西亚地区是亚欧大陆中纬度干旱区的重要组成部分, 常年降水稀少、蒸发强烈, 生态系统脆弱, 对降水-温度耦合变化响应极为敏感。厘清西亚地区的气候变化规律, 不仅可为未来气候变化提供预测依据, 也对区域经济发展与社会稳定具有重要意义。然而, 长期以来西亚地区古气候研究相对薄弱, 气候记录稀少且存在诸多矛盾, 严重制约了对区域气候长期变化趋势的预测。本文系统梳理了过去30年西亚全新世水文气候记录, 探讨其变化模式和驱动机制。已有的孢粉记录显示, 该区域有效湿度在全新世呈持续增强趋势, 而石笋和湖泊沉积物δ¹⁸O的记录却显示全新世气候逐渐变干。整合对比西亚地区现有的气候记录, 推断石笋和湖泊次生碳酸钙的δ¹⁸O变化主要受控于水汽源区——地中海表层海水δ¹⁸O组成变化, 不能用雨量效应来解释。基于对西亚地区多源水文气候记录和指标可靠性的剖析, 本文推断, 西亚干旱地区全新世千年尺度气候条件模式与夏季太阳辐射主导的西风带强度和位置密切相关。早全新世夏季太阳辐射增强对应较高表面温度, 驱动西风环流向北移动, 导致西亚地区西风水汽输送减少, 气候干旱加剧; 然而东非季风区降雨增加导致尼罗河等河流入海水量增大, 从而引起地中海海水δ¹⁸O组成负偏, 受水汽源区δ¹⁸O变化影响, 西亚地区降水δ¹⁸O记录趋于负偏。晚全新世则呈现相反的特征。

东印度洋深海是全球深海系统的重要组成部分, 在全球碳循环、热量分配和营养物质运输中具有重要作用。东印度洋深海被90°E海岭分成中印度洋海盆和西澳大利亚海盆, 两个海盆间的水团特性和环流具有显著差异。为了进一步深入理解东印度洋的深海环流及水团特征, 本文通过回顾现有的研究成果, 总结和阐述了: 1)东印度洋深海地形的特殊性; 2)深海水团的来源和路径; 3)深层经向翻转环流; 4)中印度洋海盆和西澳大利亚海盆之间深层水的差异和联系。最后, 本文提出了未来东印度洋深海研究中需要重点关注的科学问题, 旨在为该领域的进一步研究提供参考。

印度洋是世界第三大洋, 周边环绕着红海、阿拉伯海、亚丁湾、波斯湾、莫桑比克海峡等10多个属海和海湾, 是一个面积广阔、环境复杂且资源非常丰富的热带海洋。近年来, 印度洋的海洋资源开发与研究备受国际关注。在过去十年中, 我国自然资源部(原国家海洋局)、中国科学院等多家科研机构每年持续组织大型科学考察活动, 对印度洋的地质、生物、矿产等多领域展开系统性研究, 积极践行国家“一带一路”倡议。随着研究的不断推进, 我国在发掘印度洋海洋微生物资源方面成果显著。本文基于统计数据, 系统综述该区域环境微生物多样性、新物种及其分布特征, 并探讨活性天然产物的发现与应用潜力, 进而评估其开发前景并提出建议。研究旨在提升我国对印度洋海洋微生物资源的科学认知, 进一步巩固并强化我国在该区域研究的优势地位。

作为活跃的汇聚带, 巽他弧以强震、海啸和火山活动著称, 而目前对东巽他弧板块边缘的关注相对较少。该研究全面梳理了爪哇东至松巴哇岛板块边缘的俯冲洋壳、海沟及增生楔沿走向的变化, 探讨了俯冲板块地形地貌对上覆板块变形的控制, 并揭示了俯冲作用对浅部地质灾害的影响。 结果表明研究区俯冲结构具有显著的分段性, 西部和东部分别受Roo隆起和阿尔戈深海平原俯冲所控制。俯冲板块的海底地貌和结构导致了海沟和弧前区变形不同: Roo隆起俯冲造成侵蚀作用, 形成范围较小的增生楔, 且倾斜坡度大; 深海平原俯冲对应发育宽缓增生楔。无论海山/隆起俯冲或俯冲板块挠曲产生的正断层都可能触发地质灾害的发生。相关结论为理解俯冲增生过程、地震和海啸灾害提供了理论依据。

