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2025, 47(4): 1-13.
doi: 10.12284/hyxb2025045
摘要:
北极因其丰富的矿产能源、航道资源和独特的地缘政治格局,成为全球关注的战略要地,研究北极海域的潮汐动力特征是理解其环境格局与资源开发潜力的关键。本研究基于Arc5km2018北极潮汐模型和ArcTiCA潮汐数据集,采用海洋学统计方法对北极北冰洋海域的主要潮汐特征和潮波传播规律进行了分析。结果表明,北冰洋海域以半日潮为主,M2分潮最显著,振幅可达1.2 m,中央海域振幅则较小(不超过0.1 m)。近岸和群岛区域受浅水分潮影响,潮不对称系数绝对值增大至0.2以上。由于复杂的地形和岸线,北冰洋存在多个逆时针旋转无潮点和多股潮波汇合形成的潮波辐合区,潮波主要由挪威海向巴伦支海、由格陵兰海分别向东西伯利亚海、楚科奇海和帕里群岛传播,传播速度一般不超过200 m/s且与水深的平方根正相关,振幅梯度绝对值一般不超过5 × 10−3 km−1。本研究为北极地区的综合治理和资源开发提供了重要数据支撑。
北极因其丰富的矿产能源、航道资源和独特的地缘政治格局,成为全球关注的战略要地,研究北极海域的潮汐动力特征是理解其环境格局与资源开发潜力的关键。本研究基于Arc5km2018北极潮汐模型和ArcTiCA潮汐数据集,采用海洋学统计方法对北极北冰洋海域的主要潮汐特征和潮波传播规律进行了分析。结果表明,北冰洋海域以半日潮为主,M2分潮最显著,振幅可达1.2 m,中央海域振幅则较小(不超过0.1 m)。近岸和群岛区域受浅水分潮影响,潮不对称系数绝对值增大至0.2以上。由于复杂的地形和岸线,北冰洋存在多个逆时针旋转无潮点和多股潮波汇合形成的潮波辐合区,潮波主要由挪威海向巴伦支海、由格陵兰海分别向东西伯利亚海、楚科奇海和帕里群岛传播,传播速度一般不超过200 m/s且与水深的平方根正相关,振幅梯度绝对值一般不超过5 × 10−3 km−1。本研究为北极地区的综合治理和资源开发提供了重要数据支撑。
2025, 47(4): 14-27.
doi: 10.12284/hyxb2025031
摘要:
太平洋黑潮入侵南海对南海的环流、温盐平衡、中尺度涡、局地气候等具有重要影响。黑潮入侵南海多发生在冬季,夏秋季(5–10月)入侵较弱。然而,通过分析2023年南海东北部的现场观测数据发现,吕宋海峡西侧气旋式中尺度涡可以诱发夏秋季黑潮显著入侵南海,使南海东北部水体最大盐度达到34.80。结合卫星高度计数据和再分析资料,证实了该气旋涡诱发黑潮入侵南海现象,气旋涡的平流作用共计输运3.05 × 1013 m3黑潮水进入南海。进一步统计表明,1993–2023年共发生25次气旋涡诱发夏秋季黑潮入侵南海现象。31年内,气旋涡诱发的夏秋季黑潮入侵南海的水体通量增量达到0.29 Sv,占夏秋季吕宋海峡上层总通量的8.1%,气旋涡的流速南北非对称性可能是增强黑潮入侵南海通量的主要原因。以上结果表明气旋涡诱发夏秋季黑潮入侵南海在南海和西北太平洋水体交换中扮演着不可忽视的重要作用。
太平洋黑潮入侵南海对南海的环流、温盐平衡、中尺度涡、局地气候等具有重要影响。黑潮入侵南海多发生在冬季,夏秋季(5–10月)入侵较弱。然而,通过分析2023年南海东北部的现场观测数据发现,吕宋海峡西侧气旋式中尺度涡可以诱发夏秋季黑潮显著入侵南海,使南海东北部水体最大盐度达到34.80。结合卫星高度计数据和再分析资料,证实了该气旋涡诱发黑潮入侵南海现象,气旋涡的平流作用共计输运3.05 × 1013 m3黑潮水进入南海。进一步统计表明,1993–2023年共发生25次气旋涡诱发夏秋季黑潮入侵南海现象。31年内,气旋涡诱发的夏秋季黑潮入侵南海的水体通量增量达到0.29 Sv,占夏秋季吕宋海峡上层总通量的8.1%,气旋涡的流速南北非对称性可能是增强黑潮入侵南海通量的主要原因。以上结果表明气旋涡诱发夏秋季黑潮入侵南海在南海和西北太平洋水体交换中扮演着不可忽视的重要作用。
2025, 47(4): 28-42.
