为探讨沙滩沉积物硅溶出对近海溶解硅收支的贡献开展本研究。2017年3—9月,在北黄海南部的烟台牟平近岸海域进行了6次现场调查,发现在水交换较弱的5—8月,溶解硅异常(ΔSi,相对于溶解无机氮增加的溶解硅的量)呈逐月累积的现象,月平均速率为1.5 μmol·L^-1。通过溶解模拟实验、理论计算和现场数据分析,发现沙滩可渗透沉积物会发生溶解,形成溶解硅输入海洋,使近岸海域溶解硅浓度升高,月平均速率为0.7~2.0 μmol·L^-1,与ΔSi的月平均速率基本一致。按照环海岸线长度进一步外推计算,黄海沙滩硅溶出量或硅酸盐溶解量,大致可以弥合黄海近岸海域夏季溶解硅收支不平衡。研究再次表明,渗透性颗粒的溶解作用可能对近海硅酸盐的总量有重要的影响。

深海中地转流与海山相互作用可激发产生近惯性内波,该内波强度与海山高度相关,与海山宽度的关系尚不明确。本文采用二维MITgcm非静力数值模型探究了地转流与深海海山的相互作用以及海山宽度对近惯性内波产生与耗散的影响。结果表明,地形强迫在海山背流面顶部边缘产生强非线性波-波相互作用,产生近惯性内波并得到发展,使得能量从地转流向近惯性内波传递;在海山高度不变的条件下,海山宽度越小,近惯性内波的强度越大,发展和衰减更快;相较海山的迎流面,背流面的近惯性内波的垂直切变更强,产生的湍流耗散更强。因此,除了海山高度,海山宽度也是调控近惯性内波生成和演化的关键因素。

基于浙江苍南海域为期一年的波浪观测数据(包含6次台风和2次寒潮事件),本研究系统分析了极端波浪(台风浪和寒潮大浪)的参数分布特征,并重点研究了典型台风“利奇马”和“米娜”的波浪演变规律。研究结果表明:台风浪受台风路径和强度的影响显著,当台风强度等级越高且移动路径越接近研究海域时,台风浪过程越剧烈,表现为有效波高和谱峰密度显著增大。夏、秋季研究海域均会受强台风的影响而引发极端台风浪。寒潮大浪在冬、春季均会出现,其强度直接受寒潮强度的影响,总体上寒潮大浪不如台风浪强度大。台风浪的影响持续时间为2~3 d,寒潮大浪的影响持续时间约为1 d。在台风/寒潮期间,最大波高和谱峰密度均存在基本同步的先增大后减小的发展变化过程。台风“利奇马”影响期间,研究海域最大波高为10.80 m,最大谱峰密度为55.10 m²/Hz,波浪频谱发展变化过程为双峰谱—单峰谱—双峰谱,波浪类型发展变化过程为涌浪为主的混合浪—风浪—风浪为主的混合浪。台风“米娜”影响期间,研究海域最大波高为8.89 m,最大谱峰密度为36.37 m²/Hz,波浪频谱主要以单峰谱为主,偶有双峰谱,波浪类型主要为涌浪,偶有涌浪为主的混合浪。

潮滩是受潮汐影响而呈现周期性淹没和出露的区域,其淹没频率可以从一定程度上反映潮滩高程。本研究利用时序合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)卫星遥感数据开展了基于潮位互补累积分布函数的潮滩地形遥感反演方法的研究,提出了基于遥感观测次数权重缩放的淹没频率校正新方法,并基于淹没频率的数学定义探究了淹没频率与潮滩高程的函数关系,构建了基于潮位互补累积分布函数的潮滩地形反演模型。以乐清湾为研究区开展方法验证,基于时序Sentinel-1卫星SAR遥感数据,成功反演了乐清湾2019—2020年与2021—2022年两期潮滩地形,并基于对应年份的ICESat-2卫星激光测高数据进行了精度验证,两期潮滩地形均方根误差分别为0.41 m与0.51 m。使用2019年的现场实测水深数据验证了2019—2020年的潮滩地形,均方根误差为0.48 m。本文提出的反演方法可以获得高精度潮滩地形,无需实测地形数据,可推广应用到潮滩地形动态监测工作中。