印度洋及周边地区是全球受海啸威胁最严重的区域之一, 历史上多次海啸事件造成了重大的人员伤亡和经济损失。增加海啸预警效能, 对提升该区域防灾减灾能力至关重要。本文首先回顾并总结了印度洋区域的历史海啸事件特征及其影响, 选取三次典型海啸事件进行深入分析, 探讨海啸生成与区域构造背景等之间的关联; 讨论地震、海底滑波和火山活动3种主要的海啸生成机制, 分析其特征及潜在的耦合作用。最后, 基于地震台网数据开展了印度洋T波海啸预警的探索性研究, 并评估了T波海啸预警的可行性, 为未来印度洋区域实施更高效的海啸预警提供科学参考。

加强对海洋沉降颗粒物的重要组分-硅质放射虫残骸群沿深度梯度变化的观测研究, 可提升深海硅循环过程的认知, 并充分挖掘放射虫在古海洋环境重建中的指示意义。本研究选择热带东南印度洋两个深海区, 利用大型多联网对0~3000m水柱9个水层连续采集样本, 基于虎红染色法与传统形态分析方法, 首次系统揭示该海域硅质放射虫残骸群在不同水层的分布规律: 垂向上, 放射虫残骸群最丰富的层位出现在活体群最高丰度的同一层或下层, 整个水柱垂直分布呈现出三层模式, 其中浅层组为残骸累积层、中层组为稳定沉降层、深层组则为溶解损失层。泡沫虫属种在沉降过程中群落结构的稳定性较高, 而罩笼虫则随着水深增加含量降低, 尤其是在深层密度远低于泡沫虫, 与活体补充数量以及属种沉降特性密切相关。区域上, 放射虫残骸群密度主要受到生产力与区域水动力的影响, 比如, 南部站位100~2000m残骸群的密度、物种数及多样性均高于赤道站位, 与其活体放射虫生产力较高密切有关, 但在2000~3000m深层水中, 南部站位放射虫密度却明显低于赤道站位, 与深层水颗粒物侧向运移密切相关。本研究所获取的放射虫残骸群落数据将为估算热带东印度洋放射虫硅输出通量及其生物泵效应提供重要的观测数据和科学支撑。

本研究针对东北印度洋90°E海岭区表层沉积物碳酸钙空间分异机制的科学问题, 通过多尺度分析方法揭示其控制因素与生物地球化学过程。基于10个站位表层沉积物的全样及分粒级(> 150μm、63~150μm、38~63μm、25~38μm、< 25μm)碳酸钙含量测试, 结合扫描电镜显微特征定量统计, 发现: (1)研究区碳酸钙含量呈现36.95%~74.76%的显著空间分异(均值56.05%), 形成30%~45%、45%~60%、60%~75%三级梯度格局; (2)水深3000m以上区域, 碳酸钙主控组分为> 150μm浮游有孔虫壳体(占比> 65%), 而接近/超过溶跃面的站位则以< 25μm细颗粒组分为主(贡献率> 58%); (3)显微特征定量分析首次揭示25~38μm组分中钙质沟鞭藻化石(相对丰度最高达73.68%)与超微化石、有孔虫碎片的协同沉积模式。进一步研究表明, 碳酸钙分布主要由三元调控机制主导, 即水深控制的溶解效应、陆源碎屑输入和硅质生物稀释作用。本研究创新性地建立了“粒级分离-显微统计-环境解译”的综合研究方法。该方法不仅完善了海山地貌单元碳酸钙分布理论模型, 其发现的钙质沟鞭藻新碳源类型也拓展了对深海无机碳库的组成认知。研究成果可为全球海岭区碳酸钙保存机制的对比研究提供关键案例, 并通过改进粒径特异性碳酸钙通量算法, 为海洋碳循环模型参数化提供重要科学依据。