doi: 10.12284/hyxb2025041
摘要:
海表碳库年龄对于海洋放射性碳年代校准和海洋环流重建等具有重要价值。爆炸性火山喷发产生的火山灰地层时标,能够建立海洋和陆地放射性碳定年样本的联系,帮助重建过去的海表碳库年龄。然而,冰筏漂流、生物扰动等因素增加了火山灰时标的复杂性,尤其是距离火山源较远位置的研究区域。本研究以中纬度北大西洋的一根高沉积速率岩心为例,分析了柱样中的火山灰丰度与地球化学成分,揭示了其与高纬北大西洋火山灰层I的对应关系。结合放射性碳定年以及北大西洋相关沉积岩心证据,我们系统评估了中高纬北大西洋Vedde火山灰等时线的可靠性,并推断出Vedde火山灰经由海冰向西北大西洋输运的传输模式。本研究的高分辨率火山灰丰度层序印证了生物扰动对远距离传输沉降的薄层火山灰在地层中分布的影响,进一步强调了海洋沉积记录中生物扰动校正的重要性。经生物扰动校正后,岩心区域新仙女木时期的海表碳库年龄估值为(799 ± 58)14C yr,与同时期亚极地北大西洋的海表碳库年龄呈现较好的一致性。我们的研究表明,在对火山灰时标的可靠性进行评估后,Vedde等源自高纬北大西洋的火山灰可在更大空间范围内得到应用。
海表碳库年龄对于海洋放射性碳年代校准和海洋环流重建等具有重要价值。爆炸性火山喷发产生的火山灰地层时标,能够建立海洋和陆地放射性碳定年样本的联系,帮助重建过去的海表碳库年龄。然而,冰筏漂流、生物扰动等因素增加了火山灰时标的复杂性,尤其是距离火山源较远位置的研究区域。本研究以中纬度北大西洋的一根高沉积速率岩心为例,分析了柱样中的火山灰丰度与地球化学成分,揭示了其与高纬北大西洋火山灰层I的对应关系。结合放射性碳定年以及北大西洋相关沉积岩心证据,我们系统评估了中高纬北大西洋Vedde火山灰等时线的可靠性,并推断出Vedde火山灰经由海冰向西北大西洋输运的传输模式。本研究的高分辨率火山灰丰度层序印证了生物扰动对远距离传输沉降的薄层火山灰在地层中分布的影响,进一步强调了海洋沉积记录中生物扰动校正的重要性。经生物扰动校正后,岩心区域新仙女木时期的海表碳库年龄估值为(799 ± 58)14C yr,与同时期亚极地北大西洋的海表碳库年龄呈现较好的一致性。我们的研究表明,在对火山灰时标的可靠性进行评估后,Vedde等源自高纬北大西洋的火山灰可在更大空间范围内得到应用。
2025, 47(4): 43-52.
