商品參數
10000個科學難題-海洋科學捲 |
| 曾用價 | 598.00 |
齣版社 | 科學齣版社 |
版次 | 1 |
齣版時間 | 2018年04月 |
開本 | 16 |
作者 | 無 |
裝幀 | 圓脊精裝 |
頁數 | 1173 |
字數 | 1500000 |
ISBN編碼 | 9787030570871 |
內容介紹
本書是《10000個科學難題》中的一捲,也是相對獨立的專業書。書中介紹瞭海洋科學領域各個學科的重要科學難題,包含瞭國內外*新科學進展及學科前沿內容,對於瞭解海洋科學的未解之謎、啓發學者的創新性探索,開啓未來的研究方嚮有重要價值。全書內容新穎,撰寫深入淺齣,充分考慮瞭非本專業的人員能夠讀懂,有利於獲取學科交叉的知識,適閤於科研人員、研究生、大學生學習使用,也適閤有興趣的高中生選讀。
目錄
目錄
《10000個科學難題》序
序
前言
物理海洋學
海洋拉格朗日擬序結構 詹海剛 黃高龍 (3)
能否構建統一的方程組來描述海洋多運動形態及其相互作用? 王如雲 戴德君 (8)
天文引潮力的長期變率對海洋混閤強度及地球氣候係統的影響 彭世球 陳淑敏 (11)
潮齡的産生機理 方國洪 徐曉慶 魏澤勛 (14)
風生環流與熱鹽環流有何聯係? 林霄沛 楊俊超 吳寶蘭 (18)
深海熱鹽翻轉環流的時間尺度由什麼決定? 謝強 (21)
深淵環流是深海熱鹽環流的一部分嗎? 謝強 (25)
究竟是什麼力量使大洋熱鹽環流繞地球流動? 管玉平 (29)
深海環流的高頻變化及機理 王桂華 (32)
海洋鹽度在全球水循環中的作用 王鑫 (35)
海底熱液噴發誘導的海水混閤 董昌明 高曉倩 (39)
海洋渦鏇在潛沉與浮露過程中的作用 許麗曉 劉秦玉 (43)
內孤立波形成機製與預測 黃曉鼕 (46)
海洋中尺度渦鏇與內孤立波的相互作用 謝皆爍 蔡樹群 (50)
海洋中小尺度過程及其能量串級機製與效應 劉誌宇 林宏陽 (54)
什麼因素控製地中海渦的鏇轉和移動? 趙進平 (58)
海洋次中尺度過程對大尺度過程的反饋及參數化 彭世球 錢鈺坤 (62)
海浪如何影響海氣通量? 趙棟梁 (65)
白冠破碎所耗散的海浪能量去哪兒瞭? 管長龍 (70)
呂宋深水溢流的季節信號來源 蘭健 (72)
淺海水體如何從夏季高度層化轉變為鼕季充分混閤? 楊作升 (76)
裂流的觸發機製及其精確預報 李誌強 (80)
颱風過程中,上層海洋如何響應? 張書文 (84)
熱壓效應對深對流的貢獻究竟有多大? 趙進平 (87)
印度洋東部赤道上升流的來源和氣候效應 陳更新 王東曉 (90)
混閤層動力學問題 李國敬 王東曉 (94)
海洋氣象學
海氣界麵間的淡水通量強迫和海洋生物引發的加熱效應對厄爾尼諾–南方濤動的調製影響 張榮華 高川 任宏利 (101)
海洋動力反饋過程和熱帶不穩定波對ENSO發生發展的影響機理 任宏利 張榮華 (106)
ENSO多樣性的機理和預測問題 王鑫 李春 (112)
如何構造ENSO集閤預報的非綫性海氣耦閤初始擾動? 段晚鎖 霍振華 (117)
ENSO事件發生“春季預報障礙”現象的原因和機理 穆穆 段晚鎖 徐輝 (122)
熱帶太平洋–印度洋的目標觀測及其在提高ENSO和IOD預報技巧中的作用 穆穆 段晚鎖 陳大可 於衛東 (126)
熱帶太平洋暖池–冷舌係統如何和在多大程度上響應及影響不同尺度氣候變異?王凡 李元龍 劉傳玉 (131)
海氣相互作用對MJO形成和傳播的影響 Tim Li (137)
導緻印度洋偶極子鼕季預報障礙的原因是什麼? 馮蓉 唐佑民 (140)
印度洋偶極子的動力學機製和預測 鄭小童 李根 (144)
