遥感技术在我国海冰研究方面的进展

本文首先对遥感技术在我国海冰研究中的发展情况作了详细地论述,并介绍了几种常用于海冰研究的遥感数据;其次,从海冰厚度识别、海冰运动速度矢量计算、海冰资源量测算以及海冰灾害监测等四个方面,简单论述了遥感技术在海冰研究中的应用。最后,以渤海海冰为例,阐述了遥感技术的具体应用,同时指出了今后的发展方向。     

变暖背景下北极海冰减少在冬季北半球高纬大陆降雪增加中的作用

过去的几个冬季中,北美、欧洲、西伯利亚和东亚大部分地区经历了冷冬和强降雪,而这与北极海冰的快速减少有关。尽管北极海冰减少在冷冬和强降雪中的作用仍存在争议,但这种新兴的气候反馈在未来变暖背景下是否会持续仍值得关注。中等排放情境下的气候模式模拟结果揭示,欧洲东北部、亚洲中部北部、北美北部的冬季降雪增加会成为贯穿21世纪的一个稳健的特征。21世纪这些区域冬季降雪增加的主要原因是北极秋季海冰的减少（很大的外部强迫）,而冬季北极涛动的变化（北半球主要的自然变化形态）对降雪增加的作用很小。这一结果不仅体现在多模式平均上,而且每个单独模式的结果依然如此。我们认为海冰-降雪之间的强反馈作用可能已经出现,并且在接下来的几十年中这种强反馈作用可能会增强,北半球高纬地区的强降雪事件也会增加。     

溶解无机态营养盐在渤海沉积物-海水界面交换通量研究

了解无机态营养严在渤海沉积物-海水界面交换速率、通量基控制因素,于2002-08-06~08-24,应用船基沉积物培养方法,现场测定了硅酸盐(SiO3-Si)、磷酸盐(PO4-P)和溶解无机氮(DIN)在沉积物-海水界面上的交换速率(νN)和交换通量(FN)。结果显示,νSiO3-Si变化范围为2 220~4 317μmol.m-2.d-1,平均为3 466μmol.m-2.d-1,νPO4-P为0.4~77μmol.m-2.d-1,平均为39μmol.m-2.d-1,νDIN为667~2 167μmol.m-2.d-1,平均为1 308μmol.m-2.d-1,其中NH4-N和NO3-N的贡献分别为48%和47%左右。进一步分析表明,νSiO3-Si主要由溶解和扩散2个过程控制,前者决定于沉积物黏土矿物含量和含水率,后者决定于营养盐浓度和温度。νPO4-P主要由在以黏土为主的细颗粒和氢氧化铁上的吸附-解吸和扩散过程控制,前者分别决定于沉积物粒度和上覆水中DO浓度,而后者决定于间隙水与上覆水之间的浓度差。结果表明,FSiO3为2.59×1013mmol,FPO4为2.95×1011mmol,FDIN/SE为8.62×1012mmol。这样,为维持夏季渤海初级生产力,沉积物交换过程可提供大约65%的SiO3-Si、12%的PO4-P和22%的DIN,远远高于以河流径流为主的陆源排放。     

Ice-Induced Fatigue Analysis by Spectral Approach for Offshore Jacket Platforms with Ice-Breaking Cones

The spectral methods and ice-induced fatigue analysis are discussed based on Miner's linear cumulative fatigue hypothesis and S-N curve data.According to the long-term data of full-scale tests on the platforms in the Bohai Sea,the ice force spectrum of conical structures and the fatigue environmental model are established.Moreover,the finite element model of JZ20-2MSW platform,an example of ice-induced fatigue analysis,is built with ANSYS software.The mode analysis and dynamic analysis in frequency domain under all kinds of ice fatigue work conditions are carried on,and the fatigue life of the structure is estimated in detail.The methods in this paper can be helpful in ice-induced fatigue analysis of ice-resistant platforms.     

北冰洋高纬度区域海冰及气象特征分析

基于2018年8月至2019年5月布放在北极随海冰漂流的自动气象站和温度链浮标获取的观测数据,分析了北极高纬度区域的大气特征和海冰生消过程。根据海冰的漂移轨迹分为两个阶段分析,第1阶段,海冰主要向东南漂移;第2阶段,海冰主要向东北漂移。第1阶段观测的平均气温和平均相对湿度分别为–6.6℃和93%,第2阶段观测的平均气温和平均相对湿度分别为–29.3℃和76%,第2阶段平均气压高于第1阶段。海冰的漂移轨迹主要受到波弗特高压外围气流的影响。利用自动气象站漂移轨迹计算得到海冰漂移速度,与美国国家冰雪数据中心海冰漂移速度比较显示,两者纬向速度更为接近。海冰在第1阶段以融化为主,海冰厚度略有减小,8月份海冰生长率为–0.11 cm/d;海冰的生长过程主要发生在第2阶段,1–3月生长率均超过0.9 cm/d,2019年3月海冰生长最快,平均生长率为1.3 cm/d,海冰的增长一直持续至观测结束。     