印度洋90°E海岭区具有复杂而独特的地形特征, 为深入了解海岭区不同部位底栖生物生态特征、区域生物生产力及陆源输入影响, 对东北印度洋海岭区13个表层沉积物样品中大于150μm壳径的底栖有孔虫组合进行了定量分析。研究发现该区底栖有孔虫以150~250μm粒径为主, 相对丰度为60%~84%; 大于250μm壳径粒级的底栖有孔虫相对丰度较低, 为16%~40%。优势底栖有孔虫属种以表生种和中浅内生种为主。壳体组成以玻璃质壳为主, 胶结质壳次之, 瓷质壳含量最低。底栖有孔虫主要属种组成没有明显差异, 但其绝对丰度、三大类壳体组成和表/内生种的分布仍表现出一定的区域差异: 底栖有孔虫丰度在海岭北部两侧相对较高, 海岭上相对较低; 研究区东北侧的胶结壳相对含量在明显高于其他区域; 在海岭中部, 胶结质底栖有孔虫含量随水深的增加而上升, 其壳壁建造所选颗粒在东北部以碎屑矿物为主。综合分析认为, 东北印度洋海岭区底栖有孔虫主要受陆源物质输运、表层生产力分布和水深变化引起的溶解作用的共同影响。此外, 我们首次注意到在大于250μm的组分中, 所有站位表生种含量远大于内生种, 推测这是底栖有孔虫对高氧生态环境适应演化的结果。

印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole, IOD)是印度洋固有的一种气候现象, 通常发生在北半球秋季, 会影响印度洋周边国家和地区乃至我国的天气、气候状况。IOD同时受到厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)和印度洋内部变率的影响。因增暖中心和气候影响的差异, ENSO被分为两种主要类型, 即东太平洋型(eastern Pacific, EP)和中太平洋型(central Pacific, CP)。然而, 当前研究并未充分讨论两种类型ENSO对IOD的影响机制, 也未量化两类ENSO和内部变率的影响程度。在此, 以上因素对IOD的贡献可以通过一种新型联合线性回归方法进行估算。该方法分离了两类ENSO与内部变率的影响, 结果表明印度洋内部变率是IOD海温变化主要来源, 占比可达60%以上; ENSO的总贡献约占三分之一, 其中以CP型为主, 而EP型则倾向于在极端事件中影响IOD。ENSO与内部变率对IOD的作用机制不同: ENSO主要通过沃克环流影响印度洋风场, 但因为EP型和CP型的增暖核心不同, 两者影响程度有所差异; 内部变率则倾向于通过印度洋内部的海洋过程造成海温异常进而引起IOD。此外, 由于厄尔尼诺生命期更长, 与之共发的IOD正事件有更大几率转化为下一年春季的印度洋海盆尺度增暖, 其中ENSO总贡献超过70%。虽然内部变率对该转化并无显著统计关系, 但强的IOD正事件仍有机会触发海盆尺度增暖。以上结果有助于提高对气候模态以及跨海盆相互作用的认识。

以往对斯里兰卡气候年际变化的研究多集中于降水特征, 而对气温的年际变化特征及其气候归因认识不足。本研究基于高分辨率气候再分析数据, 结合热带印度洋-太平洋的年际气候指数, 分析了斯里兰卡地表气温的年际变化特征及其影响因子。 结果表明, 斯里兰卡全岛气温在年际尺度上呈现较一致的冷暖变化, 其中中央高地北部地区的变化幅度较大, 而沿海地区的变化幅度较小。偏相关分析的结果显示, 斯里兰卡气温的年际变化受到厄尔尼诺-南方涛动(El Niño and Southern Oscillation, ENSO)的显著调控, 而局地的印度洋偶极子模态(Indian Ocean Dipole, IOD)的影响并不显著。偏回归分析的结果进一步表明, 厄尔尼诺事件期间, 印度洋海盆整体增暖, 并通过持续加热周边大气影响气温; 同时, 热带东南印度洋和孟加拉湾周边地区的短波辐射增强, 陆地升温显著, 进而通过感热交换使近地面大气进一步增暖。相比之下, 正IOD事件所导致的气温变化在东印度洋和孟加拉湾偏冷, 而在西印度洋及阿拉伯海偏暖; 斯里兰卡位于IOD影响的冷暖异常交界处, 因而气温响应信号较弱。上述结果有助于加深对斯里兰卡及周边区域年际气候变率的理解, 并为应对极端高温等气候风险提供了科学参考。

