2024年 第46卷 第4期
2024, 46(4): 1-12.
doi: 10.12284/hyxb2024009
摘要:
塑料漂浮垃圾对海洋环境影响巨大，在近岸的传播过程主要受波浪作用。针对塑料漂浮垃圾在近岸的运动特征，以往研究尚不深入。本文采用物理模型实验，对塑料漂浮物在有限水深波浪作用下的漂移规律开展研究，探讨了弱惯性塑料块体水平漂移速度与漂浮物性状以及波陡之间的关系。实验结果表明，塑料块体的漂移量受斯托克斯漂移与欧拉回流的共同影响，与二阶拉格朗日漂移理论吻合良好。在漂浮物尺寸远小于波长的情况下，漂浮物尺寸以及密度的改变对漂移没有显著的影响；漂浮物的漂移量与波陡的平方成正比，根据本文的实验及以往公开发表的实验数据，修正了经验公式，为塑料漂浮物在近岸的传播与预测提供了有益借鉴。
塑料漂浮垃圾对海洋环境影响巨大，在近岸的传播过程主要受波浪作用。针对塑料漂浮垃圾在近岸的运动特征，以往研究尚不深入。本文采用物理模型实验，对塑料漂浮物在有限水深波浪作用下的漂移规律开展研究，探讨了弱惯性塑料块体水平漂移速度与漂浮物性状以及波陡之间的关系。实验结果表明，塑料块体的漂移量受斯托克斯漂移与欧拉回流的共同影响，与二阶拉格朗日漂移理论吻合良好。在漂浮物尺寸远小于波长的情况下，漂浮物尺寸以及密度的改变对漂移没有显著的影响；漂浮物的漂移量与波陡的平方成正比，根据本文的实验及以往公开发表的实验数据，修正了经验公式，为塑料漂浮物在近岸的传播与预测提供了有益借鉴。
2024, 46(4): 13-22.
doi: 10.12284/hyxb2024037
摘要:
本文利用ERA5再分析资料，使用超阈值方法筛选得到了1979−2021年8−10月北冰洋各海域的极端大浪事件数据集，分析了大浪事件的频数、极端波高的变化、海浪能流和浪向分布特征以及大浪事件中的海冰变化。结果表明：随着海冰减少，北极大浪活动范围扩大，除巴伦支海以外的海域都存在大浪活动增多的现象，东西伯利亚海、拉普捷夫海的极端波高以约3.5 cm/a和2 cm/a的速度显著增长，事件频数增长到约每年4起；相比其他海域，拉普捷夫海的大浪浪向以偏南为主，波浪更易传播到冰区，平均能流为5～8 kW/m。大浪事件伴随的海冰变化主要发生在边缘冰区，与风场方向有关：向冰风场更多时候伴随着海冰减少，而离冰风场更多伴随着海冰增加。
本文利用ERA5再分析资料，使用超阈值方法筛选得到了1979−2021年8−10月北冰洋各海域的极端大浪事件数据集，分析了大浪事件的频数、极端波高的变化、海浪能流和浪向分布特征以及大浪事件中的海冰变化。结果表明：随着海冰减少，北极大浪活动范围扩大，除巴伦支海以外的海域都存在大浪活动增多的现象，东西伯利亚海、拉普捷夫海的极端波高以约3.5 cm/a和2 cm/a的速度显著增长，事件频数增长到约每年4起；相比其他海域，拉普捷夫海的大浪浪向以偏南为主，波浪更易传播到冰区，平均能流为5～8 kW/m。大浪事件伴随的海冰变化主要发生在边缘冰区，与风场方向有关：向冰风场更多时候伴随着海冰减少，而离冰风场更多伴随着海冰增加。
2024, 46(4): 23-33.
