海洋环境数据是人类认识海洋、保护和开发利用海洋的重要战略资源。随着数字经济和科学技术的迅猛发展, 海洋环境数据成为新的重要的生产要素。海洋环境数据资产作为一种新的资产形式, 如何对其进行价值评估成为一个新的难题。通过对国内海洋数据资产价值评估的深入调查和研究, 得出传统的成本法和收益法及其二者组合的方法是目前海洋环境数据价值评估的基础, 发现新时期海洋环境数据的价值评估的方法具有复杂性、灵活性和多维度等的评价方式, 对海洋经济发展和海洋科学研究可持续性具有非常重要的经济价值。
在南海及其附属岛礁海洋科学考察历史资料系统整编项目实施过程中, 数据共享是一项重要工作。文章主要介绍南海科考历史资料整编综合数据库暨“数字南海”平台的设计与建设。首先阐述“数字南海”的设计与开发重点, 实现数据管理共享的流程集约化和资源利用高效化; 其次以“航次一张图”和“岛礁一张图”模块介绍数据的交互分析应用及动态可视化应用。“数字南海”平台建设按照项目目标, 统一规划部署、统一标准体系、统一数据平台、统一成果发布, 数据服务贯穿项目实施的全生命周期, 推动形成共商共建共享共赢的数据工作发展新格局。
在南海及其附属岛礁海洋科学考察历史资料系统整编项目实施过程中, 数据管理是一项重要工作。文章从数据管理者的角度, 以数据为研究对象, 以数据治理为研究核心, 探讨数据的科学管理工作, 构建一个简单的数据治理模型, 包含安全体系、组织体系、标准体系、资源体系、共享体系、对接体系共6大体系, 为项目数据以及南海海洋数据的数据治理工作提供保障。文章重点围绕数据安全体系、数据标准体系、数据资源体系做简要论述。
海洋地质调查中获取大量海洋沉积物柱状样样品测试分析数据, 样品测试分析目的不同导致柱状样数据采样深度不同, 由此造成地质取样数据在三维空间上呈现不规则散点状分布。传统聚类算法无法在三维空间上对此类不规则散点数据进行聚类分析。对此, 文章设计了一种基于空间插值的不规则地质样品测试分析数据聚类算法, 有效地将三维样品测试分析散点数据降为二维数据后进行聚类分析, 本算法较好地解决了地质体中试验测试数据的不均衡性问题, 为海洋地质大数据分析提供了基础技术方法。
本文基于粒子滤波和三维变分设计了一种新的混合数据同化方法。新方法通过粒子滤波的最优估计生成具有背景误差信息的集合扰动, 从而为三维变分提供流依赖的背景误差协方差。粒子退化一直是粒子滤波应用于数据同化领域的主要阻碍。为了让混合方法更好地发挥作用, 针对粒子退化问题, 本文提出了一种改进的残差重采样方法, 通过在正态分布中采样粒子, 解决了退化导致的粒子缺乏多样性。在理想lorenz-63模型上进行数据同化实验, 结果表明, 新方法在模型误差较大的情况下效果优于集合变换三维变分方法(ensemble transform Kalman filter-three-dimensional variational method, ETKF- 3Dvar), 并且随着模型误差不断增大, 新方法也同样优于传统数据同化方法。改进的残差重采样在与分层重采样和一般残差重采样的对比实验中, 在给定时间窗口内可以保证同化结果稳定, 而其他两种方法的同化结果都出现了较大偏差。
