在海底布设的海底地震仪（OBS）能比较清晰地记录到海底的环境噪音，而台风可以直接或间接的产生在海底传播的弹性波，从而影响海底的环境噪音，并在较大程度上影响OBS的数据记录。本文通过分析台风对工作区的整个影响过程中OBS记录数据的振幅变化，再选择合适的滤波方式，首次发现台风产生的风浪及涌浪在短周期海底地震仪的记录数据上有良好的表现特征，指出了台风对海底环境噪音的另一种可能的影响方式，并由此得出：1）台风产生的风浪和涌浪对海底环境噪音的影响模式不同；2）风浪和涌浪所加强的海底环境噪音的范围和程度不同；3）短周期OBS可以比较清晰的记录涌浪信息，其周期主要是6—8 s，且能量稳定（简称“8秒现象”）。这三点结论为后期的海洋地震研究和海洋学其他研究提供经验与借鉴。
利用POM模式和空间插值法构造的同化方案对南海北部的航次观测资料进行了数据同化模拟。结果表明, 数据同化有效兼顾了模式模拟和航次观测, 在一定程度上纠正了模式模拟值相对于真实数据的误差; 同化结果与模拟结果相比更接近观测值, 在航次断面及其附近海域同化结果误差较小; 另一方面, 由于航次资料站点相对较少, 在无观测数据的海域模式同化不是很理想, 有待改进。此方法可为南海大型航次及其他资料同化提供一个再分析资料的实验性参考。
台湾岛地处亚欧大陆和太平洋交界处, 台风、东北季风等所引起的海洋灾害频繁, 所以建立完备的海洋水文观测体系显得尤为重要。中国台湾自主建置完成的近海水文观测体系由资料浮标站、观测桩、潮位站、岸边气象站、雷达测波站等多种近海水文观测系统构建组成; 同时, 为确保观测体系的准确性和规范性, 还建立了数据品质管理系统和标准化作业模式。在近海水文观测数据的分析方面, 尝试应用新的数学分析方法, 如通过EMD (empirical mode decomposition)方法探讨风暴潮水位变化, 利用小波转换从雷达观测影像中分析近岸波浪信息, 以及发展数据同化技术将观测数据应用于作业化波浪现报、预报模式。此外, 近海水文观测体系在社会应用方面有着很大的发展潜质。
OPeNDAP (Open-source Project for a Network Data Access Protocol)代表开放源代码的网络数据访问协议。OPeNDAP协议提供一种通过网络请求和提供数据的方法, 让所有用户使用熟悉的程序直接存取需要的数据。文章介绍了OPeNDAP常用服务器, 描述了基于OPeNDAP的南海物理海洋科学数据共享平台的设计与搭建: 采用GDS(GrADS Data Server)、Dapper、THREDDS(Thematic Realtime Environmental Distributed Data Services)等服务器来实现海风数据、海流数据、海浪数据、Argo数据和潮位数据等南海物理海洋数据的OPeNDAP服务, 最后介绍目前提供的OPeNDAP服务形式。希望借助OPeNDAP来实现分布、异构环境下南海物理海洋数据的网络无缝共享之目标。
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。
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。
热液硫化物现场调查所需的船舶动力定位系统给水下定位数据带来较大的噪声干扰, 而调查的现场决策与后续研究均对水下定位数据提出更高的要求。针对现有的Posidonia 6000超短基线水下定位系统, 快速有效地剔除受干扰的异常定位数据对热液硫化物调查研究具有积极的意义。本文从超短基线解算过程数据(x, y, z三维分量)入手, 根据现场作业水深、滑轮偏角, 建立异常定位数据的三维剔除模型; 根据三维各自的时间系列分布图, 采用合理的数据结构与算法, 实现对异常定位数据的交互式剔除。本研究成果能快速有效地剔除异常定位数据, 为热液硫化物调查的现场决策和各搭载传感器的后续资料研究提供更准确的水下定位数据。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