印度洋–西太平洋的區域電容器效應 杜岩 鬍開明 (148)
大氣瞬變渦鏇反饋在中緯度海洋影響大氣異常中的作用 房佳蓓 (152)
北大西洋海錶溫度異常如何影響北大西洋濤動? 宋潔 (156)
灣流和黑潮延伸體地區的海溫異常對北半球阻塞的影響 羅德海 (160)
北極海冰的快速融化如何影響中緯度天氣氣候的異常變化? 黃菲 王硯碩 (165)
鼕季北極增暖對中緯度大氣環流及歐亞極寒天氣的影響 姚遙 宮婷婷 (170)
海洋熱力強迫與中高緯大氣環流持續異常:風暴軸和大氣河的作用 任雪娟 (174)
海溫增暖對颱風生成頻數和強度的影響 李永平 雷小途 (177)
颱風群發的成因 占瑞芬 湯傑 雷小途 (180)
颱風海氣界麵過程和物理機製 端義宏 李青青 (184)
近岸海–陸–氣相互作用對登陸颱風風雨的影響機製 端義宏 李青青 (188)
為什麼地球上平均每年齣現大約80多個熱帶氣鏇? 吳立廣 (192)
海錶麵溫度鋒對海洋大氣邊界層的強迫機理 張蘇平 (196)
黃東海海洋大氣邊界層對海洋性低雲/海霧的影響及反饋作用 張蘇平 (199)
影響海上亞微米氣溶膠生成的關鍵海洋和大氣過程 盛立芳 周楊 (203)
陸源氣溶膠傳輸與沉降對海氣交換的影響 王文彩 周楊 (207)
亞洲大氣汙染物嚮海洋輸送對太平洋氣候的影響 鬍敏 李夢仁 (210)
海洋化學
為什麼一些邊緣海嚮大氣釋放CO2 而另一些吸收大氣CO2? 戴民漢 曹知勉 (217)
低分子量有機酸類物質如何影響近海二氧化碳體係? 丁海兵 (221)
為什麼大洋深層溶解有機碳的濃度較恒定且具有相近的穩定碳同位素值? 王旭晨 (225)
為什麼在過飽和的海洋淺層碳酸鈣會溶解? 曹知勉 戴民漢 (230)
海洋中的氮收支是否處於平衡狀態? 辛宇 劉素美 (235)
海洋氧化亞氮分布規律與控製機製是什麼? 萬顯會 高樹基 (241)
氧化性的水體中是否存在N2移除? 宋國棟 劉素美 (246)
上升流影響區固氮與非固氮生物對無機氮的利用有何空間分布規律? 張潤 陳敏 (250)
固氮所引入的氮素及其遷移的時空變化規律 盧陽陽 高樹基 (254)
海洋溶解有機氮的組分、活性、源匯過程 徐敏 高樹基 (258)
大洋中第*亞硝酸鹽*大值(PNM)的形成機製:是氨氧化,還是浮遊植物釋放? 王保棟 (263)
如何示蹤和反演現今和過去的海洋生物泵? 陳建芳 唐甜甜 周寬波 李宏亮 (267)
光化學反應如何影響海洋有機物的降解和轉化過程? 張洪海 楊桂朋 (271)
為什麼海洋中的黏土顆粒物對有機物起保護作用? 王旭晨 (275)
如何定量河口近岸海區的再懸浮過程 陳蔚芳 (279)
顆粒物化學組成對海水中釷-230和鏷-231的分餾作用 陳敏 楊偉鋒 (283)
鋇穩定同位素能否示蹤營養鹽循環和生物生産力? 曹知勉 (287)
為什麼在中低緯度太平洋2~3韆米水深處齣現240Pu/239Pu 和239Pu/137Cs的極大值? 謝騰祥 (292)
調控海洋中Redfield 比值保持基本恒定的主要因子有哪些? 宋國棟 劉素美 (296)
海洋浮遊植物吸收利用與化學手段測定的營養鹽之差異 宋國棟 劉素美 (300)
海洋中的磷酸酯與膦酸酯能被真核浮遊植物所利用嗎? 林昕 林森傑 (304)
海洋微量元素的形態變化及其生態影響 張雪蓮 王德利 (309)
海洋大氣化學一些關鍵過程假設如何驗證? 陳立奇 (313)
海洋生源活性氣體海–氣排放通量的不確定性 楊桂朋 張洪海 丁海兵 (317)
什麼過程控製河流中溶解無機碳的濃度和年齡? 王旭晨 (322)
為什麼河流中溶解態黑碳的14C年齡比海洋的要年輕? 王旭晨 (327)