doi: 10.12284/hyxb2024033
摘要:
亚中尺度过程伴随着强烈的垂向速度，显著影响着海洋表面与海洋内部之间热量、浮力和质量等示踪物的垂向输运。基于(1/48)°的LLC4320模式结果，本文对黑潮延伸体海域亚中尺度垂向热量输运的季节变化进行了研究。研究结果表明，黑潮延伸体海域亚中尺度垂向热量输运具有明显的春冬强、夏秋弱的季节变化特征。上层海洋净亚中尺度垂向热通量变化与混合层深度变化趋势较为一致，在混合层上方整体呈现出向上的亚中尺度热量输运，混合层下方也存在很强的亚中尺度垂向热量输运，但呈现正负交替的变化特征，净亚中尺度垂向热量输运较小。垂向热通量波数频率协同谱分析表明，混合层下方的亚中尺度垂向热量输运可能是由线性内波引起的，但线性内波引起的向上与向下的垂向热量输运相互抵消，在季节平均后净垂向热量输运较小。
亚中尺度过程伴随着强烈的垂向速度，显著影响着海洋表面与海洋内部之间热量、浮力和质量等示踪物的垂向输运。基于(1/48)°的LLC4320模式结果，本文对黑潮延伸体海域亚中尺度垂向热量输运的季节变化进行了研究。研究结果表明，黑潮延伸体海域亚中尺度垂向热量输运具有明显的春冬强、夏秋弱的季节变化特征。上层海洋净亚中尺度垂向热通量变化与混合层深度变化趋势较为一致，在混合层上方整体呈现出向上的亚中尺度热量输运，混合层下方也存在很强的亚中尺度垂向热量输运，但呈现正负交替的变化特征，净亚中尺度垂向热量输运较小。垂向热通量波数频率协同谱分析表明，混合层下方的亚中尺度垂向热量输运可能是由线性内波引起的，但线性内波引起的向上与向下的垂向热量输运相互抵消，在季节平均后净垂向热量输运较小。
2024, 46(4): 34-46.
doi: 10.12284/hyxb2024027
摘要:
利用多种观测数据、再分析数据和后向追踪模式，分析了2019年9号台风“利奇马”影响黄海北部期间发生的一次海雾过程，结果表明台风影响下的环流形势是此次海雾形成并影响沿海的决定性因素。来自黄海南部的暖湿气团在台风中心右侧较冷的海面凝结成雾，台风中心右侧区域的偏南气流不仅使黄海南部的暖湿空气不断向北输送，为海雾的形成和发展提供充足的水汽，而且其从黄海西岸带来的暖气团和台风中心区域的下沉气流在雾区上空形成了显著逆温层，在大气边界层内形成了“上稳下湍”的层结结构，也有利于海雾在岸滨及内陆地区的维持和发展。而台风后部水平风转向和台风中心外围增强的水平风加强了大气边界层底部的垂直风切变，从而导致湍流混合增强和大气边界层稳定度下降，这是引发海雾消散的重要原因。
利用多种观测数据、再分析数据和后向追踪模式，分析了2019年9号台风“利奇马”影响黄海北部期间发生的一次海雾过程，结果表明台风影响下的环流形势是此次海雾形成并影响沿海的决定性因素。来自黄海南部的暖湿气团在台风中心右侧较冷的海面凝结成雾，台风中心右侧区域的偏南气流不仅使黄海南部的暖湿空气不断向北输送，为海雾的形成和发展提供充足的水汽，而且其从黄海西岸带来的暖气团和台风中心区域的下沉气流在雾区上空形成了显著逆温层，在大气边界层内形成了“上稳下湍”的层结结构，也有利于海雾在岸滨及内陆地区的维持和发展。而台风后部水平风转向和台风中心外围增强的水平风加强了大气边界层底部的垂直风切变，从而导致湍流混合增强和大气边界层稳定度下降，这是引发海雾消散的重要原因。
2024, 46(4): 47-64.
