热带海洋学报杂志

热带海洋学报杂志2024年第1期

• 海洋中示踪物等值线的分形长度及其与混合效率的关系*

  钱钰坤, 刘统亚, 张华, 彭世球

  涡致混合扩散是物理海洋研究中的热点和难点问题。本文基于“有效扩散”理论, 研究示踪物等值线在海表地转湍流的多尺度搅拌作用下, 发生拉伸、扭曲、变形、折叠等改变其几何拓扑结构的现象, 并探讨了等值线分形长度的变化与混合效率的关系。研究结果表明, 在地转流场的搅拌下, 示踪物的等值线会被迅速拉长, 并产生丰富的精细结构。这种分形式的增长可达原长度的10~20倍, 是混合效率提高的主要原因; 而涡丝和锋面伴随的梯度增强虽然也有贡献, 但为次要因素。另一方面, 在示踪物模拟过程中, 小尺度扩散会通过不可逆混合对示踪物进行均匀化, 从而抹平等值线的精细结构, 抑制等值线的增长, 限制混合效率的提高。基于“数盒子”算法计算了等值线的分形维度, 其数值在1.4到1.6之间, 介于一维和二维之间。但由于地转湍流数据分辨率的限制, 无法考虑更小尺度(次中尺度过程)的搅拌作用, 可能低估了等值线的分形长度和混合效率。本研究将海洋混合与等值线几何特征联系了起来, 初步得到了分形长度和混合效率两者的经验关系式, 未来可以利用图像识别等成熟遥感技术将海洋示踪物等值线的几何特征直接转换为混合效率, 为诊断分析海洋混合及其参数化提供了一种新的思路。

• 基于PredRNN++模型对南海中尺度涡旋的预测研究

  赵杰, 林延奖, 刘燃, 杜榕

  基于26年的海表面高度异常、海表面风速异常、海表面温度异常资料, 利用时空序列预测模型PredRNN++, 本文预报 1~28d时效的南海中尺度涡旋轨迹和南海西部偶极子活动。结果表明, PredRNN++模型能从整体上考虑整个南海区域时空演变特征和环境风场、温度场的作用, 在短期(1~2周)、中期(3~4周)预报上具有良好的性能。该模型具备一定预报涡旋产生、消亡的能力, 且能将涡旋轨迹4周预报误差控制在42.1km, 对于生命时长小于100d的涡旋生命中期的位置、振幅预报误差小。此外模型在8—11月份的月平均、4天平均下的任意时间点和任意预报时效下均能较好地追踪到偶极子结构的演变、强度变化, 偶极子涡旋相关属性预报误差最小且存在年际、类型差异, 2017年涡旋1~4周振幅位置、预报、半径误差最小, 分别为40~60km、3~5cm、20~40km, 且气旋涡位置预报效果优于反气旋涡。

• 罗源湾潮致余流特征及其对物质分布的影响

  丁一, 王翠, 姜尚, 陈秋明

  基于MIKE 3开展了罗源湾的三维数值模拟, 以流场和断面垂向流速阐释了罗源湾的潮流分布特征, 计算了罗源湾的潮致余流场, 采用拉格朗日粒子追踪法模拟了具有粒子特性的物质在湾内的运移并分析了粒子的运动规律, 结合潮流和潮致余流特征讨论了罗源湾不同区域的物理自净能力。研究结果表明, 罗源湾西北部、东北岸内凹处和内湾口处形成了余环流结构, 湾内不同区域的物质分布与潮致余流结构有明显相关性, 粒子在罗源湾西北部海域运移缓慢, 而湾口及可门水道附近具有较好的自净能力。本研究为进一步探讨罗源湾污染物质分布机制提供了科学依据, 为罗源湾的污染控制和环境保护提供了技术支撑, 研究方法也为其他海湾的相关研究提供借鉴参考。