卫星在运行中会因传感器故障导致影像出现不规则条带状缺失,影响观测要素信息的完整性。针对静止卫星遥感影像的条带状缺失,构建基于卷积神经网络的缺失数据修复模型,对比不同时相辅助数据组合下模型修复图像的精度,确定最佳辅助数据组合。在辅助数据组合中,以待修复图像的生成时间为当前时刻(t),分别采用前4个时相(t-4,t-3,t-2,t-1)以及前、后各3个时相(t-3,t-2,t-1,t+1,t+2,t+3)为输入时,模型的修复效果佳,可用于实时和延时场景下的数据修复和重建。相比其他以单时相为辅助数据的修复模型,采用多时相为辅助数据的本文模型,修复效果更好、精度更优。模型也适用于其他静止卫星影像中的条带状缺失信息的修复。

海岛生态系统具有资源特殊性和生态系统脆弱性,科学评估土地利用变化对海岛生态系统固碳等服务功能的影响,对海岛可持续发展管理具有重要意义。浙江省洞头列岛具有典型的海岛生态系统,经历了填海造陆等开发利用和蓝色海湾建设等保护修复的改造,可作为构建土地利用变化对海岛海岸带生态系统固碳等服务功能影响评估方法及探讨管理措施成效的良好样本。本研究以洞头列岛为例,构建了基于XGBoost算法的土地利用分类模型,获得了1988—2023年共12期(每3年1期)土地利用分类数据(精度91.52%)。在此基础上,计算了洞头列岛林地、盐沼和滩涂等主要生态系统固碳量变化;结合社会经济统计数据,构建了洞头列岛“经济发展-土地利用-固碳功能”耦合协调度模型,探讨了洞头列岛30多年发展过程中的经济和生态耦合协调度。研究结果显示,1988—2023年间,由于自然淤长以及人为围垦造陆等作用,洞头列岛陆域总面积增加了34.97%;主要生态系统总固碳量和净固碳量累计总量分别为49.45 万t和46.13 万t,基本呈现震荡上升趋势;固碳主要源于林地和滨海湿地(滩涂和盐沼),累计固碳量分别为25.44 万t和24.01 万t。洞头列岛的“经济发展-土地利用-固碳功能”在2006—2023年间耦合协调程度处于协调状态。整体上耦合协调度受到土地利用变化影响较大,生态修复工程可以提高土地利用和固碳功能的综合评价指数,进而提高整体的耦合协调度。本研究可为海岛海岸带社会经济发展和生态环境保护规划提供科学理论和数据支撑。

基于全球卫星导航系统(global navigation satellite systems,GNSS)基准站建立的全球电离层模型是目前广泛使用的全球电离层产品,对全球电离层模型在磁暴期间可靠性和精度的分析和评价是合理使用该模型的必要前提。本研究采用靠近南海的基准站数据来验证船载GNSS数据解算的电离层天顶方向总电子含量(vertial total electron content,VTEC)的可靠性,并利用船载数据和基准站数据对磁暴期间全球电离层模型在我国南海区域的精度进行了初步的分析和评价。结果表明,船载数据与基准站数据解算的电离层VTEC有相同的变化趋势;磁暴期间,我国南海区域的全球电离层模型值与船载数据解算值及基准站(HKSL、PIMO)数据解算值之间的误差增大,其RMSE日均值分别为41.21、27.40和30.86 TECU,这表明磁暴活动对电离层的扰动导致了全球电离层模型精度明显下降。

