摘要：遥感作为一种高效海洋环境监测手段,可以对海底各种底质类型分布及其状态变化进行同步大面积监测。目前,海底底质反射率观测技术主要为单个角度观测,开展底质多角度光反射特性观测技术的研究,分析不同底质双向反射分布函数(BRDF)特征,对于遥感高精度监测浅水海区底质具有重要意义,在满足遥感对复杂底质类型精确区分的同时能做到对底质更细微的动态变化监测。采用双通道同步测量的方法,设计了一套简便的海底底质双向反射率测量系统,获取了水下珊瑚及细沙底质的反射率特征数据。在大亚湾海域开展了现场测量,数据分析表明:(1)岸上沙质的BRDF特征:在400~700 nm内,当天顶角不变时(θ=20°,40°或60°),不同方位角(θ=0°,45°,135°,180°,225°和315°)所测得的反射率值标准偏差小于1.5%;当方位角不变时(θ=0°,45°,135°,180°,225°或315°),不同天顶角上的反射率值标准偏差均不大于1.7%,表明岸上沙质的BRDF变化较小,具有朗伯体特性;水下沙质的BRDF特征:在400~700 nm内,当天顶角不变时,不同方位角所测得的反射率值标准偏差随着波长的增大而增大;在400 nm时,反射率值的标准偏差为3.8%,在700 nm时,反射率值标准偏差递增至12%。水下沙质的BRDF表现为各向同性特征。(2)水下珊瑚BRDF特征:在天顶角不变时,不同方位角上所测得的反射率值标准偏差随着波长的增加呈现先增加后减小,而后激增的趋势。从400到605 nm,标准偏差从1%升至2%,而后从605到675 nm,标准偏差从2%降至1.2%,在675~700 nm,标准偏差从1.2%增至4.9%。现场测试数据分析结果表明本套水底双向反射测量系统能有效测量多种海底底质的反射光谱。通过现场获取的测量数据,对沙质和珊瑚两种典型底质的反射率光谱及BRDF进行了初步分析,为后续采用遥感手段反演浅水区底质及动态变化(如,珊瑚生长状态)提供多种底质多观测角度的反射率光谱特征。

摘要：水体重金属遥感反演是水环境遥感领域中的难题,目前仍有相当多的基础性问题有待解决,而浅水区底质对离水反射率贡献规律是将来遥感反演模型精度其中一个重要影响因素,尤其在重金属污染这种特殊的背景下,揭示其贡献规律对提升水体重金属遥感模型精度有重要作用,测量结果对研究重金属尾矿底泥的反射率光谱特征以及区分常见水底底质有参考意义。首先利用光谱仪测量获得广东大宝山尾矿底质反射率,发现其在波长755、 1 280、 1 620和2 200 nm存在反射峰,有明显光谱特征,并与河床常见的粗沙、淤泥和石头三类底质反射率进行了对比分析,结果表明:一方面,粗沙和淤泥反射率呈一缓慢上升的曲线,与存在多个特征反射峰的矿区底泥有明显区别;另一方面,石头反射率则在波长范围550~650 nm出现一个宽而扁平的反射峰后随即在波长675 nm处出现波谷然后增大至波长750 nm后趋于平缓,其特征波长与矿区底泥均不一样。上述特征波长可作为重金属污染背景下底泥光谱的重要区分波段。测量水深为1 cm、 10 cm和深水区的离水反射率,结合水质遥感模型计算出1 cm水深情况下底质反射光、水体散射光,并将其对离水反射率贡献进行讨论。离水反射率测量结果表明,底质对浅水区影响极大,随着水深变浅,离水反射率总体不断被抬升。而水底反射光和水体散射光对离水反射率贡献规律则以波长515 nm为分界线,向短波方向以水体散射光贡献为主,向长波方向则以水底反射光为主,贡献量由底质反射能力和水体散射能力共同决定。对考虑了底质反射光后的遥感模型精度进行评价,模型计算得到波长范围350~950 nm内的离水反射率与野外测量值对比结果,二者具有显著的线性相关(R^(2)=0.964 2),相对误差在波长范围560~830 nm低于10%,甚者可低于5%,模型总体模拟精度较好,远比在不考虑底质影响时精度高,模型满足将来水中重金属遥感反演要求。研究结果对今后水体重金属遥感反演时处理底质影响提供了重要的参考数据和理论依据,有助推动该领域进一步发展。