doi: 10.12284/hyxb2025029
摘要:
海底滑坡作为一种常见的自然灾害,对海洋工程危害巨大,同时海底滑坡引发的次生灾害也会对沿海地区造成威胁,因此对海底滑坡的运动过程展开研究至关重要。本文运用Comsol多相流数值仿真软件系统建立了海底滑坡多相流数值模型,同时选用Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP)黏性流体模型模拟滑坡体,采用经典牛顿流体模型模拟周围水体。为了验证数值模型的准确性,将数值模型结果与文献中的模型试验结果进行对比分析,本文所建立的Comsol模拟结果与文献结果数据吻合,说明该模型具备一定的准确性,可以用于海底滑坡研究及预测。同时为了进一步展开对海底滑坡的研究分析,本文对朱家尖海底滑坡进行模拟,预测了滑坡体前缘速度以及滑移距离。本研究可以为海底滑坡预测与防治工作提供参考。
海底滑坡作为一种常见的自然灾害,对海洋工程危害巨大,同时海底滑坡引发的次生灾害也会对沿海地区造成威胁,因此对海底滑坡的运动过程展开研究至关重要。本文运用Comsol多相流数值仿真软件系统建立了海底滑坡多相流数值模型,同时选用Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP)黏性流体模型模拟滑坡体,采用经典牛顿流体模型模拟周围水体。为了验证数值模型的准确性,将数值模型结果与文献中的模型试验结果进行对比分析,本文所建立的Comsol模拟结果与文献结果数据吻合,说明该模型具备一定的准确性,可以用于海底滑坡研究及预测。同时为了进一步展开对海底滑坡的研究分析,本文对朱家尖海底滑坡进行模拟,预测了滑坡体前缘速度以及滑移距离。本研究可以为海底滑坡预测与防治工作提供参考。
2025, 47(4): 53-64.
doi: 10.12284/hyxb2025039
摘要:
海洋磁测数据易受导航误差、仪器故障及人工记录错误等因素干扰,导致异常值频现。这些异常值不仅扭曲磁异常形态,还会破坏磁条带的连续性,严重影响数据质量及后续解释的可靠性。因此,异常值的检测与去除是海洋磁测数据处理中的关键环节。然而,传统方法难以有效区分不同类型的异常值,尤其是上下文异常值,且人工检测既耗时又易产生误判,效率较低。针对这一问题,本研究提出了一种基于局部中位数加权策略的自适应Hampel滤波方法。该方法通过动态调整数据点权重,能够更精准地识别和去除海洋磁测数据中的异常值,尤其在数据分布异质性较大的区域表现优异。与自回归模型、孤立森林及自编码器等传统方法相比,加权Hampel滤波器不仅能够有效检测并去除全局异常值和上下文异常值,还能更好地保留数据的原始特征,显著提升了检测精度。在对中西太平洋麦哲伦海隆地区实测数据的验证中,加权Hampel滤波器的F1分数始终领先于其他方法,证明其在异常值检测中的优越性。该方法为提升海洋磁测数据质量及可解释性提供了重要技术支持,并为未来大规模数据的自动化处理奠定基础。
海洋磁测数据易受导航误差、仪器故障及人工记录错误等因素干扰,导致异常值频现。这些异常值不仅扭曲磁异常形态,还会破坏磁条带的连续性,严重影响数据质量及后续解释的可靠性。因此,异常值的检测与去除是海洋磁测数据处理中的关键环节。然而,传统方法难以有效区分不同类型的异常值,尤其是上下文异常值,且人工检测既耗时又易产生误判,效率较低。针对这一问题,本研究提出了一种基于局部中位数加权策略的自适应Hampel滤波方法。该方法通过动态调整数据点权重,能够更精准地识别和去除海洋磁测数据中的异常值,尤其在数据分布异质性较大的区域表现优异。与自回归模型、孤立森林及自编码器等传统方法相比,加权Hampel滤波器不仅能够有效检测并去除全局异常值和上下文异常值,还能更好地保留数据的原始特征,显著提升了检测精度。在对中西太平洋麦哲伦海隆地区实测数据的验证中,加权Hampel滤波器的F1分数始终领先于其他方法,证明其在异常值检测中的优越性。该方法为提升海洋磁测数据质量及可解释性提供了重要技术支持,并为未来大规模数据的自动化处理奠定基础。
2025, 47(4): 65-75.