基于响应系数的数值模拟是在港湾环境容量评估中的常用方法之一,但目前常见的海洋模型中没有可同时计算多个释放点的响应系数场且互不干扰的示踪物模块。针对响应系数法的特点,本研究对三维水动力海洋数值模型FVCOM(Finite-Volume Community Ocean Model)的示踪物模块(dyeing tracking, DYE)进行改进,在模型原有DYE模块的基础上增加多个功能与原DYE模块相同的独立模块,即并行计算多个DYE模块,使FVCOM能够同时计算多个互不干扰的保守示踪物模块。以一个理想地形矩形案例和一个象山港理想地形案例进行了测试。结果显示,改进算法模拟的多点源示踪物平流扩散过程互不影响,且模拟的响应系数场与传统算法一致;相较于传统算法,改进算法的计算过程耗时更短,对理想矩形案例的计算效率最高提升了85%,对象山港案例最高提升了78%;在并行运算的条件下,改进算法对CPU进程的利用率更高。使用改进后的DYE计算响应系数场可以缩短海洋环境容量评估的整体用时。

总氮(total nitrogen,TN)是衡量水体富营养化的重要指标,了解其时空变化对近海海洋生态管理有着重要意义。本研究以珠江口-江门海域为研究区,基于2021—2023年实测数据、2003—2023年MODIS和2017—2023年Sentinel-3遥感影像,筛选出与TN质量浓度高相关性波段组合,构建随机森林回归模型,并根据模型反演的TN,分析其在不同尺度下的时空特征。反演模型的精度良好(R²为0.797~0.931)。反演结果显示:2003—2023年珠江口-江门海域TN质量浓度整体呈下降趋势,其中2003—2015年质量浓度较高,2016年后显著下降;TN有明显丰/枯季变化,入海口和浅水海域的年内变化明显。本研究通过遥感反演分析了研究区TN变化趋势和分布特征,可为近岸海域污染物管控措施的制定提供依据和参考。

红树林是地球上固碳效率最高的生态系统之一,对于应对全球气候变化、实现我国“双碳”目标具有积极意义。本研究以浙江沿浦湾红树林为研究区域,于2018—2019年春季和秋季采集表层(0~25 cm)沉积物样品,对其有机碳、总氮、总磷含量和沉积物粒度进行分析。结果表明:沉积物有机碳含量为6.50~11.90 g/kg,总氮含量为1.08~1.36 g/kg,总磷含量为0.57~0.74 g/kg。通过相关性分析发现,沉积物有机碳与总氮呈显著正相关(p<0.05),表明两者的潜在来源具有相似性;有机碳也与黏土含量呈极显著正相关(p<0.01),即细粒沉积物更有利于有机碳的固存;相反,有机碳与总磷、平均粒径、砂和粉砂含量呈极显著负相关(p<0.01)。层次分割分析表明,沉积物中砂和粉砂的含量是影响红树林表层有机碳分布的关键环境因子。此外,红树植物品种及成林时间、地表径流分布、台风影响和养殖塘清塘也是影响沉积物有机碳分布的驱动因素。

淤泥质滩涂碳汇是海岸带蓝碳的重要组成部分。微藻作为淤泥质滩涂的主要初级生产者,对固碳和储碳起重要作用,但目前对我国淤泥质滩涂微藻群落组成及其碳储量的研究较缺乏。本研究于2021年8月采集了浙江温岭隘顽湾淤泥质滩涂的微藻样品,进行显微镜检并基于细胞生物体积估算其碳储量。调查区域内共检出微藻4门59种,群落组成以硅藻占据绝对优势,主要优势属包括圆筛藻Coscinodiscus、菱形藻Nitzschia、布纹藻Gyrosigma和针杆藻Synedra等。各调查站点的微藻丰度和生物量表现出明显的空间异质性,这可能与陆源输入有关;此外,闸口强水流冲击形成的潮沟也可能影响微藻的沉降与再悬浮过程。根据微藻的生物量估算,调查期间隘顽湾淤泥质滩涂微藻碳储量约为2 134 t,其中浮游型微藻的沉降输入占比约为60%。本研究结果强调了浮游型微藻的沉降输入对泥滩微藻群落组成及碳储量的重要影响,可为淤泥质滩涂碳汇来源的精确评估提供科学依据。