红柳滩稀有金属成矿亚带,从西向东可划定4个矿化集中区：木吉- 布伦口稀有金属集中区、塔什库尔干- 塔吐鲁沟稀有金属矿化集中区、康西瓦稀有金属矿化集中区、大红柳滩- 白龙山稀有金属矿化集中区。同时,认为西昆仑- 喀喇昆仑造山带西段下一阶段的找矿可放在西合休南锂铍找矿远景区、阿然保泰铍找矿远景区、木吉西锂铍找矿远景区。