doi: 10.12284/hyxb2025025
摘要:
基于2002−2020年的Jason系列卫星数据,利用一种高风速计算方法得到431次飓风的风速信息。在此基础上,利用基于再分析的美国飓风中心(The National Hurricane Center, NHC)大西洋和东北太平洋飓风最佳路径数据集进行比对分析,对高风速计算方法进行了综合评估。文中计算和评估结果显示,8.03~66.93 m/s飓风风速RMSE优于4 m/s;卫星观测风速和NHC飓风最佳路径数据相关系数在0.9以上。这表明文中方法是可靠的,具备热带气旋高风速观测能力。同时,文中结果显示,飓风观测期间几乎都伴随着不同程度的降雨,当风速大于50 m/s时,卫星观测点均处于中到暴雨的环境下。文中研究证明了利用卫星雷达高度计和校正辐射计这对主被动微波遥感器联合获取极端海洋环境下风速信息的可行性,这为提升台风或飓风风速观测能力提供了一种有潜力的技术手段。另外,统计结果显示飓风期间风速和气压也具备很好的线性相关性,利用这种关系可以基于卫星获取的高风速信息来快速计算得到热带气旋中心气压,这将形成卫星对热带气旋风速和中心气压的同步获取能力。
基于2002−2020年的Jason系列卫星数据,利用一种高风速计算方法得到431次飓风的风速信息。在此基础上,利用基于再分析的美国飓风中心(The National Hurricane Center, NHC)大西洋和东北太平洋飓风最佳路径数据集进行比对分析,对高风速计算方法进行了综合评估。文中计算和评估结果显示,8.03~66.93 m/s飓风风速RMSE优于4 m/s;卫星观测风速和NHC飓风最佳路径数据相关系数在0.9以上。这表明文中方法是可靠的,具备热带气旋高风速观测能力。同时,文中结果显示,飓风观测期间几乎都伴随着不同程度的降雨,当风速大于50 m/s时,卫星观测点均处于中到暴雨的环境下。文中研究证明了利用卫星雷达高度计和校正辐射计这对主被动微波遥感器联合获取极端海洋环境下风速信息的可行性,这为提升台风或飓风风速观测能力提供了一种有潜力的技术手段。另外,统计结果显示飓风期间风速和气压也具备很好的线性相关性,利用这种关系可以基于卫星获取的高风速信息来快速计算得到热带气旋中心气压,这将形成卫星对热带气旋风速和中心气压的同步获取能力。
2025, 47(4): 76-85.
doi: 10.12284/hyxb2025021
摘要:
本文介绍了一种业务化发布的多源卫星遥感海面风场融合准实时数据产品(Blended Sea Surface Wind Data Product From Multiple Satellites,BSSW),以及该数据产品的处理方法,并分析了产品精度。该数据产品以HY-2系列卫星、Metop系列卫星和DMSP系列卫星等组成的虚拟卫星星座观测海面风场/风速产品为输入,通过叉标定和误差分析,以及二维变分分析等处理,实现了时间分辨率为6 h,空间分辨率为25 km的多源卫星主被动遥感海面风场融合产品业务化生产,并通过国家卫星海洋应用中心准实时发布。该数据与浮标数据比对总体风速均方根误差小于1.6 m/s,风向均方根误差小于19°;与ERA5数据比对总体风速均方根误差小于1.2 m/s,风向均方根误差小于11°。精度检验结果表明,海面风场融合产品与浮标观测和ERA5再分析海面风场数据产品具有很高的一致性,可为海洋与大气数值模式资料同化预报、海洋防灾减灾与海洋科学研究提供高质量、无缝隙的全球海面风场数据支撑。
本文介绍了一种业务化发布的多源卫星遥感海面风场融合准实时数据产品(Blended Sea Surface Wind Data Product From Multiple Satellites,BSSW),以及该数据产品的处理方法,并分析了产品精度。该数据产品以HY-2系列卫星、Metop系列卫星和DMSP系列卫星等组成的虚拟卫星星座观测海面风场/风速产品为输入,通过叉标定和误差分析,以及二维变分分析等处理,实现了时间分辨率为6 h,空间分辨率为25 km的多源卫星主被动遥感海面风场融合产品业务化生产,并通过国家卫星海洋应用中心准实时发布。该数据与浮标数据比对总体风速均方根误差小于1.6 m/s,风向均方根误差小于19°;与ERA5数据比对总体风速均方根误差小于1.2 m/s,风向均方根误差小于11°。精度检验结果表明,海面风场融合产品与浮标观测和ERA5再分析海面风场数据产品具有很高的一致性,可为海洋与大气数值模式资料同化预报、海洋防灾减灾与海洋科学研究提供高质量、无缝隙的全球海面风场数据支撑。
2025, 47(4): 86-99.