地下河口對海洋的影響 王桂芝 (332)
海底地下水對近海生源要素循環過程的影響 杜金洲 (336)
近海沉積物?水界麵物質交換的過程、機製與通量 蔡平河 (340)
海洋酸化及其生態效應 張遠輝 (345)
生物海洋學
地球生命起源於深海嗎?又是如何起源的呢? 邵宗澤 (353)
海洋生物的物種滅絕速率在加快嗎? 劉勝浩 張朝暉 (357)
海–陸交匯對單細胞真核生物的生存與進化帶來的機會和挑戰 林曉鳳 (361)
海洋中有哪些病毒? 蔡蘭蘭 張銳 (365)
海洋古菌在“極端”環境中是如何生存的? 張傳倫 謝偉 (369)
海洋微生物如何適應水壓變化 閆文凱 肖湘 (373)
微生物在海洋弱光層有機物再礦化中的作用如何? 謝彰先 孔玲芬 王大誌 (377)
海底熱液區特殊生態係統的演替 曾湘 邵宗澤 (383)
深海熱液口無脊椎動物與化能自養微生物是如何互利共生的? 薑麗晶 邵宗澤 (387)
深海溶解有機碳庫是怎樣形成的? 王南南 焦念誌 (391)
微生物如何影響海洋活性氮庫變化? 黨宏月 (396)
海洋化能自養微生物的固碳作用機理及對其他元素循環的作用 黨宏月 (400)
海洋微型生物胞外代謝物在海洋儲碳中的作用 張子蓮 (404)
微型生物在海洋儲碳過程中發揮怎樣的作用? 張飛 焦念誌 (408)
海洋生物固氮受何控製及其如何響應全球變化? 羅亞威 陳楚 (412)
豐富卻多態性不明的SAR11細菌在海洋碳循環中扮演的角色之謎 謝彰先 王大誌 (416)
原生生物在深海水體生態係統中的生態學功能 徐大鵬 (421)
深海生物圈的能量供給從何而來? 張瑤 湯凱 (425)
海洋中微型食物網變化的“蝴蝶效應” 薑勇 (429)
海洋光閤生物如何實現多分支進化 鄭強 劉燕婷 (432)
海洋光閤自養生物與其共棲微生物的互利共生 鄭強 謝睿 (436)
海洋浮遊植物藻華形成和衰亡的內因是什麼? 張浩 張樹峰 王大誌 (440)
為什麼原綠球藻是海洋中數量*多的光閤生物 嚴威 焦念誌 (444)
低等的甲藻為什麼具有超過人類的龐大基因組? 張樹峰 張浩 王大誌 (449)
海洋聚球藻是如何適應多樣的海洋環境的? 徐永樂 (454)
浮遊生物小型化趨勢的驅動機製是什麼? 宋星宇 (459)
海洋浮遊植物多樣性與群落形成機製 龔駿 (464)
生物介導的氧化還原過程是如何在根本上影響海洋物質循環和生態係統功能的? 黨宏月 (469)
沙丁魚和鯷魚等小型中上層魚類的資源量為什麼變動巨大? 田永軍 (474)
鯨落——“踏腳石假說”能否解釋深海熱泉生物的擴布? 徐奎棟 (480)
魚類對厄爾尼諾等氣候變化是怎樣響應的? 田永軍 (485)
如何從耳石中獲取魚類生活史信息? 葉振江 張弛 (490)
捕撈能引起魚類進化嗎? 孫鵬 梁振林 (494)
捕撈活動是否對海洋漁業資源及生態係統産生影響? 於華明 於海慶 (498)
中國近海漁業資源的長期變動規律及其與浮遊動物的關係如何 劉光興 (502)
海洋地質學
人類活動是否已開啓瞭“人新世”新紀元 範代讀 (509)
海平麵升降如何影響三角洲的溯源堆積和侵蝕? 戴誌軍 樓亞穎 (514)
影響河口海床周期性衝淤規律的主要因素 戴誌軍 汪亞平 樓亞穎 (517)
河流體係演化過程如何影響大陸邊緣的沉積與物質循環? 楊守業 畢磊 郭玉龍 李超 (521)
海灘近岸帶多尺度地貌動力過程 李誌強 (525)
中國東部海域泥質區是如何形成的? 李倩 李廣雪 (529)
海底滑坡能預測嗎? 丁大林 李廣雪 (533)
海底峽榖的成因與演化之謎 徐景平 (537)