全面认识海底浅表层地质特征是识别和评价浅层海洋地质灾害的基础, 对海洋资源开发、海洋工程建设等有重要意义。南海东沙北部有多个油气田正在勘探开发, 但目前缺少对东沙北部海底浅表层精细地质特征的系统分析。针对南海东沙北部水深100~400m区域, 综合利用AUV(autonomous underwater vehicle)多波束、AUV浅地层剖面、二维地震、沉积物测试等数据, 识别了浅表层地质灾害因素, 并对其风险性进行了评估。调查发现, 研究区海底表层沉积物总体相对稳定, 发育有沙波、陡坎、冲沟等海底微地貌; 海底以下浅层未见浅层气, 多处发育埋藏古河道。海底沙波的形态和分布特征具有显著的空间差异, 波高大于1m的沙波主要分布于水深134~143m、168~187m、205m以深区域, 并且能够在现代动力条件下发生移动, 观测结果显示海底沙波的发育与内波过程相关。陡坎坡度超过20°, 本文认为这与贯穿浅层的断层有关。
为揭示南海南部陆缘的地壳结构, 研究其张裂-破裂机制, 开展共轭陆缘对比, 我们在南沙地块礼乐西海槽附近的洋陆转换带上完成了OBS2019-2测线的探测工作。相较于北部陆缘, 南部陆缘已有的海底地震仪(ocean bottom seismometer, OBS)测线较少, 对深部地壳结构的研究也较少, 因此OBS2019-2测线就尤为重要。文章重点阐述了OBS2019-2测线的数据处理工作, 包括UKOOA文件制作、数据格式转换、位置校正、单个台站综合地震记录剖面的生成等, 然后在剖面图中对各类深部震相(Pg、PcP、PmP、Pn)进行识别追踪, 并建立初步的模型; 使用Rayinvr软件进行走时试算工作, 验证了震相识别的准确性。处理结果显示OBS2019-2测线的深部震相清晰, 最远震相可以连续追踪到120km以外, 数据整体质量良好, 能为后续速度建模和构造解释等工作提供坚实基础。
浮游植物是海洋生态系统食物链的基础组成, 并通过光合作用影响着海表二氧化碳通量变化。文章基于高叶绿素a浓度水域面积指标构建南海浮游植物生物量的估算体系。利用遥感数据, 采用经验正交函数分解插值方法, 重构长时间序列的南海叶绿素a浓度场, 并研究了南海高叶绿素a浓度水域面积特征的时空分布。结果发现: 高叶绿素a浓度水域面积变化有着显著季节特征, 在冬季面积达到最大值, 在夏季达到最小值, 但是该水域对应的叶绿素a浓度却在冬季达到最小值, 在夏季达到最大值, 这一特征可能是由于风驱动的海表动力过程使得海表叶绿素重新分布; 空间分布上, 高叶绿素a浓度水域常年存在于海岸附近, 特别是在中国沿海、越南沿岸、泰国湾以及婆罗洲岛附近。在巽他陆架与湄公河口东部中央海盆, 高叶绿素a浓度区域面积呈年际变化。受厄尔尼诺调控的南海季风, 导致不同年份湄公河口东南沿海存在不同程度的北部冷水侵入, 北部冷水入侵可能是引起局地浮游植物生物量增减的原因。
珊瑚中的δ18O含量可以高精度地记录热带海洋中的气候变率及气候变化信息, 从而弥补器测观测时间长度有限的缺陷, 为反演过去长期的气候状况提供了可能。热带印度洋的气候模态通过海气相互作用影响周边区域甚至全球的气候, 具有重要的研究意义。本文对比分析了1880—1999年间热带印度洋4个站点(肯尼亚、坦桑尼亚、塞舌尔、明打威)的珊瑚δ18O数据, 研究了其对热带印度洋气候的反演情况。结果显示, 珊瑚δ18O对海表温度(sea surface temperature, SST)的长期变化趋势反演良好, 珊瑚δ18O与局地SST在季节循环中保持一致, 且在低温季节对SST的变化更为敏感。此外, 4个站点的珊瑚δ18O对印度洋海盆模态(Indian Ocean Basin Mode, IOBM)和印度洋偶极子模态(Indian Ocean Dipple Mode, IODM)有一定的表征能力, 并且δ18O记录的热带印度洋年际变率受年代际变率调制。本文的研究结果表明, 珊瑚δ18O数据对于了解古气候时期热带印度洋气候变率具有重要的指示意义, 但同时也需要综合考虑不同站点的信息来完整地反映印度洋在历史时期的气候变化情况。