doi: 10.12284/hyxb2024043
摘要:
近惯性运动是海洋中广泛存在的一种频率接近局地惯性频率的海水运动，热带气旋是产生近惯性运动的主要动力之一。本文基于COAWST（Coupled Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport）数值模型系统，构建了一个覆盖南海北部陆架的波浪−海流耦合三维水动力模型，并对模型进行了充分验证。利用该模型模拟了2021年第7号台风“查帕卡”在粤西近海陆架上激发的近惯性运动。结果表明，近惯性动能在水平分布上有两个能量高值中心，一个在台风风速最大的近岸区域，另一个在离岸约130 km处，且第二个能量高值中心持续时间更久。在水深40 m以浅的近岸区域，近惯性运动以正压模态为主，表底层流速的相位相同，能量从表层向底层递减。随着水深逐渐增加，在水深70 m到100 m的区域，近惯性运动呈明显的两层结构，表底层近惯性运动的流速方向相反，垂向上出现两个能量高值中心，呈明显的一阶斜压模态特征。通过动力模态分解，发现部分两层结构明显的区域由一阶斜压模态和二阶斜压模态共同主导。随着水深继续增加，更高模态的近惯性运动在总的近惯性动能中占据越来越大的比重。动量平衡分析表明，在水深较浅、风速较大的近岸区域，整个水层内的动量平衡都是由垂向湍流黏性力和压强梯度力主导。而在水深较深、风速较小的离岸区域，垂向湍流黏性力集中在表层和底层，水体内部的动量平衡主要由压强梯度力、科氏力和局地加速度主导。这些结果说明近岸区域主要是风应力驱动的正压波动，而陆架区域，上混合层内的近惯性运动由风应力驱动，混合层以下的近惯性运动则是由正压的压强梯度力驱动的。
近惯性运动是海洋中广泛存在的一种频率接近局地惯性频率的海水运动，热带气旋是产生近惯性运动的主要动力之一。本文基于COAWST（Coupled Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport）数值模型系统，构建了一个覆盖南海北部陆架的波浪−海流耦合三维水动力模型，并对模型进行了充分验证。利用该模型模拟了2021年第7号台风“查帕卡”在粤西近海陆架上激发的近惯性运动。结果表明，近惯性动能在水平分布上有两个能量高值中心，一个在台风风速最大的近岸区域，另一个在离岸约130 km处，且第二个能量高值中心持续时间更久。在水深40 m以浅的近岸区域，近惯性运动以正压模态为主，表底层流速的相位相同，能量从表层向底层递减。随着水深逐渐增加，在水深70 m到100 m的区域，近惯性运动呈明显的两层结构，表底层近惯性运动的流速方向相反，垂向上出现两个能量高值中心，呈明显的一阶斜压模态特征。通过动力模态分解，发现部分两层结构明显的区域由一阶斜压模态和二阶斜压模态共同主导。随着水深继续增加，更高模态的近惯性运动在总的近惯性动能中占据越来越大的比重。动量平衡分析表明，在水深较浅、风速较大的近岸区域，整个水层内的动量平衡都是由垂向湍流黏性力和压强梯度力主导。而在水深较深、风速较小的离岸区域，垂向湍流黏性力集中在表层和底层，水体内部的动量平衡主要由压强梯度力、科氏力和局地加速度主导。这些结果说明近岸区域主要是风应力驱动的正压波动，而陆架区域，上混合层内的近惯性运动由风应力驱动，混合层以下的近惯性运动则是由正压的压强梯度力驱动的。
2024, 46(4): 65-78.