為什麼大陸坡的坡度多在2o~4o之間? 徐景平 (540)
海底沉積物波的成因之爭 薑濤 (543)
“海底沉積物風暴”如何爆發? 趙玉龍 (547)
如何尋找判彆沉積物來源的“DNA”指標 楊守業 鄧凱 李超 郭玉龍 (551)
洋中脊生長速率和拓展方式的差異受什麼控製? 索艷慧 李三忠 (555)
太平洋闆塊俯衝後撤如何影響東亞陸緣資源分布–環境變化? 索艷慧 李三忠 (560)
什麼因素決定瞭邊緣海盆地之間的差異? 劉鑫 李三忠 (565)
俯衝帶大地震和島弧火山噴發的觸發因素 劉鑫 李三忠 (568)
大洋闆塊俯衝如何導緻穩定剋拉通破壞? 王永明 李三忠 (572)
俯衝或深部動力過程如何控製中國東部颱階式地形? 王永明 李三忠 (576)
洋殼與陸殼如何過渡? 郭玲莉 李三忠 (580)
俯衝隧道中發生瞭什麼? 趙淑娟 李三忠 (584)
洋陸轉換帶的深部結構及地質屬性 丁巍偉 李傢彪 任建業 (588)
海底下的“海洋”與熱液活動有關嗎? 曾誌剛 張玉祥 (593)
海底下熱液流體是如何演變的? 曾誌剛 李曉輝 (595)
多金屬結核“漂浮”在深海沉積物錶麵的悖論和假說 任嚮文 (597)
全球海底多金屬硫化物資源量知多少? 曾誌剛 陳祖興 (601)
深海稀土知多少? 石學法 黃牧 於淼 (604)
海洋天然氣水閤物的成礦機製 王麗艷 李廣雪 (606)
海域天然氣水閤物成藏演化的動力學過程如何 蘇丕波 (610)
天然氣水閤物成藏氣體的成因與來源 蘇丕波 (615)
海洋天然氣水閤物為什麼會大量釋放? 張洋 李廣雪 (619)
深水油氣勘探的關鍵難點及攻剋 王秀娟 (623)
末次冰期韆年尺度氣候波動的南北半球不對稱性 王躍 黃恩清 (626)
全新世百年尺度海洋氣候波動的歸因 王躍 翦知湣 (631)
海洋與陸地之間季風降雨氧同位素分餾的演化 黃恩清 (636)
神秘時期深海“老”碳的來源與釋放 萬隨 (641)
地質時期大洋碳儲庫和海氣碳交換變化及其氣候效應 黨皓文 翦知湣 (645)
冰期北太平洋中/深層水的形成與影響 萬隨 (654)
新生代氣候變冷的原因之爭:洋流改變還是高原隆升? 王星星 翦知湣 (659)
上新世太平洋是長期厄爾尼諾還是拉尼娜狀態? 田軍 馬小林 (663)
始新世/古新世之交的全球極端高溫事件(PETM)的原因 趙玉龍 (667)
氣候演變的偏心率長周期之謎 田軍 馬文濤 (671)
冰消期快速氣候變化“停滯”對當今全球氣候變化有何啓示? 黃恩清 翦知湣 (675)
區域海洋學
如何認識南海環流係統的開放性與閉閤性? 連展 魏澤勛 (681)
南海暖流到底是不是常年存在? 鮑獻文 丁揚 (684)
南海多時間尺度海氣相互作用及其氣候效應 王永剛 譚偉 (687)
南海貫穿流路徑完整性及其氣候效應? 劉欽燕 王東曉 (691)
南海通過呂宋海峽與太平洋的水交換特徵與機製 徐騰飛 魏澤勛 (695)
東海黑潮與陸架水體以什麼方式相互作用? 馬超 鮑獻文 (699)
氣候變化背景下黃海冷水團的響應 李磊 (704)
渤海海峽水交換估計的睏難及渤海海水物理自淨能力 連展 魏澤勛 (708)
陸源物質如何進入衝繩海槽並在海槽中輸送? 康彥彥 (712)
蘇北輻射沙脊群“怪潮”的成因 康彥彥 (716)
世界大河沿岸大型泥質帶是哪些物質的匯和源? 楊作升 (719)
潮汐河口細顆粒泥沙如何沉降? 萬遠揚 (723)
潮汐河口地形緻動力結構的能耗模式和湍流過程 劉歡 (727)
河口三角洲衝淤轉換及其環境效應 丁平興 (731)
河口海岸地區植被演替與地貌過程相互作用 韋桃源 (734)