摘要：海洋浮游植物光合作用固碳在全球碳循环中扮演着极为重要的角色,获取不同光衰减对应的海水深度,对于采集水样用于海洋初级生产力的研究具有重要意义。本研究于国际上首次开发了无缆便携式海洋透光率仪,特殊的光学结构设计和光谱滤光技术使得光谱响应在波段400~700nm范围内超过了同类海洋传感器,特定光衰减下对应的深度误差小于0.5m。将本设备应用于南海中尺度涡旋初级生产力的研究中,在采样率和自动化方面验证了仪器的便携性;通过对涡旋中初级生产力的空间分布规律进行分析,检验了仪器数据结果的可靠性。海洋透光率仪在价格、准确性、可靠度和操作的便携性上具有不可比拟的优势,将在未来海洋生态环境的研究中发挥重要作用。

摘要：本文利用南海西沙群岛潟湖区29 d的全水深浮标观测资料研究了潟湖区内正压潮和内潮的基本特征,采用深度平均方法分析海流的适用性,并讨论潟湖区内潮的主要来源。深度平均流的动能谱显示全日潮流占主导,其动能占整体海流动能的41%。对比分析深度平均流和Tpxo7.2模式预测的全日、半日潮流的调和常数,两者均表明全日正压潮流受地形调制,主轴方向为西北-东南向,而半日正压潮流主轴方向为东-西向。两种方法得到的全日正压潮流大-小潮存在半个相位(6~7 d)的差异,进一步分析发现全日正压潮和全日内潮潮龄不同,存在部分相互抵消,且全日内潮大潮发生时间在深度上存在差异,推测由于缺少海表和海底的测量数据,导致深度平均方法得到的全日正压潮仍然包含全日内潮信号。调和分析结果表明,全日内潮的动能中相干部分占比高达91%,说明潟湖区的全日内潮是正压潮与局地岛礁地形相互作用产生,而从远场传播而来的可能性很小。

摘要：海水中的有色溶解有机物(CDOM)对海洋生态系统具有重要影响。针对当前CDOM测量的问题,基于Teflon AF液芯波导(LWCC/LCW)技术,设计了一套全自动CDOM走航式测量仪。该仪器具有光程可调、测量动态范围广、灵敏度高等特点,适合于各类水体。其过滤和进样系统,实现了水样的自动过滤、进样和样品池清洗。基于LabVIEW语言开发的软件控制平台,可高效地控制仪器的运行状态和数据(光谱数据、GPS数据及海水温盐数据)的采集。通过对照实验和现场海上测试,证实了测量数据的可靠性和仪器的稳定性。

摘要：底层对流不稳定对海洋底层能量输运和湍流混合有重要影响。为评估底层对流不稳定对能量输运的贡献,基于 2018 年 9 月 20 日南海东北部东沙群岛海域(20.895 3 °N,117.180 8 °E,水深 385 m)37 h 锚定潜标高时空分辨率观测数据,对观测站位海洋底层水体的温度结构特征进行了分析,研究了对流底层厚度变化,及其对海洋底层能量输运和湍流混合的贡献。结果表明,观测站位对流底层出现的概率约为总观测时间的 56%,其厚度平均值为 6.17 m。底层平流为下坡流时,对流底层出现的概率约为 50%,其厚度相对较小,均小于 10 m;而为上坡流时,对流底层出现的概率约为70%,其厚度显著增大,可达到 40 m。对流不稳定驱动的垂向热通量 E_(B)和传热效率 Nu 具有间歇性特征,观测时间内E_(B)平均值为 0.41 W/m^(2),Nu 平均值为 249.91,且对流热通量远高于底层流速剪切通量。对流底层湍流热扩散率和涡扩散率的评估结果表明,随着底层湍流混合强度的增强,对流不稳定对底层湍流混合的贡献率逐渐减小。

