海面风场是海洋环境的重要参量,对洋流、海洋气象和气候环境的分析与预测起到至关重要的作用。为评估卫星遥感海洋风场产品的精度,了解产品的误差分布,采用卫星遥感技术与海洋浮标测量数据相结合的方法,对卫星遥感的海面风场反演产品进行真实性检验。选取2013—2022年的美国国家资料浮标中心等4个浮标列阵的浮标数据,经数据处理、时空匹配后,选取平均偏差、均方根误差和相关系数等指标对欧洲气象卫星组织(EUMETSAT)的MetOp系列气象卫星高级散射计(advanced scatterometer,ASCAT)数据反演风场的质量进行评估。统计结果表明,卫星反演风场与海洋浮标测量的风速、风向之间的相关系数分别为0.929、0.867,风速标准差0.889 m/s,风向标准差约22.168°。经过对比分析,美国国家资料浮标中心站点处的风速风向标准差相对稳定。基于海洋浮标数据的卫星风场真实性检验研究,可为评估卫星遥感反演风场的精度,驱动卫星载荷设计与反演算法的迭代升级,提升气象预报、气候研究、海洋工程和灾害预警的准确性。

海洋碳通量在全球碳循环中扮演着至关重要的角色,对气候变化的研究和预测具有重要意义。随着遥感技术的快速发展,激光遥感因其高空间分辨率、高精度和实时监测能力,逐渐成为海洋碳通量研究中的重要工具。该文综述了海洋昼夜碳通量激光遥感的研究进展,主要包括激光遥感技术在海洋碳通量监测中的应用原理、发展现状以及面临的挑战,并展望了未来该领域的发展趋势。

掌握近海海洋养殖规模及其分布变化有利于近海区域养殖管理、规划与生态保护。基于遥感手段,利用哨兵二号A/B(Sentinel-2A/2B)卫星影像数据,通过U-Net深度学习模型自动提取,并结合人机交互修正,准确获取了2016—2024年黑泥湾海带筏架养殖区的空间分布。分析结果表明:近9年来,黑泥湾海带养殖区面积呈现“技术驱动扩张—政策调控收缩—适应性波动”三阶段演变,空间分布呈现“南北集聚—中部管控”的稳定格局。研究揭示了黑泥湾筏式海带养殖区在技术革新、政策调控与自然条件耦合作用下的时空演变特征,为具有相似养殖模式与环境特征的海湾养殖区的养殖规划、动态调整与生态管理决策优化提供了科学依据。

利用地表水与海洋地形卫星(SWOT)的L2级低速率专家级数据,采用格网法计算交叉点位置,定量分析了自交叉点不符值大小,并通过定量分析探索了交叉点时间差、交叉点距离、离海岸距离、纬度等因素对不符值的影响。结果表明,大多数区域的不符值集中在-0.2~0.2 m之间,数据一致性较好,但在特定区域出现较大的不符值。进一步分析发现,交叉点之间的距离对不符值影响较小,靠近海岸线的不符值较为离散,随着距离海岸线的增加不符值逐渐减小并趋于稳定;在高纬度区域,不符值也有所减小,时间差对不符值的影响则表现出一定的离散性,而在一定范围内(2 km),交叉点之间的距离对交叉点不符值影响不大。研究结论为改进SWOT卫星测高数据的精度和可靠性提供了科学依据。

水质作为支撑人类社会可持续发展的关键自然资源,其监测与评估对于水环境保护和生态平衡的维护至关重要。遥感技术,凭借其远距离探测的特性,展现出快速、高效、广覆盖及高精度的技术优势,尤其适用于大范围、动态的水环境监测。近年来,我国在遥感卫星技术领域取得了显著进展,国产高分卫星系列的成功部署与高质量数据的持续产出,为水质监测领域带来了新的机遇。系统性地梳理并归纳了国产高分卫星系列数据在水质监测中的应用现状,特别是关键水质参数的遥感反演技术,并提出了未来研究的方向,包括多源数据融合技术、算法与模型的优化以及理论模型的研究,可为今后国产卫星水质监测的发展和研究提供参考。