doi: 10.12284/hyxb2024023
摘要:
利用1993−2022年最新版交叉标定多平台风场资料（CCMP V3.1），针对台湾海峡海面风场的年、季、月、日变化特征进行了分析。结果表明：台湾海峡及台湾岛周边海域风场具有明显的空间分布特征，地形效应导致不同海域出现风速极大值区和极小值区。其中台湾海峡中部受“狭管效应”的影响，在冬季风速最大，风向基本与海峡走向平行；夏季风速低于海峡外部的风速，无“狭管效应”。此外，海面风场还具有明显的季、月变化特征，冬季盛行东北风，风速为全年最高；夏季盛行西南风，风速最低；春、秋两季风场特征相似，皆盛行东北风；冬季风比夏季风盛行期长，约占全年的四分之三。对风场的年际变化分析时，结果表明夏季风向易发生较大角度的偏转；年平均风速保持基本平缓的线性趋势，在一些年份的异常偏高或偏低与海气相互作用现象厄尔尼诺−南方涛动的发生相关。研究日变化特征时则发现，在夜间20时风速和风向波动最大；风速一天内存在周期性变化；风向日变化夏季偏转最明显。
利用1993−2022年最新版交叉标定多平台风场资料（CCMP V3.1），针对台湾海峡海面风场的年、季、月、日变化特征进行了分析。结果表明：台湾海峡及台湾岛周边海域风场具有明显的空间分布特征，地形效应导致不同海域出现风速极大值区和极小值区。其中台湾海峡中部受“狭管效应”的影响，在冬季风速最大，风向基本与海峡走向平行；夏季风速低于海峡外部的风速，无“狭管效应”。此外，海面风场还具有明显的季、月变化特征，冬季盛行东北风，风速为全年最高；夏季盛行西南风，风速最低；春、秋两季风场特征相似，皆盛行东北风；冬季风比夏季风盛行期长，约占全年的四分之三。对风场的年际变化分析时，结果表明夏季风向易发生较大角度的偏转；年平均风速保持基本平缓的线性趋势，在一些年份的异常偏高或偏低与海气相互作用现象厄尔尼诺−南方涛动的发生相关。研究日变化特征时则发现，在夜间20时风速和风向波动最大；风速一天内存在周期性变化；风向日变化夏季偏转最明显。
2024, 46(4): 79-89.
doi: 10.12284/hyxb2024045
摘要:
马来半岛位于低纬热带地区，厄尔尼诺−南方涛动（El Niño-Southern Oscillation，ENSO）如何影响该区域的气候，尤其是降水仍然存在争议。本文以马来半岛东北部登嘉楼州Setiu潟湖钻孔NTT-3为研究对象，通过分析粒度、总有机碳及总氮含量、C/N比值和XRF岩心扫描等，探讨该钻孔的沉积环境变化及其对ENSO的响应。研究结果显示，钻孔记录中自1970年前后（84 cm处）出现两种不同的变化趋势。1970年之前钻孔下部沉积物粒度、有机和无机地球化学特征趋势波动明显，沉积速率较低。而1970年以来，潟湖沉积环境总体稳定，沉积物中的有机组分主要来自红树林，同时伴有河流输入的淡水浮游植物的贡献。频谱分析结果显示1970年以来钻孔上部存在明显的ENSO周期变化。强厄尔尼诺现象基本对应低Zr/Rb比值和低Zr/Ti比值，而强拉尼娜（La Niña）现象基本对应高Zr/Rb比值和高Zr/Ti比值。该结论不仅支持了现代观测对马来半岛东部沿海地区气候变化的认识，同时也在地质记录中发现了ENSO变化的直接证据，对全面认识和理解ENSO对亚洲气候变化的影响、区域陆海相互作用过程和环境响应等方面具有重要现实意义。
马来半岛位于低纬热带地区，厄尔尼诺−南方涛动（El Niño-Southern Oscillation，ENSO）如何影响该区域的气候，尤其是降水仍然存在争议。本文以马来半岛东北部登嘉楼州Setiu潟湖钻孔NTT-3为研究对象，通过分析粒度、总有机碳及总氮含量、C/N比值和XRF岩心扫描等，探讨该钻孔的沉积环境变化及其对ENSO的响应。研究结果显示，钻孔记录中自1970年前后（84 cm处）出现两种不同的变化趋势。1970年之前钻孔下部沉积物粒度、有机和无机地球化学特征趋势波动明显，沉积速率较低。而1970年以来，潟湖沉积环境总体稳定，沉积物中的有机组分主要来自红树林，同时伴有河流输入的淡水浮游植物的贡献。频谱分析结果显示1970年以来钻孔上部存在明显的ENSO周期变化。强厄尔尼诺现象基本对应低Zr/Rb比值和低Zr/Ti比值，而强拉尼娜（La Niña）现象基本对应高Zr/Rb比值和高Zr/Ti比值。该结论不仅支持了现代观测对马来半岛东部沿海地区气候变化的认识，同时也在地质记录中发现了ENSO变化的直接证据，对全面认识和理解ENSO对亚洲气候变化的影响、区域陆海相互作用过程和环境响应等方面具有重要现实意义。
2024, 46(4): 90-105.