南海及邻近海区科学数据中心是国家地球系统科学数据中心的分中心, 其目标是通过联合热带海洋生物资源与生态、热带海洋环境动力领域和边缘海与大洋地质研究领域的优势力量, 建成具有南海特色的海洋科学数据资源共享服务平台, 促进海洋科学数据资源的开放共享与高效利用。南海及邻近海区科学数据中心资源在建设和实践过程中, 整合和共享了1985年以来南海水文、气象、生态、地质等多学科、多要素、多尺度的海洋科学数据资源, 一方面为南海海洋学各学科的科技创新提供精确、完整和可靠的海洋科学数据资源, 增强我国海洋科技创新能力; 另一方面为国家重大战略需求、海洋经济社会发展和相关决策活动提供数据基础支撑。
海洋科学是一门依赖于观测的学科, 而卫星是海洋研究的重要观测平台之一, 海洋卫星数据在海洋科学研究中具有重要的意义。21世纪初以来, 我国陆续发射了多颗专门用于海洋观测的卫星, 初步拥有自主海洋卫星全球观测网络。本文针对国内外海洋卫星资源基本情况, 总结了我国海洋卫星数据应用发展现状, 特别是海洋卫星数据接收、处理、管理、应用等方面的情况, 并分析、探讨了我国海洋科学研究对卫星数据的需求, 以及我国海洋卫星数据科学应用存在的问题和发展策略。
文章比较了卫星专用传感器微波成像仪/探测仪(SSM/I&SSMIS)、遥感系统数据集(RSS V7R01)、欧洲中期天气预报中心第5代再分析数据(ERA5)和现代回顾分析的研究与应用第2版数据(MERRA-2) 4种观测和再分析资料在刻画全球大洋水汽气候态中的异同点, 初步探究了不同尺度的大气柱水汽总量(TCWV)的变化特征和长期趋势。研究结果表明, 4种数据TCWV的空间分布、季节和年际变化较为一致。从1988至2018年, TCWV总体呈增加趋势, 其中热带海洋的年际变化显著, 增加趋势较强, 且和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)高度相关。利用再分析数据做短时间(如1991—1997年)的TCWV趋势分析时要慎重使用ERA5和MERRA-2的数据。在研究热带区域长期水汽变化趋势时, 需谨慎使用MERRA-2的数据。
海面的曳力系数和空气动力学粗糙度长度是计算海气动量、感热和水汽通量交换必需的参数。基于在“黑格比”和“灿都”台风期间收集的涡动相关系统观测数据, 文章研究了10m风速和摩擦速度之间、10m风速和曳力系数之间、以及10m风速和动力粗糙度长度之间的参数化关系。结果表明: 曳力系数和摩擦速度及10m风速之间存在抛物线关系, 动力粗糙度长度与摩擦速度及10m风速之间存在自然指数关系; 临界摩擦速度为0.83m·s-1, 临界10m级风速为23.69m·s-1。
利用台湾海峡中部2号大浮标2017年全年的实测波浪资料, 对海浪的基本波要素及其与风的相关性、波谱特性进行统计分析, 得出了重要特征波参数之间的回归关系和适合台湾海峡中部的海浪谱形式。研究结果显示: 1) 台湾海峡中部的常浪向是NE向, 强浪向是NNE向, 月均有效波高的变化范围为0.87~2.98m, 7月波高最小, 12月波高最大, 波周期与波高有着相似的月际变化趋势; 2) 主要波浪类型是以风浪为主的混合浪, 谱型上以单峰为主, 波高与风速整体上呈正相关关系, 大浪主要由台风和强劲的东北季风引起; 3) 波浪的平均周期与大部分特征波周期之间具有良好的线性相关性, NNE、NE方向的波浪有效波高和有效波周期线性相关性较强; 4) 相比于Jonswap谱, 规范谱一是更符合本区域的海浪谱模式, 给出了基于有效波高和谱峰周期拟合的规范谱一形式。这些研究成果可为海洋工程设计和波浪数值模拟提供参考。