悬浮泥沙质量浓度是衡量河口水环境质量的重要指标,能够影响水体透明度、浑浊度、近岸海域生态环境及岸线稳定性。基于Google Earth Engine遥感云计算平台对1984—2024年黄河口及其邻近海域的悬浮泥沙质量浓度进行数据统计,探讨其时空分布及变化趋势,并分析其演化过程的主要驱动因子。研究表明:41年间,研究区悬沙浓度总体呈下降趋势,低悬沙浓度水体的比例逐渐增加,高值区逐渐向近岸集中,主要呈现于渤海湾南部和莱州湾西南沿岸,表现出条带状分布特征;通过Theil-Sen Median斜率估计和Mann-Kendall趋势分析,得到清坝水道与人工出汊悬浮泥沙质量浓度显著增加,清水沟道悬浮泥沙质量浓度显著减少,渤海湾和莱州湾总体呈微上升趋势;人为影响后的黄河口悬沙质量浓度表现出显著变化,每次改道后,原河口质量高浓度区萎缩,改道后的河口高质量浓度区向近海扩展。

水下三维成像激光雷达在海洋资源开发中具有重要作用,但现有系统普遍存在体积庞大、功耗高等问题。基于此提出一种基于光子计数技术的小型化解决方案,采用单点测距与二维扫描结合的三维成像方案,研发紧凑型水下光子计数三维成像激光雷达。通过优化光路与机械设计,研制出直径 165 mm、长 340 mm 的小型化系统,显著提升便携性与水下适应性;基于现场可编程门阵列(FPGA)设计双轴同步扫描控制方法,实现纳秒级扫描精度,确保发射脉冲与被测目标点精准匹配。在实验室水槽验证了系统具有明显优于3.1个衰减长度的探测能力。利用该系统对推进器模型进行水下三维成像,验证了系统具有厘米级的测距精度,其兼容性强,可集成于多种水下移动平台,在海底地形测绘、水下文化遗产探测、水下目标识别等领域具有应用潜力和发展前景。

微生物燃料电池在生物电产生和生物修复方面应用前景广阔,其工作过程对酸碱度变化十分敏感。因此,在线pH监测对于优化微生物燃料电池的性能至关重要,现有的pH计难以满足这一特殊需求。设计了一种基于电化学原位合成石墨烯修饰丝网印刷电极的新型伏安式pH传感器。通过表面偶联氢键载体茜素番红花醇SE,可在pH4.0~9.0的范围内实现良好的pH传感线性度,灵敏度每pH单位的电极电位变化达70.7 mV。读数周期可控制在15 s内。该研究成功演示了在利用近海活性污泥构建的海水基微生物燃料电池中的原位长时pH动态监测,并获得理想结果。特别地,通过氢键载体的掺杂提高了石墨烯界面上的质子扩散速率,从而实现了伏安式pH传感器性能的改善。同时,研究发现该策略在参比系统的改进方面存在巨大空间,有望进一步改善该技术的长时传感性能。该方法为微生物燃料电池的未来开发提供了一种长时原位在线pH监测的新思路。

海水叶绿素a传感器广泛应用于海洋现场生态监测中,用来观察海水中叶绿素a质量浓度的变化,但测量结果容易漂移。为了获得高质量的海水叶绿素a观测数据,对海水叶绿素a传感器性能评估方法进行了研究。利用荧光素钠标准品作为参考标准物质,从响应线性范围、准确性、精密度、稳定性等4个方面研究了海水叶绿素a传感器的性能评估方法,结果表明,传感器的荧光信号与荧光溶液的质量浓度呈正相关关系,利用其拟合后的标准曲线计算得到传感器的示值误差、实验标准偏差,通过控制相关系数可以确定传感器的线性响应范围,利用同一传感器在不同时期的重复性实验数据考察了传感器的稳定性,从计量角度实现了传感器的特性评估。在响应线性范围(0~200 μg/L)内,传感器的误差最大不超过2.00 μg/L,相对实验标准偏差不超过0.20%,在2021—2022年传感器比较稳定,其中试验过程中移液精度保持不变是保证结果准确的关键因素。

针对分布式供能系统对动态制氢速率的快速响应需求,通过沉淀-水热法制备了Ru/Ce-Al催化剂,解决氨分解制氢单元在变载工况下的动态稳定性难题。采用X射线衍射(XRD)、NH₃-TPD(程序升温脱附)及H₂-TPR(程序升温还原)等表征手段,揭示Al³⁺掺杂CeO₂与Ce/Al化学计量比对载体氧空位演化的系统调控机制,并考察其氨分解制氢性能。研究表明,Al³⁺掺杂诱导Ce-Al-O固溶体形成,通过强金属载体相互作用优化载体表面氧空位分布,促进活性金属钌(Ru)的分散。Ru/3Ce-Al催化剂在空速15 000 h^-1、525 ℃反应条件下实现93%的氨转化率,其宽温区(500~550 ℃)展现出的均衡反应性能,防止高温反应过快导致催化剂烧结,在100 h的实验中催化剂氨转换效率达91.8%。基于该催化剂构建氨氢燃料电池供能系统,在2 kW工况下,功率、电压和电流波动分别为2.3%、1.1%和0.6%;且在0.22 kW→0.45 kW→0.22 kW阶跃负载测试中,系统功率、电流均可快速响应,验证了其在复杂环境下的动态响应能力与运行稳定性。