doi: 10.12284/hyxb2024041
摘要:
台湾海峡是我国最大的海峡，也是东海和南海进行物质和能量交换的主要通道。海峡内地形变化剧烈，海洋动力环境复杂，加上两侧众多山溪性河流携带大量泥沙流入海洋，是研究动力沉积作用的理想场所。目前，由于缺乏海峡整体的高分辨率地形以及相关实测水文数据，以整个台湾海峡为研究区域的动力沉积模拟尚不多见。本文基于高分辨率地形和相关水文数据，建立了台湾海峡水动力数值模型，耦合泥沙输运模块，模拟台湾海峡的动力沉积过程，并用现场观测资料对模型进行了验证。动力模拟结果表明，台湾海峡的潮流流场由南、北两个潮波控制，具有明显的时间和空间特征，潮流流速夏季大于冬季，海峡中部小于南北两侧，北侧小于南侧。基于冲淤模拟结果，将台湾海峡划分为淤积区、侵蚀区、冲淤平衡区三大类共计7个沉积分区，淤积区沉积速率最大可达5 cm/a，主要集中在台湾浅滩北部，侵蚀区冲刷速率为2～5 cm/a。结合模拟结果，本文建立了台湾海峡沉积输运模式与“源−汇”格局模式，阐述了台湾海峡冲淤变化的动力学机制和“源−汇”过程。
台湾海峡是我国最大的海峡，也是东海和南海进行物质和能量交换的主要通道。海峡内地形变化剧烈，海洋动力环境复杂，加上两侧众多山溪性河流携带大量泥沙流入海洋，是研究动力沉积作用的理想场所。目前，由于缺乏海峡整体的高分辨率地形以及相关实测水文数据，以整个台湾海峡为研究区域的动力沉积模拟尚不多见。本文基于高分辨率地形和相关水文数据，建立了台湾海峡水动力数值模型，耦合泥沙输运模块，模拟台湾海峡的动力沉积过程，并用现场观测资料对模型进行了验证。动力模拟结果表明，台湾海峡的潮流流场由南、北两个潮波控制，具有明显的时间和空间特征，潮流流速夏季大于冬季，海峡中部小于南北两侧，北侧小于南侧。基于冲淤模拟结果，将台湾海峡划分为淤积区、侵蚀区、冲淤平衡区三大类共计7个沉积分区，淤积区沉积速率最大可达5 cm/a，主要集中在台湾浅滩北部，侵蚀区冲刷速率为2～5 cm/a。结合模拟结果，本文建立了台湾海峡沉积输运模式与“源−汇”格局模式，阐述了台湾海峡冲淤变化的动力学机制和“源−汇”过程。
2024, 46(4): 106-121.
doi: 10.12284/hyxb2024029
摘要:
日本海是西北太平洋最大的边缘海，长期以来普遍认为其沉积物处于强烈的还原环境中而导致相应的磁学信号非常微弱，以致常用的磁学方法在该区的应用一直受限。为深入探讨磁学指标在日本海古环境与古海洋学研究中是否有效，本文对位于研究程度相对薄弱的北部一根626 cm长的柱状沉积物岩心（LV87-2-3孔，水深740 m）开展了系统的岩石磁学测试分析以及高分辨率的AMS14C测年和粒度分析。结果显示岩心系约48.3 ka BP以来的沉积记录，其55 cm以下层位的原生亚铁磁性矿物（主要为磁铁矿）已被大量还原而生成黄铁矿，导致磁性极弱。这与Dansgaard-Oeschger（D-O）旋回间冰阶水体分层加强和表层生产力提高等因素密切相关。然而，在此背景下仍存在4个以高矫顽力矿物（如赤铁矿和针铁矿）占比较高为明显特征的强磁性层位，即“硬磁异常”层；其很好地对应了海因里希（Heinrich）事件，指示了东亚冬季风（EAWM）增强和高盐度对马暖流（TWC）注入而导致的相对减弱的还原环境。上述变化在沉积物粒度上却未见清晰体现。因此，该研究不仅表明磁学参数对于指示末次冰期日本海古海洋与古环境演化的作用不容忽视，同时也为后续相关工作提供了新视角和新思路。