• 卷积神经网络在近岸表层海温预报中的应用

  翁少佳, 蔡锦海, 庞运禧, 罗荣真

  针对数值预报和人工经验预报在近岸定点表层海温(sea surface temperature, SST)预报中预报准确度不高, 将近岸台站定点SST预报转换为多元时间序列预测任务, 应用卷积神经网络(convolutional neural networks, CNN)构建近岸台站定点SST时间序列变化模型, 对近岸台站每日最高海温、最低海温、平均海温进行预报, 并与人工经验方法和长短期记忆网络(long short-term memory, LSTM)方法进行对比试验。结果显示, 在测试数据中相比人工经验预报, CNN方法全年日最高海温预报平均绝对误差(mean absolute error, MAE)为0.36℃, 平均下降0.14℃, 均方根误差(root mean squared error, RMSE)为0.49℃, 平均下降0.21℃, 日最低海温预报MAE为0.36℃, 平均下降0.17℃, RMSE为0.63℃, 平均下降0.24℃, 日平均海温预报MAE为0.30℃, RMSE为0.47℃, 预报性能和LSTM模型预报性能相当。研究表明CNN应用于近岸SST预报具有可行性, 能够有效地提高SST预报准确度, 并且预报效果可以媲美LSTM。

• 舟山海域夏季上升流的年际变化及其与ENSO的关系

  全梦媛, 王慧, 李文善, 王爱梅, 骆敬新

  本文利用1968—2021年的海表温度和风场数据, 分析舟山海域夏季上升流强度的年际变化, 并结合同期的Niño 3.4指数分析ENSO (El Niño-Southern Oscillation)对上升流的影响。温度和风上升流指数表明, 1982—2021年夏季舟山海域上升流均呈下降趋势, 下降速率分别为0.062℃·10a-1和0.35m3·s-1·(100m·a) -1。近年来, 沿岸风应力的减弱是影响温度上升流指数减弱的一个重要因素。统计更长时间段内(1968—2021年)El Niño和La Niña年风上升流指数的强度发现, El Niño年平均风上升流指数较小, 仅为−10.33m3·s-1·(100m) -1。La Niña年平均风上升流指数较大为7.60m3·s-1·(100m) -1, 高于El Niño和气候态, 且多达4级(比例为75%)。进一步分析ENSO与舟山海域风上升流指数的关系发现, ENSO主要通过影响风的变化进而影响上升流的强度。El Niño年, 舟山海域东南风减弱, 导致上升流强度较弱, 甚至发生下降流。La Niña年主要为偏南风且风速较大, 更有利于上升流的发展。

• 基于粒子滤波和三维变分混合数据同化方法的构建与理想实验验证

  姚长坤, 魏琨

  本文基于粒子滤波和三维变分设计了一种新的混合数据同化方法。新方法通过粒子滤波的最优估计生成具有背景误差信息的集合扰动, 从而为三维变分提供流依赖的背景误差协方差。粒子退化一直是粒子滤波应用于数据同化领域的主要阻碍。为了让混合方法更好地发挥作用, 针对粒子退化问题, 本文提出了一种改进的残差重采样方法, 通过在正态分布中采样粒子, 解决了退化导致的粒子缺乏多样性。在理想lorenz-63模型上进行数据同化实验, 结果表明, 新方法在模型误差较大的情况下效果优于集合变换三维变分方法(ensemble transform Kalman filter-three-dimensional variational method, ETKF- 3Dvar), 并且随着模型误差不断增大, 新方法也同样优于传统数据同化方法。改进的残差重采样在与分层重采样和一般残差重采样的对比实验中, 在给定时间窗口内可以保证同化结果稳定, 而其他两种方法的同化结果都出现了较大偏差。

