利用地震海洋學(xué)方法估算南海中尺度渦的地轉(zhuǎn)流速

黃興輝，宋海斌，拜 陽(yáng)，劉伯然，陳江欣

1 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

1 引 言

中尺度渦在海洋中廣泛分布、大量存在.其生成、演化及消亡過(guò)程無(wú)不伴隨有能量的吸收與耗散，因而對(duì)它的觀測(cè)與研究是認(rèn)識(shí)海洋內(nèi)部能量傳遞機(jī)制的關(guān)鍵.由于傳統(tǒng)的海洋學(xué)觀測(cè)手段多為定點(diǎn)觀測(cè)，橫向分辨率一般較低且觀測(cè)一個(gè)站位需要的時(shí)間較長(zhǎng)，很難看到渦旋的空間結(jié)構(gòu).海流速度是描述渦旋的重要參量，物理海洋學(xué)家經(jīng)常在‘地轉(zhuǎn)平衡’的假設(shè)前提之下，利用易于直接測(cè)量的海洋學(xué)數(shù)據(jù)（溫度、鹽度等）計(jì)算水平速度的斜壓分量，比較常用的方法有Helland－Hansen公式方法和β螺旋方法等.當(dāng)然，計(jì)算結(jié)果的空間分辨率比較低，海流速度的空間分布是難以企及的.隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展及其在海洋學(xué)研究中日漸廣泛的應(yīng)用，海面高度數(shù)據(jù)也經(jīng)常被用于識(shí)別中尺度渦和計(jì)算海表面地轉(zhuǎn)流速度.衛(wèi)星遙感觀測(cè)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)和全球覆蓋，但是其時(shí)空分辨率都較低，且只能得到渦旋和地轉(zhuǎn)流速度的海表面數(shù)據(jù)，在中尺度渦的研究中只能起到輔助的作用.

2003年Holbrook等［1］成功地將反射地震方法引入到海水溫鹽細(xì)結(jié)構(gòu)的研究當(dāng)中，從而開(kāi)創(chuàng)了一門(mén)新學(xué)科——地震海洋學(xué)（Seismic Oceanography）.與傳統(tǒng)的海洋學(xué)觀測(cè)手段不同，地震海洋學(xué)采用‘走航觀測(cè)’的方式，測(cè)量速度快、橫向分辨率高、可以實(shí)現(xiàn)全深度成像，自其誕生伊始就迅速得到廣大海洋學(xué)家的普遍關(guān)注和接受［2－3］.地震海洋學(xué)可以提供海水波阻抗（聲速乘以密度）的垂向梯度在震源子波時(shí)間尺度上的平滑圖像［4］，因而在認(rèn)識(shí)海洋學(xué)現(xiàn)象的空間結(jié)構(gòu)及橫向展布方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì).目前為止，地震海洋學(xué)已經(jīng)在識(shí)別諸如內(nèi)波［5］、地中海渦旋［6－7］、潛流［8］、海洋鋒面［1，9］、溫鹽階梯［10－11］等多種海洋學(xué)現(xiàn)象方面取得了良好的應(yīng)用.同時(shí)，可以使用相對(duì)成熟的反射地震學(xué)反演方法從地震數(shù)據(jù)反演溫度、鹽度等海洋學(xué)參數(shù)［12－15］以進(jìn)行進(jìn)一步的研究.另外，在反射同相軸與等密線平行或重合的假設(shè)前提之下還可以直接從地震剖面出發(fā)計(jì)算內(nèi)波譜［16－20］、混合率［21］、地轉(zhuǎn)流速的垂向梯度（地轉(zhuǎn)剪切，Geostrophic Shear）［22］等海洋學(xué)參數(shù).

南海是西太平洋最大的邊緣海.受地形、季風(fēng)以及黑潮的影響，南海呈現(xiàn)出復(fù)雜的多渦結(jié)構(gòu).Hwang等［23］利用1993—1999年的 TOPEX／Poseidon月平均資料統(tǒng)計(jì)了南海的中尺度渦，結(jié)果顯示，在這7年內(nèi)南海共出現(xiàn)了218個(gè)渦旋，其中包括94個(gè)冷渦，124個(gè)暖渦.他指出，受季風(fēng)的影響，南海渦旋在冬季多為氣旋渦而在夏季多為反氣旋渦.Wang等［24］利用1993—2000年的TOPEX／Poseidon數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出南海海域58個(gè)反氣旋渦和28個(gè)氣旋渦，討論了它們的生命周期、半徑、強(qiáng)度等，并根據(jù)渦旋的初始生成位置將南海分為了四個(gè)區(qū)域.同時(shí)，南海構(gòu)造演化過(guò)程的科研價(jià)值和石油天然氣的資源意義使其一直以來(lái)都是全世界研究的熱點(diǎn).大量的海洋反射地震資料為南海的地震海洋學(xué)研究提供了便利條件.通過(guò)對(duì)南海地震數(shù)據(jù)的重新處理，我們首次在地震剖面上清晰地觀測(cè)到了透鏡狀結(jié)構(gòu).它位于南海西南次海盆（～113.6°E，11.4°N），中心深度約為450m，中心厚度約為300m，半徑約為55～65km，具有典型的中尺度渦特征，綜合解釋為反氣旋.我們進(jìn)一步利用地震海洋學(xué)方法估算了地轉(zhuǎn)剪切和地轉(zhuǎn)流速，結(jié)果表明，地轉(zhuǎn)流速度最大值約為0.7m／s，出現(xiàn)在400～450m處，對(duì)應(yīng)于渦旋的中心深度.