尝试利用卫星遥感高分辨率海表温度资料GHRSST (Group for High Resolution Sea Surface Temperature) 与海表温度(sea surface temperature, SST)数值预报产品之间的误差, 建立一种南海SST模式预报订正方法。首先, 利用南海的Argo浮标上层海温数据对GHRSST 海温数据进行验证, 结果表明两者之间均方根误差约为0.3℃, 相关系数为0.98, GHRSST 海温数据可用于南海业务化数值预报SST的订正。预报订正后的SST与Argo浮标海温数据相比, 24h、48h和72h的均方根误差均由0.8℃左右下降到0.5℃以内。与GHRSST 海温数据相比, 南海北部海域(110°E—121°E, 13°N—23°N)订正后的24h、48h和72h的SST预报空间误差均显著减小, 在冷空气影响南海期间或中尺度涡存在的过程中, SST预报订正效果也较为显著。因此, 该方法可考虑在南海业务化SST数值预报系统中应用。
天然气水合物是一种新型的清洁能源, 南海北部神狐海域的地质条件有利于水合物的形成和储藏。传统的多道地震(MCS)数据难以得到精确的速度信息, 并且只能从时间域上判断地质体纵向分布。海底地震仪(OBS)是一种常用的主动源地震仪器, 可以接收到更清晰的气枪信号。相比于MCS, OBS剖面上的折射震相可以揭示较深部的地层速度信息。文章结合MCS和OBS的优势, 识别水平叠加剖面上的反射层位, 并得到初始模型; 将OBS剖面和水平叠加剖面拼合, 从而判断OBS剖面上反射震相所对应层位; 拾取OBS台站上的反射和折射震相, 使用RayInvr软件正演模拟得到水合物存在区域的二维速度模型, 解决了MCS中较为困难的时深转换问题。最终模型显示了水合物、游离气区域的埋深、厚度和速度, 以及似海底反射(BSR)下方更深部界面的深度和速度特征。
针对海洋资料浮标观测数据在公益应用如预报减灾、科学研究等过程中存在易被黑客攻击破坏、非法访问、重要数据泄露等数据安全性问题, 文章提出并实现了基于混合加密的浮标数据安全管理系统。系统采用混合加密方案对浮标观测数据进行加密存储,并设计密钥安全管理策略提高加密算法的安全性。在业务数据分发过程中通过密文传输和终端解密来保证数据分发的机密性。安全性分析结果表明, 系统在满足业务应用的同时, 能够确保原始数据在存储、应用分发过程中的数据安全。
1)文章设计了水质监测浮标数据采集系统, 该数据采集系统包括CPU模块、控制保障模块、通讯定位模块以及接口扩展模块; 采用CF2主板为CPU模块, 辅助以单片机为核心的多功能板, 主要用于完成采集数据、保存数据、通讯等工作; 控制保障模块设计有双“看门狗”, 实现了无人值守、全天候、全过程安全工作。2)文章还设计了水质监测数据远程接收系统, 该远程接收系统主要包括数据接收模块、数据处理模块、系统预警模块和数据显示模块等四个部分, 具有操作简便、自动化程度高、图形显示直观简洁易读等特点, 实现了数据接收、存储、显示及预警等功能。
海洋地质调查是我国建设海洋强国的战略需求, 调查产生的数据具有重要的应用价值。随着计算机技术、数据库技术和网络技术的快速发展, 海洋地质调查数据的数字化管理、应用和共享已成为衡量我国海洋科技水平的重要标志。鉴于传统WebGIS应用交互性差, 扩展再利用性能弱的缺点, 文章以南海海洋地质调查数据库为基础, 采用基于Flex技术的应用开发接口(Flex API) 和ArcGIS Flex Viewer应用系统框架进行开发, 并定制自定义的微件(Widget)在应用框架的基础上进行功能扩充, 开发部署在网络环境下的“南海海洋地质调查数据共享服务平台”, 用户能快速、便捷地获取调查数据。文章实现了南海海洋地质调查基本信息的集中管理、展示与服务, 该平台能够较好地满足地勘科技人员与管理人员对海洋地质工作信息服务的需求。