前人研究认为, 受海因里希1(Heinrich Stadial 1, HS1)早期(约18.3—16.3cal ka BP)北半球降温的影响, 热带辐合带(intertropical convergence zone, ITCZ)雨带的平均位置会向南移动。但是, 最新结果发现, HS1早期北半球低纬度地区(3ºN—9ºN)呈现湿润水文条件, 而其南北部却同步出现干旱。可见HS1早期ITCZ对北大西洋降温事件的响应方向及位移幅度仍存争议。孟加拉湾的海洋炭屑记录保存了周边陆地大量气候成因古火事件的信息。研究发现, 在HS1早期(18.3—16.3 cal ka BP), 位于9°54′N的YDY09孔的炭屑总浓度与木本型炭屑百分比均降至最低, 而草本型炭屑百分比则有所上升, 这表明火灾发生强度急剧降低。这一变化, 结合有孔虫和石笋δ¹⁸O记录所揭示的降水减少信号, 可能源于当时气候干旱与温度降低共同导致的植被退化。该结论说明炭屑、孢粉与有孔虫等其他指标重建的印度夏季风降水结果一致, 也与来自10°N的YDY10岩芯和15°N的E87-32B岩芯中常绿阔叶林花粉低值所反映的干旱情形相符。同期, 苏门答腊岛2个孔(分别位于6°N和6°S)的炭屑和孢粉含量也分别显示湿润和干旱, 反映其炭屑和孢粉源区当时处于ITCZ雨带范围内部与外部区域。炭屑与孢粉记录共同揭示, HS1早期在10°N至6°S范围之外存在干旱证据; 结合苏门答腊岛6°N孔的湿润证据, 间接支持了该时期ITCZ位置在6°N两侧。

东北印度洋气候和表层洋流受印度季风控制, 其海洋初级生产力是生态系统的基础, 连接着大气和海洋碳库, 是古海洋和碳循环研究的热点。本研究通过对东北印度洋90°E海岭I105A孔柱状沉积物中的颗石进行定量分析, 获得了末次冰期以来颗石绝对丰度与主要属种相对百分含量记录, 重建东北印度洋海洋初级生产力的变化规律。 结果表明54ka以来该区海洋初级生产力经历3个阶段: 末次冰期较高、冰消期显著降低、全新世保持较低水平, 与孟加拉湾其他古生产力指标变化趋势基本一致。与印度洋古环境资料对比发现, 当印度夏季风增强时, 东北印度洋淡水输入增多, 海洋初级生产力降低, 揭示末次冰期以来印度夏季风降水及其导致的海水分层很可能是东北印度洋海洋初级生产力变化的主要驱动力, 并且受地球轨道岁差周期的调控。

本文利用2015年3月—2021年5月热带印度洋观测网(tropical Indian Ocean observation net, TIOON)在赤道80°E、85°E和93°E布设的观测潜标所获取的环流时间序列, 结合BRAN2020 (Bluelink ReANalysis)环流流速数据以及JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)气象数据, 研究了印度洋赤道深层环流(1200m以下)的季节内变化特征及其驱动机制。观测结果显示, 深层环流流速平均值接近0, 纬向流速标准偏差范围为2.5~3.1cm·s⁻¹, 经向流速标准偏差范围为2.6~3.1cm·s⁻¹。纬向流和经向流的季节内周期信号强度分别占各自总流动强度的88%~91%和74%~84%, 揭示了深层环流中的显著季节内周期变率特征。小波分析表明, 深层纬向流季节内信号主要周期为10~100d, 其中80°E处的周期较长(50~90d), 而93°E处的主要为50d及更高频信号, 表现为蓝移现象, 即环流变化的主导频率随位置靠东而变高的现象。经向流季节内信号以60d周期最显著。赤道风应力异常是深层环流季节内变率的重要驱动因素。中海盆(80°E和85°E)深层环流季节内变率主要受纬向风应力异常驱动, 通过反射波动过程调制; 基于低阶斜压模态, 能量通过Kelvin波在东边界反射后形成的Rossby波向深层传递。东海盆(93°E)深层环流季节内变率主要受纬向和经向风应力异常驱动, 通过直接波动过程调制; 基于多阶斜压模态, 能量通过在环流西侧由风直接驱动产生的Yanai波向深层传递。根据线性波动理论, 本研究刻画了上述赤道波的能量传播射线, 结果显示地形对赤道波调制深海环流的动力过程有重要影响: 中海盆的平坦地形有利于向下向西传播能量的反射波动过程, 而90°E海脊可能会阻碍向下向东传播能量的直接波动过程。在平坦地形区域, 正压不稳定过程在经向上无显著差异且强度弱, 区域平均结果显示能量主要由平均流向环流季节内变率释放; 90°E海脊附近, 环流季节内变率与平均流之间存在更强的非线性动力作用, 表现为环流季节内变率向平均流转移能量。本研究加深了对深层环流动力学的理解, 为改进深海环流模拟提供了观测依据。