• 秋季登陆广东热带气旋特征变化及机制分析

  韩鼎妍, 李敏, 胡睿, 谢玲玲

  基于1949—2021年中国气象局热带气旋最佳路径数据集和登陆热带气旋数据集, 对秋季登陆广东热带气旋(tropical cyclone, TCs)的时空特征和可能机制进行分析, 并与夏季进行对比。结果表明: 近73年共76个TCs秋季登陆广东, 占登陆总数的28.5%, 以强台风和超强台风占主, 且平均最大强度强于夏季。相比夏季, 秋TCs更大比例(72.4%)生成于西北太平洋, 生成经纬度偏南、偏东; 秋TCs的年均破坏潜力指标(power dissipation index, PDI)可达0.4×107m3·s−2, 与夏季相当; 秋TCs登陆后比夏季更快消亡, 移速更慢, PDI较小。秋TCs登陆数量长期变化呈下降趋势且下降速率与夏季相当, 登陆强度上升且上升速率为夏季1.8倍, 移速减缓速率为夏季2.5倍, PDI下降速率明显弱于夏季。不同于夏季登陆TCs在拉尼娜年增多, 秋TCs更易在厄尔尼诺年登陆广东; 登陆广东秋TCs数与上一年冬春季厄尔尼诺-南方涛动 (El Niño-Southern Oscillation，ENSO)指数相关系数达到0.3, 并对后一年ENSO具有指示作用。秋TCs登陆频数与太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)指数显著相关, 1977—1996和1997—2016暖冷两个位相期, 相关系数分别为−0.51和0.68。对比有无秋TCs的环境场, 发现南海北部海温暖异常时, 其西北侧激发的气旋性引导气流利于TCs登陆广东。

• 基于沿岸自动气象站的台湾海峡西岸海雾生消过程及特征*

  廖廓, 李恺霖, 党皓飞, 林彬, 赵冬至, 李慧

  2019年4月19日20时—4月26日07时, 台湾海峡西岸发生了一次严重海雾事件, 通过海西沿海的自动气象站数据进行了海雾生消规律研究。海雾集中于02时至08时发生, 其生成时间越接近清晨, 持续时间越短。海雾多为本地生成, 部分站点海雾为传播而形成且南北海雾之间关联性不大。海雾发生前能见度均快速下降, 海雾消亡后能见度快速上升。当海雾生成时, 陆表温度-气温LST-T (LST, land surface temperature; T, temperature)在−1.7~2℃之间, 陆表温度-露点温度LST-Td (dewpoint temperature, Td)在−1~2.7℃之间, T-Td在0.2~1℃之间, 海雾维持阶段相对湿度 (relative humility, RH)≥96%。在水汽丰沛的大背景下, 海雾生成与发展与风速的关系较为密切, 与风向的关系较弱。结合Himawari-8卫星影像与ERA5(European centre for fifth generation of atmospheric reanalysis)再分析资料对本次海雾过程的特征进行了分析。卫星影像给出了本次过程的影响范围和生消特点。环流形势表明, 500hPa上福建处于槽后脊前弱西南气流控制下。850hPa和925hPa高度场上均受西南气流的影响, 带来了充沛的水汽, 根据海气状况分析此次海雾类型为平流雾。

• 牙鲆(Paralichthys olivaceus)抗缪勒氏管激素Ⅱ型受体基因(amhr2)表达特征分析及功能初探

  李泽, 王丽娟, 邹聪聪, 舒畅, 吴志昊, 邹玉霞, 尤锋

  抗缪勒氏管激素Ⅱ型受体(anti-Müllerian hormone receptor Ⅱ, Amhr2)是抗缪勒氏管激素(anti-Müllerian hormone, Amh)的特异受体。amhr2基因在鱼类性腺分化和发育中发挥重要作用, 更决定了有的鱼种的性别, 然而, 相关功能研究较为有限。本研究旨在明晰amhr2在我国重要海水养殖鱼类—牙鲆(Paralichthys olivaceus)性腺分化和发育过程中的表达特征, 并初步探究其功能。首先, 克隆了牙鲆amhr2-CDS序列, 共1536bp, 编码511个氨基酸。系统发育分析显示牙鲆Amhr2近C端较为保守, 与其他硬骨鱼类聚为一枝, 并与上游sp1以及下游的prr13和PCBP2在基因组中共定位。蛋白结构分析显示, 牙鲆Amhr2包含信号肽、跨膜结构域和保守的酪氨酸蛋白激酶结构域。进而, 利用实时荧光定量PCR (qPCR)分析表明, 牙鲆amhr2主要表达于性腺, 且在精巢中的表达极显著高于卵巢(P< 0.01), 其在I-V期精巢中持续高表达, 而在卵巢中仅在I期高表达, 后显著下降(P< 0.05)。性腺分化期基因的表达, 是对雌核发育组(对照组, 20 ± 0.5℃, 100%雌性)与雌核发育高温诱导组(HT组, 28 ± 0.5℃, 100%雄性)鱼苗进行检测的, amhr2在对照组全长(total length, TL)2cm的实验鱼性腺中表达最高, 后逐渐下降; 而HT组实验鱼性腺中的表达呈现先上升后下降的趋势, 并在精巢开始分化的6cm TL时表达最高。利用Hela细胞进行亚细胞定位分析发现, Amhr2与其配体Amh均定位于细胞质。同时, 通过原核表达重组牙鲆Amh, 并用其孵育离体性腺组织, qPCR分析显示精巢中amhr2的表达没有显著变化, 但卵巢中表达显著上升(P< 0.05)。进一步通过双荧光素酶报告分析表明, Amh和Amhr2共转染能够显著抑制雌激素合成的关键芳香化酶基因cyp19a的表达(P< 0.01)。综上所述, 牙鲆amhr2主要表达于精巢, 但在不同性腺发育时期表达不同, 且其可能与Amh共同影响cyp19a的转录, 对雄性表型形成的启动和性腺发育起作用。