doi: 10.12284/hyxb2025035
摘要:
针对当前南海高分辨率海洋次表层温度场数据稀缺问题,根据海洋表层遥感观测和次表层海水温度的时空关联性,开展基于生成对抗网络的南海高分辨率三维温度场重构方法研究。基于2013−2017年的海面温度、海面盐度、海面高度异常以及海面风场等多源海洋表层遥感数据,构建了基于生成对抗网络的南海三维温度场重构模型。利用训练完成的模型和海表多源遥感数据,开展2018年南海541 m以浅19个深度层的海洋三维温度场重构实验,并与GLORYS12V1再分析数据和Argo剖面数据进行比较评估,检验所提出方法的可行性。实验结果表明,三维温度场重构结果各个深度层的空间分布特征与GLORYS12V1再分析数据保持良好的一致性,能够反应出南海中部海域典型垂向断面的季节变化特征。通过对比南海不同海域3个位置点海水温度时间序列,验证了模型重构性能的稳定性。与Argo温度剖面的对比验证了重构结果能够较好地反应出真实海水温度的垂向变化,证明所提出的方法具有一定的实际应用价值。此外,重构的2018年南海三维温度场平均RMSE为0.704℃,优于CNN(0.952℃)和U-net(0.863℃)模型。
针对当前南海高分辨率海洋次表层温度场数据稀缺问题,根据海洋表层遥感观测和次表层海水温度的时空关联性,开展基于生成对抗网络的南海高分辨率三维温度场重构方法研究。基于2013−2017年的海面温度、海面盐度、海面高度异常以及海面风场等多源海洋表层遥感数据,构建了基于生成对抗网络的南海三维温度场重构模型。利用训练完成的模型和海表多源遥感数据,开展2018年南海541 m以浅19个深度层的海洋三维温度场重构实验,并与GLORYS12V1再分析数据和Argo剖面数据进行比较评估,检验所提出方法的可行性。实验结果表明,三维温度场重构结果各个深度层的空间分布特征与GLORYS12V1再分析数据保持良好的一致性,能够反应出南海中部海域典型垂向断面的季节变化特征。通过对比南海不同海域3个位置点海水温度时间序列,验证了模型重构性能的稳定性。与Argo温度剖面的对比验证了重构结果能够较好地反应出真实海水温度的垂向变化,证明所提出的方法具有一定的实际应用价值。此外,重构的2018年南海三维温度场平均RMSE为0.704℃,优于CNN(0.952℃)和U-net(0.863℃)模型。
2025, 47(4): 100-112.