海洋盐度是全球水循环的指示因子, 对海洋环流、海平面高度和海洋层结都有重要调控作用, 在海洋热力学以及动力学过程中也起着关键作用。近年来, 热带印度洋海域的盐度变化和气候响应受到广泛关注。本研究采用近31年的卫星遥感、海洋观测和模式再分析资料, 研究了热带南印度洋低盐水舌的低频变化及形成机制。 结果表明, 低盐水舌的体积和平均盐度均存以准12年为周期的年代际变化, 该变化主要与太平洋年代际涛动(Interdecadal Pacific Oscillation, IPO)有密切联系。进一步分析表明, 在年代际尺度上, 上层50m低盐水舌的体积变化主要由局地降水影响。热带太平洋海温异常激发大气环流异常, 导致热带东南印度洋持续降水异常, 进而改变表层低盐水舌的范围, 主导上层50m低盐水舌体积变化。然而, 在次表层50~200m, 低盐水舌的体积和平均盐度变化主要受印尼贯穿流(Indonesian throughflow, ITF)淡水输送的影响。在IPO负相位期间, 热带太平洋风场异常激发海洋波动调整, 加强了ITF跨海盆盐度输送, 造成东南印度洋次表层低盐水舌体积扩张和平均盐度降低。通过分析低盐水舌的三维变化特征, 揭示了不同深度低盐水舌体积、平均盐度与局地淡水强迫、印尼贯穿流盐输送的关系。这有助于加深对区域特征水团响应长期气候变化的理解。

开展海洋区域重力场研究对理解海洋动力过程、海底地质构造及全球气候变化具有重要意义。高精度海洋重力勘探技术成为目前海洋重力场调查的发展趋势。中国科学院南海海洋研究所“实验6”科考船配备了DGS AT1M-11型海洋重力仪, 该重力仪具有高精度、高可靠性、可全局动态测量的特点。在该重力仪开始使用之前, 对其进行了精度评估, 包括静态测试、内符合精度测试, 结果均符合海洋调查测量规范的要求。利用2022年在东北印度洋采集的实测数据与重力恢复及气候试验(gravity recovery and climate experiment, GRACE)重力场数据相对比, 其结果呈现出基本一致的趋势, 且该航次的航前航后基准测试与重力交点差结果分别为−0.73mGal与1.15mGal, 表明该仪器数据具有较高准确性, 可用于高精度海洋重力测量。10°S以北90°E海岭重力场与水深不成比例, 说明地壳厚度的均衡补偿存在差异, 海岭由非均质性的物质组成。通过对实测数据所获得的自由空间重力异常进行反演, 结果表明在90°E海岭之下存在与地形起伏载荷补偿相关的增厚地壳。

海底沉积物类型图是海洋科学研究基础图件之一, 在海洋环境分析、海洋工程建设和海洋矿产资源勘查等领域具有重要意义, 本文提出一种基于Folk分类的海底沉积物类型赋值制图新方法。建立Folk分类赋值体系, 对海南岛西南海域表层取样站位数据开展空间插值分析后, 进行分类赋值, 并叠加栅格, 将栅格与Folk分类赋值体系挂接, 再进行栅格蚕食, 从而绘制海底沉积物类型图。对比自然邻域法、反距离权重法、克里金法和样条函数法的插值应用分析, 推荐自然邻域法作为本研究制图的基础。该方法操作流程简单、制图效率高且结果客观准确, 实用性强, 可适用于不同比例尺或采样站位不均的海底沉积物类型图绘制, 具有推广价值。

海底电缆绝缘油传感器主要应用于海水中极低浓度绝缘油检测, 相比常规的水中油类传感器而言, 绝缘油检测对传感器标定流程和标准溶液制备提出了更严格的要求。本文提出新型标定方案, 设计了非接触式倒置标定结构, 通过避免探头接触溶液减少污染风险, 提升操作便利性与标定准确性; 采用了超声乳化技术制备标准溶液, 更接近海水溢油事故中自然形成的水油乳液状态; 系统探究了标定影响因素, 验证环境光干扰可忽略, 但需控制液面高度以降低气液界面信号干扰。与行业标准方法对比显示, 本方案标定结果的相对偏差为6%~10%, 在目标浓度范围内具备优异准确性。该方法为海洋生态环境监测提供了高可靠性技术支持。