基于2015年全年多源遥感数据融合的Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis(OSTIA)海表温度数据, 利用最大温度梯度法, 对广东沿岸(20°—23°N, 110°—118°E)海表温度锋面的季节变化及生消机制进行了分析。广东沿岸温度锋面季节变化明显, 冬季强, 夏季弱;粤东温度锋面常年存在, 粤西温度锋面夏季消失;珠江口区域温度锋面与珠江羽状流的扩散路径有关, 即夏季锋面主轴往东北方向延伸, 秋季往西南方向延伸。对比温度锋面与风速的关系, 发现其形成及消失受季风的影响。通过简单的模型实验, 发现季风通过影响锋面两侧的湍流热通量引起锋面强度的变化: 西南(东北)季风带来的暖湿(干冷)空气减弱(增加)了近岸冷水的潜热释放, 导致冷水区温度上升(下降)大于暖水区, 引起锋面消失(生成)。
高分四号(GF-4)遥感卫星数据于2016年6月被正式公布并投入使用,它是目前世界上空间分辨率最高、幅宽最大的地球同步轨道遥感卫星。其空间、时间上的高分辨率特点使得该卫星在海洋灾害监测方面具有较大的发展潜力。文章基于2009年10月22日的珠江口赤潮水体, 建立了一个适应于GF-4波段设置的叶绿素浓度反演算法(决定系数r2=0.90; 均方根误差RMSE=0.1)。通过辐射传递方程的数值计算软件Hydrolight模拟数据进行比对, 发现该算法具有较好的适用性(r2=0.92; RMSE=0.23)。进一步应用该算法和GF-4卫星遥感数据分析了2016年5月发生在广西的赤潮事件,反演结果与现场调查结果吻合较好。这是国内第一次在广西临近海域使用GF-4遥感数据反演包含赤潮水体的叶绿素浓度分布数据产品, 可为海洋文明建设和海洋灾害调查等提供有效的技术支持。
基于永兴岛2016年2月份实测涡动原始数据, 用EddyPro软件进行数据后处理, 并对各处理步骤前、后进行定量比较分析, 进一步对通量计算结果进行质量分级评价、足迹分析, 最后对分别使用EddyPro软件和EasyFlux_DL在线计算程序得到通量结果进行比较。结果表明, 野点剔除、坐标旋转、频率补偿和空气密度修正均会影响涡动相关通量的计算结果。野点剔除在动量和感热通量的计算中无明显影响, 在潜热和二氧化碳通量计算中则不可忽略。坐标旋转使动量、潜热和二氧化碳通量分别增加了11.28%、7.36%和18.53%。空气密度效应校正(WPL校正)对二氧化碳通量计算影响显著, 经空气密度修正后降低了7.87%。总体质量评价结果为, 动量、感热、潜热和二氧化碳通量中高质量数据(1~3级)所占比例分别为90.29%、90.22%、88.46%和85.41%。源区分析表明, 72.04%的通量数据落在第一兴趣源区(北至东北方向10°~80°, 平均水深超过10m的海洋下垫面)。EddyPro和EasyFlux两者的整体趋势一致, EddyPro引入更加严格的野点剔除指标, 得到的结果偏小, 但更可靠精确。
以海上气枪和陆地人工爆破作为震源, 利用陆地流动地震台站、固定地震台站和海底地震仪(OBS)同步接收信号, 首次在南海北部珠江口区域进行了海陆联合三维地震构造探测。文章详细介绍了此次海陆联测的地震数据采集和观测系统、数据预处理方法和震相识别。固定、流动地震台站和OBS大部分均能较清晰地识别出多种震相, 包括Pg、PcP、PmP、Pn、Sg等深部震相。气枪和人工爆破震源的联合使用以及海陆密集台站的同步接收信号, 有效地提高了海陆过渡带的射线覆盖和交叉程度, 为获取研究区海陆过渡带的地壳精细结构奠定了基础。