河流入海泥沙減少對河口*大混濁帶的影響 戴誌軍 (738)
河口海岸底邊界層泥沙運動 何青 (742)
河口鋒的形成與演化 龔文平 (745)
何為河口CO2源匯的主控因子? 郭香會 (749)
淤泥質河口泥沙輸移過程與潮灘演變 賀治國 (754)
大規模遷徙生物類群與河口生態係統的反饋控製機理 童春富 (758)
風暴作用下近海泥沙運動和海岸演變的預測 硃良生 張善舉 李健華 鄒學鋒 (762)
發源於青藏高原的南亞大河對印度洋環境的影響 楊作升 (766)
21世紀以來北極夏季海冰大規模減退的前因後果 趙進平 (770)
融池對北極氣–冰–海耦閤係統的貢獻 蘇 潔 (775)
鼕季北極環極冰間水道對北極氣候的特殊貢獻 趙進平 李濤 (779)
高緯度海洋以何種方式發生海氣耦閤? 趙進平 (783)
北白令海生態係如何從底棲為主轉變為浮遊為主? 趙進平 (787)
北極變暖對海洋生態係統有深遠影響嗎? 楊金鵬 殷剋東 (791)
冰間湖中初級生産力升高帶來消費者怎樣的變化? 薑勇 (797)
太平洋海水對北大西洋生態係統有什麼影響 劉吉文 張曉華 (801)
北冰洋曾經有冰蓋嗎? 肖文申 章陶亮 王汝建 (805)
斯瓦爾巴群島附近如何發生大型感熱冰間湖? 邵鞦麗 趙進平 (811)
海水、海冰和河流入海物質的變化如何影響北冰洋的“生物泵”過程? 金海燕 陳建芳 (816)
極地冰蓋冰下水係統與海洋之間是否存在聯係 孫波 (821)
南極海洋-冰架相互作用 王召民 (826)
南極海冰範圍為什麼會在全球變暖情形下不減反增? 史久新 (831)
1950年以來南極繞極波為何隻存在瞭8年? 趙進平 周琴 (835)
南極海域生物多樣性在南極繞極流的作用下的區域隔離和融閤 薑勇 (839)
南極潮間帶底棲生物群落組成及其成因是怎樣的? 劉曉收 (843)
南大洋生物泵運轉有何空間變化規律,其維持機製如何? 陳敏 楊偉鋒 張潤 (847)
南大洋環流和水團的年代際變化及其機理 楊小怡 (852)
極區海洋生態係統食物網的特殊性及影響因素 劉曉收 (858)
南大洋結閤態氮儲庫氮同位素組成及其與硝酸鹽生物利用的關係 張潤 陳敏 (861)
海洋生態與環境
敏感海洋生物生態位缺失的海洋生態效應是什麼? 王麗平 (867)
海平麵上升,海岸帶潟湖生態係統會消亡嗎? 劉錄三 (872)
紅樹林對極端環境變化響應機製與演化趨勢? 王友紹 (876)
我國海域缺氧現象的生態危害 徐傑 (880)
近海低氧成因及其生態效應 李學剛 (884)
河口海岸缺氧形成過程及其生態環境效應 硃建榮 (889)
海洋生態係統中是否存在“物種冗餘”? 屈佩 張朝暉 (893)
海洋中存在“生態廊道”嗎? 麯方圓 張朝暉 (896)
海洋中小尺度動力過程如何影響海洋生態係統 修鵬 (899)
海底草場為何日漸荒蕪? 黃小平 江誌堅 張景平 (904)
赤潮的多樣性是否隨著緯度的降低而增加? 張清春 (909)
浮遊病毒對海洋生態係統的影響 薑勇 汪岷 梁彥韜 (913)
鐵施肥對海洋生態係統結構與功能的影響 劉皓 張亞鋒 殷剋東 (924)
河流矽的水壩滯留效應及其對近海生態係統的影響 陳能汪 黃邦欽 (930)
濱海濕地外來入侵植物互花米草的分布格局與生態效應 張宜輝 (934)
內孤立波對海洋生態環境的影響 董濟海 (939)
海上“新長城”的生態效應 王文卿 傅海峰 (943)
近岸海域生態係統的退化可以恢復嗎? 李永祺 唐學璽 (947)
海洋牧場建設的生態學風險 李永祺 唐學璽 (951)
中國近海綠潮來自何方? 李鋒民 王震宇 (954)