• 广西北海红树林宜林滩涂大型底栖动物群落结构特征

  耿婉璐, 邢永泽, 张秋丰, 管卫兵

  为了解广西北海红树林宜林滩涂大型底栖动物群落特征, 本文首次在北海市选择了2条光滩断面、2条有少量互花米草分布的断面和2条被互花米草覆盖的断面开展生态调查, 调查了大型底栖动物的群落结构特征, 并分析了其与环境因子之间的关系。结果表明, 调查区域大型底栖动物共29种, 不同生境的软体动物生物量、节肢动物栖息密度及蟹洞数量差异显著(P< 0.05), 大型底栖动物的种类组成与沉积物的偏态显著正相关(P< 0.05)。光滩样地黄金村HJ群落结构稳定, 其余样地大型底栖动物的群落结构均不稳定。互花米草的生长会对大型底栖动物群落结构产生影响。

• 丝鳍圆天竺鲷的繁殖习性、胚胎发育和胚后发育观察

  兰真强, 郑纪涛, 陈芸, 陈楠, 王淑红

  本文以丝鳍圆天竺鲷(Sphaeramia nematoptera)为研究对象, 观察记录了其繁殖习性以及胚胎发育和胚后发育的过程。研究结果表明: 丝鳍圆天竺鲷的繁殖活动由雌鱼主导, 在凌晨1点至3点交配, 产卵受精后由雄性口孵, 产卵间隔期为11~18d, 无季节性。雌鱼单次产卵3126~4882粒, 受精卵近圆球形, 卵径(720±10)μm, 内有数颗油球; 在水温(27.0±0.5)℃条件下, 受精卵经过卵裂期、囊胚期、原肠期、神经胚期、器官形成期到出膜需187h。丝鳍圆天竺鲷胚后发育分为仔鱼期、稚鱼期、幼鱼期和成鱼期, 初孵仔鱼全长(2.8±0.1)mm, 口裂高度(0.202±18)mm, 孵化后第二天仔鱼开口摄食; 孵化后24d鳍条形成, 身体出现两条黑色条带, 结束浮游阶段, 进入稚鱼期; 孵化后50d鳞片完全形成, 体色斑纹等外形特点与成鱼相同, 进入幼鱼期; 孵化后360d性腺发育成熟, 具备生殖能力。

• 基于韧性视角的福建沿海风暴潮风险综合评估研究

  丁依婷, 董帝渤

  本文基于城市安全韧性三角形模型, 构建韧性城市视角下的风暴潮灾害综合风险评价框架, 采用2011—2020年福建省33个沿海县(区、市)数据, 通过城市适灾韧性评价指标体系, 科学评价福建沿海城市适灾韧性水平时空分异特征, 借助地理信息分析工具, 综合风暴潮灾害危险性、脆弱性和城市韧性的评价结果, 实现福建省域尺度风暴潮灾害综合风险区划。结果表明: (1)福建省2020年沿海城市适灾韧性水平从高到低依次为: 福州、厦门、漳州、泉州、宁德、莆田; (2)随着各沿海城市适灾韧性水平的稳步提升, 福建省风暴潮灾情等级指数呈下降趋势; (3)风暴潮综合风险I级区主要分布在莆田的兴化湾、湄洲湾沿岸; (4)在灾害防御建议方面, 应重点关注河口、喇叭型湾口等地区, 应重点防范北部路径和中部路径的台风风暴潮, 应因地制宜制定海洋防灾减灾对策和韧性城市建设规划。