跨海大桥建设对胶州湾北部冬季结冰现象的影响

本文利用台站观测、卫星遥感以及专项调查等多种数据,综合分析了近年来胶州湾典型水文气象要素的变化特征及建桥前后水动力环境等的变化对冬季冰情的影响。结果显示,建桥以来冰情较重的年份冬季气温和年最低气温均处于近30年的低位,重冰期与年最低气温时段相吻合,且以跨海大桥为界,北部海湾结冰现象严重,而南部几乎无结冰。基于区域海洋水动力模型(ECOM)的模拟结果显示,跨海大桥建设可以从几个方面影响胶州湾北部海冰的生消,即大桥建设使胶州湾尤其是大桥北侧的水动力环境弱化,落潮时桥北侧水体堆积,涨潮时桥北侧向陆一侧水位减小;大桥对桥位南北1.5 km周围涨、落潮流场产生影响;流场的变化又使得悬浮物对流扩散和沉积物输运发生改变,大桥北侧局部区域水深变浅。     

保持局域特征的多源海冰图像融合与分类

本文提出一种保持局域特征的多源海冰图像融合方法,并在此基础上进行海冰分类。本文提出的多源海冰图像融合方法包括保持空间局域融合和保持特征局域融合两方面。首先,通过学习得到投影矩阵和相似矩阵。投影矩阵将多源像素进行投影变换,得到保留像素空间局域特性的融合向量。相似矩阵度量像素特征间的相似性,通过拉普拉斯特征分解,得到保留像素特征局域相似性的融合向量。然后,将空间融合向量和特征融合向量进行像素综合,得到融合图像。在此基础上,本文设计一种滑动集成分类方法进行融合图像像素分类。提出的分类方法利用滑动集成的特点,在分类时增强刻画了海冰局域特性。由于本文的保持局域融合框架不仅刻画了海冰在物理空间中的邻接关系,而且考虑不同海冰类型的特征关系,因此其在多源图像（多光谱和合成孔径雷达（SAR）图像）的海冰分类任务中表现优异。实验结果表明本文提出的基于保持局域特征融合的多源海冰图像分类方法有效提升了海冰分类精度。     

近20年渤海叶绿素a浓度时空变化

浮游植物作为食物链的基础,对海洋生态系统具有重要作用。渤海作为我国最大的内海和重要渔业生物的产卵场、育幼场和索饵场,该区浮游植物研究具有重要意义。叶绿素a浓度是反映浮游植物生物量的重要指标。利用Google Earth Engine平台,对1997–2010年的宽视场海洋观测传感器(SeaWiFS)叶绿素a浓度数据和2002–2018年的水色卫星中分辨率成像光谱仪传感器(MODIS Aqua)叶绿素a浓度数据进行合并,并研究其时空变化特征。研究表明,近20年来,渤海全年叶绿素a浓度增加了14.1%,且增加显著。叶绿素a浓度在所有季节都呈现增加趋势;除11月外,其他各月都呈现稳定或增加趋势。从滦河入河口沿岸至渤海海峡的渤海中部,叶绿素a浓度增加较明显。同时也分析了海洋表面温度、风速和降水量数据。夏季渤海周边区域降水量和风速增加以及秋季海表温度的降低都有助于同季叶绿素a浓度的升高。渤海浮游植物可能受陆源营养物质输入影响较大。     

辽东湾海洋工程可靠性设计的海冰参数选取

海冰参数的合理取值是海洋工程海冰灾害风险评估的重要内容。利用1950—2018年的冰情等级(5个等级)数据,进行了1950—2018、1950—1990、1991—2018三种情景下的回归分析,确定了不同时期的冰情等级概率分布密度函数。利用鲅鱼圈雷达观测站2002—2017年的海冰现场实测资料,分别对鲅鱼圈附近海域一般冰厚、最大冰厚、最小冰厚进行概率分布拟合。基于上述概率分布结果,给出不同冰情等级的重现期,进而对海冰作业条件给出的设计参考值进行评价。结果表明:1990年以后2级、3级冰情重现期相对1990年之前变小,4级、5级冰情重现期相对1990年之前变大,规范给出重现期范围已不能代表辽东湾冬季海冰情况。本研究成果可为辽东湾海洋工程可靠性设计提供重要数据支撑。     

渤海岸线及水深变化对水动力影响的数值模拟

为探究渤海岸线及水深变化对水动力的影响,基于Delft3D水动力学模型,选用2003年和2015年作为围 填海前后的典型年份,建立了围填海前后岸线及水深条件下的渤海三维水动力模型,并对水动力场进行了模拟。通过对围填海前后潮波和潮余流的分析,得到了岸线及水深变化对渤海水动力场的影响。结果表明:填海后,岸线及水深变化会对渤海主导分潮M₂分潮产生较大影响,秦皇岛附近无潮点向西北方向偏移,渤海海域M₂ 分潮振幅总体减小;潮致余流场受岸线及水深变化影响较大,其中渤海湾曹妃甸港南部形成复杂的涡流,沿岸海域余流增大;滨海新区附近形成多个小范围环流,且天津港到黄骅港北部沿岸海域2015年余流比2003年增加3~5 cm/s;黄骅港南部形成一个逆时针环流,并且该处余流减小2~5 cm/s。辽东湾辽河口附近由于水深增加导致余流减小2~7 cm/s。莱州湾黄河口附近的逆时针环流向东南方向移动,黄河口北部余流略有减小,东南部余流明显增大,增加量最多能达到9 cm/s。刁龙嘴南侧顺时针环流减小,北侧顺时针环流增大4~9 cm/s。