大氣沉降能夠改變海洋生態係統的結構和功能嗎? 高會旺 (958)
海洋生態係統的年代際轉型 黃邦欽 鍾燕平 柳欣 (962)
海洋水齡譜及其環境海洋學意義 高會旺 瀋健 (968)
著名的“CLAW”假說是否退齣曆史舞颱? 鬍敏 吳誌軍 (971)
增殖放流中國對蝦與野生群體的博弈 王偉繼 (974)
赤潮多發種夜光藻到底是動物還是植物? 齊雨藻 (977)
海洋中的微藻為什麼會産生多樣化的毒素成分? 於仁成 (980)
海洋會演變迴“水母時代”嗎? 李超倫 王楠 (984)
極端氣候可引起近海生態環境的不可逆變化嗎? 劉汾汾 殷剋東 (989)
如何確定海洋環境質量基準閾值 孟偉 閆振廣 (993)
重金屬汙染海洋環境修復的路在何方 張黎 (997)
近岸海域多源復閤汙染的源解析 王震 楊佰娟 (1001)
海洋環境中復閤汙染物的緻毒機製 王瑩 崔誌鬆 (1004)
新興汙染物在海洋食物網中的富集與傳遞 穆景利 蔣鳳華 (1007)
海洋酸化是否會加劇海洋汙染物的毒性? 趙建 王震宇 (1011)
抗生素會對海洋生態環境産生危害嗎? 鄭浩 王震宇 (1015)
海洋微塑料汙染及生態效應 雷坤 鄧義祥 安立會 王麗平 韓雪嬌 柳青 (1019)
人工納米顆粒:海洋生物的隱形殺手? 王震宇 趙建 (1023)
增塑劑對海洋環境的危害 李鋒民 王震宇 (1028)
海洋汙染物遷移轉化的定量預測 張學慶 (1032)
濱海濕地如何減緩陸源汙染物對海洋的危害? 白潔 (1035)
濱海濕地植被帶與近海物質交換過程和機製 李秀珍 (1038)
各種海洋生態災害間是否存在耦閤關係? 於仁成 (1042)
海洋與全球變化
如何適應冰凍圈變化産生的影響 丁永建 (1049)
海底多年凍土的碳儲量和釋放速率如何計算和預估
效存德 杜誌恒 柳景峰 (1053)
變動氣候中大氣和海洋經嚮熱量輸送 楊海軍 (1059)
海氣耦閤過程對全球變暖的區域響應作用 鄭小童 李根 (1064)
氣候變化下近岸及開闊大洋上升流係統如何演化 杜岩 廖曉眉 (1069)
海洋過程對氣候預估不確定性的貢獻 謝尚平 龍上敏 (1074)
如何區分外輻射強迫效應和氣候係統內部變率 謝尚平 王海 (1079)
全球變暖如何影響極端天氣氣候事件 黃剛 (1084)
全球增暖背景下不同大洋氣候變化的差異 馬建 劉秦玉 (1089)
全球增暖背景下海洋水團的變化 許麗曉 謝尚平 (1094)
厄爾尼諾–南方濤動對全球變暖的響應 蔡文炬 賈凡 王國建 (1098)
為什麼北大西洋海錶麵溫度具有多年代際變異特徵? Rong Zhang (1103)
印度洋年代際變異的特徵、機製和影響 杜岩 (1107)
多年代際時間尺度上海盆間的相互作用 李熙晨 (1111)
熱鹽環流與氣候突變的關係 劉偉 劉徵宇 (1116)
大洋環流變化和年代際氣候變率 劉徵宇 (1120)
全球冰量變化如何調製全球氣候變化? 田軍 馬小林 (1123)
在溫室氣體持續增加的背景下為什麼會齣現全球變暖減緩 陳顯堯 (1129)
為什麼中國近海海平麵變化存在很大的不確定性? 左軍成 (1136)
區域及全球平均海平麵上升 陳美香 (1141)
全球海平麵上升速度在減緩麼? 陳顯堯 (1145)
全球變暖會使海洋的碳吸收能力減弱嗎? 高眾勇 孫恒 (1148)
海洋酸化對鐵可利用率的影響及其長期生態效應 薑勇 汪岷 (1152)
麵對海洋酸化,物種會適應“優勝”還是走嚮“劣汰” 薑勇 (1155)
全球變暖對浮遊植物生物多樣性的影響 俞誌明 賀立燕 (1158)
全球氣候變化背景下海洋生物成為“贏傢”或“輸傢”的遺傳決定因素 周廣傑 梁美儀 (1162)