doi: 10.12284/hyxb2025023
摘要:
浊度是评估水质状况的可靠指标之一,通过浊度监测能够有效反映水体健康状况,保障生态系统的可持续发展和水资源的安全利用。本文利用2016−2023年的Sentinel-2 MSI影像,通过构建遥感定量反演模型,分析8 a间香港近海浊度的时空分布特征和变化规律,并探究其主要影响因素。对比传统经验模型、随机森林(RF)模型、梯度提升决策树(GBDT)模型、K最近邻(KNN)模型,基于RF的浊度反演模型精度最高(R2 = 0.71,RMSE = 1.77 NTU,MAE = 1.44 NTU)。结果表明,年均水体浊度的变化范围为4.02~4.16 NTU,近8 a呈波动下降趋势(−0.0243 NTU/a),且空间分布呈西北高东南低的特点;季均水体浊度从高到低依次为冬季(4.54 NTU)、秋季(4.03 NTU)、春季(3.86 NTU)、夏季(3.76 NTU)。本文利用气象数据及香港地区的污水处理投资数据,从自然环境和人类活动两方面分析影响浊度时空分布的因素。香港近海水体浊度与入海径流量、气温呈负相关关系,并受到香港污水处理这一人为因素的影响,此外热带气旋活动期内的降水量和风速与水体浊度变化显著相关。
浊度是评估水质状况的可靠指标之一,通过浊度监测能够有效反映水体健康状况,保障生态系统的可持续发展和水资源的安全利用。本文利用2016−2023年的Sentinel-2 MSI影像,通过构建遥感定量反演模型,分析8 a间香港近海浊度的时空分布特征和变化规律,并探究其主要影响因素。对比传统经验模型、随机森林(RF)模型、梯度提升决策树(GBDT)模型、K最近邻(KNN)模型,基于RF的浊度反演模型精度最高(R2 = 0.71,RMSE = 1.77 NTU,MAE = 1.44 NTU)。结果表明,年均水体浊度的变化范围为4.02~4.16 NTU,近8 a呈波动下降趋势(−
2025, 47(4): 113-126.
doi: 10.12284/hyxb2025033
摘要:
第二代星载激光雷达冰、云和陆地测高卫星(Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2, ICESat-2)在获取浅海岛礁水深信息方面具有极大潜力。然而受大气散射、太阳辐射和仪器噪声等因素影响,造成获取的ICESat-2星载激光光子中存在大量噪声。针对上述问题,本文提出一种基于多尺度分析的四叉树星载激光雷达去噪方法。首先,使用高斯核函数和K折交叉验证的方法绘制光子核密度曲线(Kernel Density Estimation, KDE),并设置阈值来分离海面光子和海底光子;其次,利用自适应参数的DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)算法去除海底异常光子,获得粗略去噪结果。最后,对海底光子划分窗口,从不同尺度使用预判断四叉树算法提取出精确的海底信号光子。研究选取典型岛礁的ICESat-2卫星数据,通过与实测水深数据对比,决定系数(R2)分别达到95%和98%,均方根误差(RMSE)分别达到1.01 m和0.77 m。结果表明,该方法能够准确提取水下地形信息,为浅海水下地形反演奠定基础。
第二代星载激光雷达冰、云和陆地测高卫星(Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2, ICESat-2)在获取浅海岛礁水深信息方面具有极大潜力。然而受大气散射、太阳辐射和仪器噪声等因素影响,造成获取的ICESat-2星载激光光子中存在大量噪声。针对上述问题,本文提出一种基于多尺度分析的四叉树星载激光雷达去噪方法。首先,使用高斯核函数和K折交叉验证的方法绘制光子核密度曲线(Kernel Density Estimation, KDE),并设置阈值来分离海面光子和海底光子;其次,利用自适应参数的DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)算法去除海底异常光子,获得粗略去噪结果。最后,对海底光子划分窗口,从不同尺度使用预判断四叉树算法提取出精确的海底信号光子。研究选取典型岛礁的ICESat-2卫星数据,通过与实测水深数据对比,决定系数(R2)分别达到95%和98%,均方根误差(RMSE)分别达到1.01 m和0.77 m。结果表明,该方法能够准确提取水下地形信息,为浅海水下地形反演奠定基础。