摘要：为了研究洋中脊处海底烟囱喷出的热液柱的动力学特征以及其与周围海水之间的关系,在实验室内对热液柱的演化过程进行了实验模拟研究。在实验设计中,采用底部点源提供热通量的方法触发热液柱,使用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry——PIV)获取速度信息,高灵敏度热敏探头采集温度信息。通过瞬时速度场分析热液柱的运动特征以及其与周围层结背景环境之间的卷挟过程。实验表明,层结的背景环境阻碍了热液柱的垂向上升以及水平延伸。层结的背景条件下,在热液柱发展演化的整个过程中,其呈现出明显的振荡特征,且振荡频率(0.10—0.35rad/s)与背景环境的浮力频率(0.20—0.30rad/s)数值相当。热液柱与周围纯水之间存在强混合,发现在热液柱的热源处和顶部的混合最为强烈,中性浮力层高度以下是热液柱与周围纯水混合的主要区域,混合强度以卷挟系数α表征,α值从–0.30到0.13之间变化,大致随着高度的增加而减小。通过瞬时速度场分析得到热液柱的湍流耗散率ε,发现在垂直方向上,其"颈部"的耗散最强,沿水平方向上,其中心处的耗散最大,向四周逐渐递减,呈现高斯分布。

摘要：海底光谱反射率是光学浅水中太阳辐射传输的重要组成部分,影响着海水表面离水辐亮度的光谱特性,因此底质光谱信息的准确获取对于浅海遥感工作的开展至关重要。专门设计了一套海底光谱反射率测量系统填补了国际上在这方面的空白。采用可自由伸缩并旋转角度的参考白板贴近目标物测量,以消除探头到目标物之间水体吸收衰减的影响,双光路采集系统同步测量的设计避免了水下光场迅速变化对辐射测量的影响。于2018年9月3日—8日,用该系统在三亚珊瑚礁保护区进行原位海底反射率测量试验,测量对象包括珊瑚、海草、泥沙、沙滩等多种底质。各底质类型之间具有光谱可分性,具体表现为,在波长大于580 nm的长波段,浅海沙子底质与岸上沙滩光谱反射率特征差异明显,表明相对于空气中,水体和水中微藻介质的吸收散射作用严重影响着水下光谱辐射的测量,证实了空气中测量的目标光谱不可替代水中的结果。珊瑚和水草的光谱反射率特征主要区别在于海草反射率光谱在540~600 nm波段有一个宽反射峰,而珊瑚的典型特征是在575,600和650 nm附近有三个特征反射峰。此外,珊瑚、沙子和沙滩三种碳酸盐质底质在395,430,490和520 nm存在反射峰,485和585 nm处有一个小吸收峰,而海草则相反,在395,430,490和520 nm存在吸收峰,485和585 nm处显示反射峰。以上数据为将来利用底质反射率提取底栖物质组成信息奠定了基础,同时其结果也能够证实系统的可靠性和有效性。

摘要：高分辨率测温技术是海底热流探测中的关键技术之一.本文基于测温精度高、稳定性良好的Pt1000铂电阻,采用电桥反转激励电路原理设计了一种低噪声、高分辨率测温电路.海底原位测试结果表明:基于该电路原理的第1版电路板(V1)在1.2°C～2.7°C的温度波动量为1.960～1.990mK,峰-峰值分辨率为0.980～0.995mK;第2版电路板(V2)在1.2°C～1.3°C的温度波动量为2.260mK,峰-峰值分辨率为1.130mK.这说明本文已经实现了Pt1000铂电阻的mK级高分辨率测温.将该测温方案应用于海底热流探测技术中,可获得较高精度的地热参数,且由峰-峰值分辨率带来的地温梯度测量误差将在3%以内.

摘要：海洋条带结构是近年物理海洋学研究的一个新热点.在海洋中,条带结构往往被大尺度环流过程所掩盖.把这种隐蔽的海水运动现象显现出来的办法是对时间平均的速度场进行空间滤波.利用全球简单海洋资料同化分析系统资料和中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的气候系统海洋模式模拟数据对三种一维滤波方法进行了比较,分别是常用的高斯和汉宁滤波方法,以及本文引入的切比雪夫滤波方法.结果表明,尽管三种方法均可获得条带结构,但以切比雪夫方法为最佳;另外,设计高通滤波器时需设定截断频率,而它的选定取决于对具体数据的频谱分析,当选取的归一化的截断频率值在0.1和0.4之间时,可以有效地揭示出条带结构在全球海域内的分布.因此本文的研究方法为海洋条带结构的深入研究提供了一个有力工具.