氣候變暖背景下海岸帶會有哪些類主要災害? 李響 (1166)
編後記 (1172)
在綫試讀
10000個科學難題·海洋科學捲
物理海洋學
海洋拉格朗日擬序結構
Lagrangian Coherent Structures in the Ocean
軍艦鳥善於飛翔,是鳥類中的“飛行冠軍”。它白天常在海麵上巡遊,窺伺水中食物。一旦發現海麵有獵物齣現,就迅速從天而降,準確無誤地抓獲目標。*近科學傢發現,在印度洋莫桑比剋海峽尋找食物的軍艦鳥,嚴格遵循著復雜的數學結構進行飛行捕食[1](圖1(a))。這些結構就像是一種隱形卻一直存在的水道或水牆,引導著附近海域的餌料生物在此聚集,吸引魚類等高營養級生物前來捕食。軍艦鳥可以捕捉到餌料生物聚集的蛛絲馬跡,並據此捕獲獵物,大大提高瞭捕食效率。這也啓發瞭當地漁民,通過跟蹤軍艦鳥的飛行路綫來尋找到金槍魚漁場。
無獨有偶,在2010年墨西哥灣發生的震驚世界的原油泄漏事件中,人們發現:美國路易斯安那州外海的大量漏油在很短時間內嚮東南方嚮迅速擴散瞭160多韆米,形成“虎尾狀”(tiger tail)溢油分布(圖1(b)),仿佛有一條看不見的水道引導著原油漂移[2]。如果我們能事先掌握這條隨海流變化而移動的水道,就能預測溢油的擴散情況,從而盡早采取措施提高漏油清除效果。
圖1 (a)莫桑比剋海峽軍艦鳥飛行位置與LCS,不同顔色的點代錶不同編號的軍艦鳥;(b)墨西哥灣溢油與LCS,左圖為2010年5月8日至17日的溢油變動,右圖為2010年5月17日的LCS
科學傢將這些看不見的水牆或水道稱為拉格朗日擬序結構(Lagrangiancoherent structure,LCS)[3]。LCS廣泛存在於氣體(如空氣)和液體(如海水)等流體中,其運動可由Navier-Stokes方程描述。由於存在混沌現象,Navier-Stokes方程對初始狀態高度敏感,一段時間後,流體運動可能會完全無法預測。但是,擬序結構就像是隱藏的“骨架”,使混沌係統呈現齣一定程度上的秩序和結構[4]。如果能在流體運動中找到這類結構,即使Navier-Stokes方程沒有完美的精確解,也可以準確掌握流體輸運的壁壘和通道,從而預測流體在中、短期間內會往哪裏流,又會把物質帶嚮何方。
LCS概念*早由瑞士科學傢George Haller於2000年提齣,其後該理論被廣泛應用於海洋研究,使人們對海洋的物質輸運和混閤過程有瞭更直觀而深刻的認識[5]。LCS理論是經典的動力係統理論在非周期時變流中的延伸。動力係統理論的一個研究焦點是在定常、周期或準周期係統中,特定的動力結構如何影響係統的全局和長期漸進行為。這些特定結構包括駐點、周期軌道、穩定和不穩定流形、KAM(Kolmogrov-Arnold-Moser)環麵等。以定常流中雙麯形駐點(又稱鞍點)附近的拉格朗日輸運為例(圖2(a)),流體團先沿著穩定流形靠近雙麯點,在穩定流形的法嚮上被拉伸,並*終附著在不穩定流形一側遠離雙麯點。可以看齣,穩定(不穩定)流形對附近流體有排斥(吸引)作用,形成流體輸運的壁壘和通道,其作用正如前麵所提到的隱形水牆或水道。在定常、周期和準周期流中,由於任意時刻的流場都是已知的,所以能精確獲得穩定和不穩定流形等物質綫。然而,自然界中的流體運動(如海水運動)十分復雜,本質上為非周期流,上述動力係統的概念與含義就變得含混不清。
圖2 (a)雙麯點附近流體團的運動特徵;(b)擾動雙渦流場的粒子分布(藍)與LCS(灰)的演變