• 结合潮位校正的雷州半岛红树林湿地动态变迁遥感监测

  申键, 简焯锴, 欧阳雪敏, 艾彬

  红树林生态系统对生态安全、社会和经济可持续发展提供巨大生态支持功能。本文以雷州半岛1995、2005、2015、2020年4期Landsat TM/OLI(Landsat Thematic Mapper/Operational Land Imager)影像为数据源, 考虑不同区域的潮汐规律, 使用决策树分类方法, 并结合人工修正提取了多年红树林的分布范围。根据谷歌同期高分影像进行精度验证, 4期红树林结果的总体精度分别为99.79%、98.95%、99.45%、99.15%, Kappa系数为0.9913、0.9642、0.9624、0.9766 。雷州半岛红树林的时空变化的分析结果表明, 近25年来红树林湿地呈现先减少后增加的模式, 具体表现为: (1) 雷州半岛红树林分布集中分布在英罗港、安铺港、企水港、海康港、乌石港、流沙港、外罗港、雷州湾、通明海和湛江湾等波浪掩护作用良好的泥质滩涂港湾或河口湾内, 徐闻县海安镇至锦和镇与吴川市吴阳镇以东的海岸因相对平直的海岸缺乏对波浪掩护、土壤条件差等因素, 无红树林分布; (2) 雷州半岛各市县均有红树林分布, 早期麻章区红树林面积最大, 其次为雷州市和廉江市, 赤坎区红树林分布最少, 现状廉江市的红树林占比最大; (3) 雷州半岛流失红树林面积多于新增红树林面积, 其中麻章区红树林面积流失最多, 占流失面积的一半; (4) 红树林与非红树林的互相转换类型中水体、滩涂与养殖占主体。区域红树林的精细监测变化分析, 能够为红树林湿地保护部门的工作和生态资源的可持续发展提供依据。

• 北部湾海洋真菌Aspergillus fumigatus DL-p0m-g2的化学成分及药理活性研究

  冯婷, 孙建, 王玉妃, 盘伟斌, 覃旭灿, 覃炳云, 周丽曼, 王聪, 王佩, 孔凡栋

  为获得具有生物活性的化合物, 对一株分离于北部湾钉螺菌株Aspergillus fumigatus DL-p0m-g2的化学成分及药理活性进行研究。综合应用反相ODS (octadecylsilyl) 柱色谱、半制备液相等多种色谱学方法进行分离纯化, 根据化合物理化性质、质谱和核磁共振波谱学数据进行结构鉴定, 并对分离得到的化合物进行细胞毒活性、抑菌活性和胆固醇转运蛋白NPC1L1 (NPC1-like intracellular cholesterol transporter 1)蛋白结合等生物活性评价。实验共分离得到21个生物碱类化合物和1个甾体, 分别鉴定为6-methoxyspirotryprostatin B (1)、spirotryprostatin A (2)、fumitremorgin C (3)、cyclotryprostatin A (4)、fumitremorgin B (5)、pseurotin A (6)、azaspirofuran A (7)、azaspirofuran B (8)、cephalimysin C (9)、cephalimysin B (10)、fumiquinazoline C (11)、fumiquinazoline B (12)、fumiquinazoline A (13)、fumiquinazoline D (14)、fumiquinazoline F (15)、tryprostatin B (16)、verruculogen (17)、chaetominine (18)、bisdethiobis(methylthio)glitoxin (19)、helvolic acid (20)、7-deacetylpyripyropene A (21)、terezine D (22)。其中化合物6对人肝癌细胞(HepG2)、人肺癌细胞(A549)、人直肠癌细胞(HCT116)有一定的细胞毒活性; 化合物1、3和20对金黄色葡萄球菌表现出抑菌活性; 化合物14与NPC1L1蛋白具有较好的结合, 显示其在降脂药物开发中的研究潜力。