日本海是西北太平洋最大的边缘海，长期以来普遍认为其沉积物处于强烈的还原环境中而导致相应的磁学信号非常微弱，以致常用的磁学方法在该区的应用一直受限。为深入探讨磁学指标在日本海古环境与古海洋学研究中是否有效，本文对位于研究程度相对薄弱的北部一根626 cm长的柱状沉积物岩心（LV87-2-3孔，水深740 m）开展了系统的岩石磁学测试分析以及高分辨率的AMS14C测年和粒度分析。结果显示岩心系约48.3 ka BP以来的沉积记录，其55 cm以下层位的原生亚铁磁性矿物（主要为磁铁矿）已被大量还原而生成黄铁矿，导致磁性极弱。这与Dansgaard-Oeschger（D-O）旋回间冰阶水体分层加强和表层生产力提高等因素密切相关。然而，在此背景下仍存在4个以高矫顽力矿物（如赤铁矿和针铁矿）占比较高为明显特征的强磁性层位，即“硬磁异常”层；其很好地对应了海因里希（Heinrich）事件，指示了东亚冬季风（EAWM）增强和高盐度对马暖流（TWC）注入而导致的相对减弱的还原环境。上述变化在沉积物粒度上却未见清晰体现。因此，该研究不仅表明磁学参数对于指示末次冰期日本海古海洋与古环境演化的作用不容忽视，同时也为后续相关工作提供了新视角和新思路。
2024, 46(4): 122-132.
doi: 10.12284/hyxb2024035
摘要:
双排开孔圆筒防波堤是一种新型环境友好型防波堤，对其消浪特性的研究具有重要工程意义。随着人工智能的发展，基于机器学习技术求解防波堤水动力学问题成了一种新的研究范式。本文提出基于麻雀搜索算法（Sparrow Search Algorithm, SSA）优化卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）模型，实现对双排开孔圆筒防波堤透射系数的智能优化预测。结果表明：（1）确定波高、波周期、波长、波速、排间距、开孔率、水深为影响透射系数的关键因子；（2）当SSA-CNN模型的种群数量为10时，对波浪透射系数预测的R2值达到0.9909，平均相对误差相比单一的CNN模型降低了5.07%。研究成果为利用神经网络研究波浪透射问题提供了一种新的优化预测模型。
双排开孔圆筒防波堤是一种新型环境友好型防波堤，对其消浪特性的研究具有重要工程意义。随着人工智能的发展，基于机器学习技术求解防波堤水动力学问题成了一种新的研究范式。本文提出基于麻雀搜索算法（Sparrow Search Algorithm, SSA）优化卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）模型，实现对双排开孔圆筒防波堤透射系数的智能优化预测。结果表明：（1）确定波高、波周期、波长、波速、排间距、开孔率、水深为影响透射系数的关键因子；（2）当SSA-CNN模型的种群数量为10时，对波浪透射系数预测的R2值达到0.9909，平均相对误差相比单一的CNN模型降低了5.07%。研究成果为利用神经网络研究波浪透射问题提供了一种新的优化预测模型。
2024, 46(4): 133-142.
doi: 10.12284/hyxb2024039
摘要:
海面阵风是海洋资源开发、海洋防灾减灾和海洋科研等领域所需的重要海洋动力环境信息。但迄今为止，海面阵风观测数据严重缺失，阻碍了阵风预报、应用研究等方面的发展。本文利用双频的HY-2B卫星高度计C、Ku波段的后向散射系数，对现有海面风速（\begin{document}$ {U}_{10} $\end{document} ![]()
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海面阵风是海洋资源开发、海洋防灾减灾和海洋科研等领域所需的重要海洋动力环境信息。但迄今为止，海面阵风观测数据严重缺失，阻碍了阵风预报、应用研究等方面的发展。本文利用双频的HY-2B卫星高度计C、Ku波段的后向散射系数，对现有海面风速（
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