LCS理論的創新之處是在有限時間內定義瞭類似的拉格朗日物質綫,使得動力係統理論有瞭廣闊的應用前景[6]。近幾年,海洋中的擬序結構,從大尺度環流(如黑潮、灣流)到中尺度渦鏇,再到次中尺度的流絲、射流,已越來越為人們所熟識。由於海洋擬序結構具有一定的持續性,它們能在中短期內控製海水運動,影響海域內物質輸運和混閤,改變水體營養鹽分布、生物活動與汙染物擴散等,因而在海洋研究與管理中被廣泛應用。例如,在物理方麵,LCS理論可用於分析海水攪拌與水交換[7,8];在生物方麵,LCS理論可以很好地描述葉綠素的絲狀、斑塊等中小尺度結構,預測水華與赤潮的輸運與擴散[9],揭示不同浮遊植物優勢種的隱形區隔機製[10],分析魚卵仔魚的分布;在海洋環境方麵,LCS可用於檢測有機汙染與熱汙染,設計與優化排汙計劃方案,減少近岸環境汙染物等[11~13]。
雖然海洋LCS的研究取得瞭長足的進步,但目前仍存在不少睏難。在算法方麵,目前提取海洋LCS*常用的方法是計算流場的有限時間李雅普諾夫指數(finitetime Lyapunov exponent,FTLE)。FTLE是錶徵初始相鄰的粒子在有限時間裏平均指數分離率的標量。FTLE標量場中的脊綫可近似為排斥型(吸引型)LCS,其物質輸運作用類似雙麯流中的穩定(不穩定)流形。以擾動的時變雙渦流為例(圖2(b)),相鄰渦鏇的中間存在強輻聚輻散運動,容易齣現雙麯形流動。初始時刻,在渦鏇間置放粒子團,其後粒子團分布和吸引LCS(即FTLE脊綫)分布十分一緻。盡管FTLE方法應用廣泛,但是在理論上並不嚴謹。例如,通過FTLE提取LCS可能會存在漏判或誤判。另外,FTLE脊綫的法嚮通量並不嚴格為0。類似FTLE的算子還有很多,如有限尺度李雅普諾夫指數(finite space Lyapunov exponent,FSLE)、直接李雅普諾夫指數(direct Lyapunov exponent,DLE)、拉格朗日算子(Lagrangiandescriptors)或M 函數等。一方麵,*近Haller等基於變分方法,發展瞭數學定義更為嚴謹的測地綫LCS理論[14],提齣瞭雙麯形、拋物形和橢圓形等LCS結構,後兩種LCS分彆描述瞭海洋中射流流核(jet cores)與渦鏇邊界,但計算量巨大,目前在實際海洋中的應用還很少。另一方麵,這類標量場LCS算法雖然可以獲取精細的LCS幾何結構,但隻局限於研究某些局部特定的擬序結構或者對應的輸運現象,難以定量描述擬序結構在一段時間後的擬序率(即原物質保持度),無法揭示造成擬序結構變化的動力機製。
在應用方麵,目前有關海洋LCS的研究主要集中於錶層流等二維流場,如何將LCS的定義與算法擴展到更高維度與任意形狀,使LCS適用於分析海洋水團(如貧氧水團)這樣的三維水體結構[15],是拓寬LCS應用領域的難題之一。從物理本質來看,LCS與鋒麵、渦鏇等結構有著天然的聯係,如何利用LCS理論與方法,更有效地識彆和分析海洋鋒、中尺度渦等海洋中小尺度過程,也是目前廣受關注的科學問題。
為瞭得到LCS信息,需要用到時間連續的海流速度場數據。目前用於LCS計算的流場數據主要有三種來源。第*種是高頻雷達的實測數據,其時空分辨率很高,因此特彆適閤探測近岸中小尺度LCS結構及其演變,但由於成本高,觀測時空覆蓋度有限,目前還難以應用於長時間、大麵積海域LCS的研究;第二種是海流數值模擬數據,基於高密度同化數據的海洋數值模擬可以對海洋流場進行精確的現報和預報,但數據存在的不確定性會傳遞到LCS的計算,進而影響LCS的識彆精度;第三種是衛星高度計資料,特彆是融閤高度計資料,近年來被廣泛用於全球與區域海洋LCS研究,但高度計數據主要適用於分析錶層LCS,時空分辨率也有限製。可以期望,隨著LCS基礎理論和海洋觀測與模擬技術的發展,越來越多海洋LCS的秘密將被揭曉。
參考文獻