在马尼拉海沟俯冲带前缘开展了二维海底地震仪(OBS)探测实验, 布置了一条东西走向的深地震测线—— OBS2015-2。以该测线上的2个台站(OBS04和OBS08)为例, 阐述了此次实验所用短周期国产OBS的数据处理流程。包括从原始数据到SAC格式、再到SEGY格式的转换; 同时包括炮点位置校正和OBS位置校正。数据处理结果表明, OBS2015-2测线的数据质量良好, 综合地震剖面显示来自深部的震相(如PsP、Pg、PmP等)信息十分清晰。利用Rayinvr软件正演试算, 进一步确认了震相类型, 特别是来自于输入板块莫霍面的反射震相非常丰富, 为马尼拉俯冲带的输入板块地壳底界面的确定提供了重要的数据基础。
高分一号卫星作为我国首颗对地观测高分辨率卫星, 充分挖掘其在海洋领域的应用潜力具有重要意义。以西沙群岛晋卿岛周边浅海水域为研究区域, 应用国产高分一号卫星多光谱数据, 在开展图像几何校正、大气校正和耀斑校正预处理的基础上, 应用常用的双波段线性和对数比值模型开展晋卿岛周边浅海水深反演, 并利用实测水深数据开展精度评价, 对比分析不同模型反演结果, 探讨影响岛礁浅海水深反演精度的可能因素。研究表明, 双波段线性模型的反演精度要明显优于对数比值模型, 更适合应用于晋卿岛周边浅海水深反演, 其20m以浅水深反演均方根误差为1.8m, 在5m以浅区域的均方根误差为1.14m, 达到了目前浅海水深卫星遥感反演的精度水平。
利用中分辨率成像光谱仪MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)遥感资料作为数据源, 以海南岛西南部近海海域作为研究区, 利用改进的分列窗算法对研究区海域2005—2014年多时相海表温度进行反演。利用海南岛西南部近海海域观测的12个观测点的实测海洋表面温度对反演温度结果进行精度验证, 相关系数达到了0.9。选择一年内4个季度和10年内海表温度反演的结果, 分别分析海表温度随季节与年度的时空变化分布。结果表明, 利用MODIS多通道改进的分裂窗算法可以较精确地反演海南岛西南部近海海表温度, 分析海表温度的时空变化可为海洋渔业、海洋环境变化及气象监测提供参考。
文章采用国内外普遍适用于船载声学多普勒流速剖面仪(shipboard acoustic doppler current profilers, SADCP)数据滤潮处理的时空拟合最小二乘法(简称最小二乘法), 对台湾海峡南部浅滩2004—2013年夏季(6—9月)所获取的SADCP数据进行正压潮、流分离。结果表明: 最小二乘法获得的平均流和基于原始数据格点化后矢量平均取得的平均流流向均趋于东北向, 并且具有大致相同的强、弱流区空间分布形态, 但最大流速稍有差异, 分别为0.48m•s-1和0.36m•s-1; 此外, 强流区(流速~0.3m•s-1)流幅狭窄, 流轴分别约束在东山至龙海外海30m等深线附近和台湾浅滩南部地形骤变区域; 而弱流区(流速<0.1cm•s-1)集中分布于台湾浅滩中部。进一步研究表明, 2种平均流所估算的海流通量的计算结果比较接近, 可达到(0.74±0.25)×106m3·s-1。SADCP数据分离所得M2分潮流显示: 台湾浅滩至东山一线为强潮区, 最大可能流速出现在台湾浅滩(约0.67m•s-1); 等潮时线分布符合前进波特征, 在潮波传导方向上由西南向东北依次推迟(约2h); 东山近海存在一条呈NW—SE走向的椭圆率正负分界线, 分界线以南潮流椭圆顺时针旋转, 以北则逆时针旋转。