中尺度涡在海洋中无处不在,其对海洋能量传输和物质运输发挥着关键作用,目前常见的中尺度涡观测方式主要有卫星遥感和浮标示踪两类,不同观测方式具备不同的观测角度及尺度,因此形成的中尺度信息标准不一、各有特点。该文基于不同来源的三套中尺度涡数据集,提出一种两次融合策略,生成了一套南海中尺度涡融合数据,并分析了2014—2018年南海中尺度涡中心空间分布情况。结果表明,融合数据有效地解决了单一观测方式获得的中尺度涡信息存在的过度识别、漏判、误判等问题,能更好地体现出南海区域中尺度涡空间分布广泛、气旋涡与反气旋涡显著局部聚集、气旋涡与反气旋涡分区明显等特点。南海中尺度涡融合数据可以为跟踪中尺度涡轨迹、推演中尺度涡三维结构、理解海洋中尺度现象及环流等研究提供可靠的数据支撑。

营养盐通量清单的构建为了解其在海水养殖体系中的归趋提供科学依据,从而促进近岸海域环境的可持续发展。该研究对浙江沿海地区(宁波、台州、温州、舟山)的陆域海水养殖区尾水中氮磷营养盐质量浓度进行实地采样检测。结果显示养殖区1 018个采样点的排口尾水中总氮质量浓度主要集中在0.015~36.000 mg/L,总磷质量浓度主要集中在0.005~2.860 mg/L;总体上,超过90%的样品低于浙江省《海水养殖尾水排放标准》的二级排放标准。采用化学分析法和排污系数法两种方法用于估算区域陆域海水养殖尾水氮磷通量。化学分析法结果显示总氮和总磷的年排放通量分别是2 969.2 t和83.6 t。三四季度的总氮和总磷通量均占到全年通量的84.4%,该时段处于当地海水养殖收获期,排放量集中,并且受洋流和长江冲淡水等作用的影响,应注意防范水体富营养化发生。化学分析法估算结果低于排污系数法的4 634.3 t/a和801.4 t/a,该研究认为绝大部分氮磷进入排口附近的底泥。底泥氮磷负荷持续输入会增加二次释放风险,提升临近海域发生富营养化的潜在风险。

分析不同场景PPP-B2b动态定位性能不仅对用户有重要的参考价值,也有助于BDS-3的应用推广。通过开展船载和车载动态实验,深入分析了BDS-3的PPP-B2b服务在不同场景下的动态定位性能,实验结果表明:以德国亥姆霍兹波茨坦地学研究中心(GFZ)公布的后处理产品为参考,PPP-B2b产品的轨道改正数精度可达分米级,钟差改正数精度可达亚米级。车载PPP-B2b实验中,BDS-3系统B1/B2频点的平均多路径效应(MP-RMS)为41.3 cm,全球定位系统(GPS)L1/L2频点平均MP-RMS为52.2 cm;BDS-3/BDS-3+GPS两种系统组合在水平及竖直方向的定位精度分别为10.3/5.6 cm、10.5/4.9 cm。船载PPP-B2b实验中,BDS-3 B1/B2频点平均MP-RMS为52.5 cm,GPS L1/L2频点平均MP-RMS为70.4 cm;BDS-3/BDS-3+GPS在水平及竖直方向的定位精度分别为22.5/9.7 cm、12.0/5.1 cm。海洋动态环境下多路径效应对PPP-B2b动态定位性能的影响整体略高于车载动态环境。

无人船是一种新型的无人多功能海洋监测平台,路径规划作为其核心技术,在其运行中发挥着至关重要的作用。随着海上交通密度持续增长和航行安全标准升级,传统的路径规划方法在复杂环境适应性不足问题愈发严重。该研究针对双向RRT^*算法在无人船路径规划中的局限性,提出多维度改进方案,建立基于环境特征感知的自适应步长调节机制,设计了关键节点筛选策略,最后使用贝塞尔曲线对产生的路径进行平滑处理,生成更加符合无人船运动学要求的平滑曲线。仿真结果表明,改进后的双向RRT^*算法相比传统双向RRT^*算法具有更高的节点生成效率,更优的整体性能和更平滑的路径。