2 地震數(shù)據(jù)

本研究使用的地震數(shù)據(jù)由南海大陸邊緣動(dòng)力學(xué)973項(xiàng)目委托廣州地質(zhì)調(diào)查局利用探寶號(hào)調(diào)查船于2009年5月30日—6月1日采集自南海西南次海盆，測(cè)線號(hào)為NH973－01B，位置如圖1所示.為避開(kāi)大潮時(shí)段，調(diào)查曾中斷將近5h，圖1中以不同顏色的測(cè)線標(biāo)出.本次地震調(diào)查震源系統(tǒng)采用BOLT槍陣，近炮檢距為250m，炮間距為37.5m.記錄采用480道水聽(tīng)器，道間距為12.5m.記錄總長(zhǎng)度為12s，采樣間隔為2ms.

圖1 觀測(cè)海域的海底地形和地震測(cè)線及渦旋的位置.藍(lán)線和黑線位置連續(xù)，但調(diào)查時(shí)間間隔將近5h，綠線為藍(lán)線的一部分，指示渦旋的空間范圍Fig.1 Seafloor topography in the study area and locations of the seismic line and mesoscale eddy.The blue line and black line represent the seismic section with the time gap of nearly 5hours，the green line is part of the blue line，represents the range of mesoscale eddy

地震數(shù)據(jù)處理過(guò)程首先以時(shí)間窗0～6s，空間窗1～240道將地震數(shù)據(jù)中能夠反映海水水體反射波信息的部分截取出來(lái)，然后進(jìn)行常規(guī)的處理工作，包括定義觀測(cè)系統(tǒng)、去除直達(dá)波、濾波、速度分析、動(dòng)校正和疊加處理.強(qiáng)烈的直達(dá)波能量掩蓋了相對(duì)微弱的水體反射波能量，因此去除直達(dá)波是必要的.我們采用的是匹配相減法.處理后的地震剖面如圖2，圖3所示.由于本次調(diào)查為海洋地球物理調(diào)查，缺乏與之同時(shí)測(cè)量的溫度、鹽度等海洋學(xué)數(shù)據(jù).我們使用來(lái)自于AVISO的海面高度異常（Sea Level Anomalies）和地轉(zhuǎn)流速度（Geostrophic Currents）（日期為2009年5月27日，與地震觀測(cè)接近）輔助解釋，如圖4所示.

3 地轉(zhuǎn)流速的垂向梯度的估算方法

圖2 測(cè)線NH973－01B的地震圖像，由兩部分組成：（a）為測(cè)線的北半部分，黑框中為南海中尺度渦，在圖3a中有放大顯示；（b）為測(cè)線的南半部分.它們的位置連續(xù)，但調(diào)查時(shí)間間隔將近5hFig.2 Seismic image of NH973－01B，divided into two parts：（a）northern part of seismic line，with the image of mesoscale eddy in the black rectangular（see large image in Fig.3a）；（b）southern part of seismic line.These two parts are successive in location with a time gap of almost 5hours

圖3 （a）南海中尺度渦的地震圖像，黑線大概勾畫(huà)出了渦旋的下邊界及其影響區(qū)域.（b），（d）中的黑線具有同樣的意義，黑線以下的暗色區(qū)域視為無(wú)效的計(jì)算結(jié)果.（b）計(jì)算的地轉(zhuǎn)流速的垂向梯度，計(jì)算方法及選用參數(shù)在文中有詳細(xì)介紹.（c）海表面地轉(zhuǎn)流場(chǎng)在垂直于地震測(cè)線方向的分量，來(lái)自于AVISO.（d）利用地轉(zhuǎn)流速的垂向梯度和海表面速度場(chǎng)進(jìn)行垂向積分計(jì)算得到的絕對(duì)地轉(zhuǎn)流速度場(chǎng)Fig.3 （a）Seismic image of mesoscale eddy from South China Sea.The black line roughly outlines the lower boundary of the eddy and the peripheral area，also appears in（b）and（d）.Dark areas below the black line in（b）and（d）represent the invalid calculation result.（b）Calculation result of geostrophic shear from seismic profile.The detailed descriptions of calculation method and parameters option could be found in the text.（c）The velocity component of surface geostrophic velocity from AVISO，perpendicular to the seismic line；（d）Absolute values of geostrophic velocity，determined by integrating the shear over depth from sea surface values

地震海洋學(xué)方法估算地轉(zhuǎn)流速的垂向梯度基于以下兩點(diǎn)假設(shè)：一、‘地轉(zhuǎn)平衡’假設(shè).其成立的程度依賴于羅斯貝數(shù)（Ro）的大小，在Ro?1的情況下可認(rèn)為近似成立；二、反射同相軸與等密線是平行或重合的.這個(gè)假設(shè)在地震海洋學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用比較廣泛［16～18，21－22］，雖然沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分的驗(yàn)證.Krahmann等［25］利用反射地震數(shù)據(jù)和Yoyo－CTD數(shù)據(jù)研究表明：當(dāng)反射體的波長(zhǎng)小于800～2800m時(shí)可以近似認(rèn)為反射同相軸與等密線是吻合的.這可以作為假設(shè)成立的佐證，只是略顯粗糙.更直接的證明需要高橫向分辨率的密度數(shù)據(jù)和同時(shí)調(diào)查的反射地震數(shù)據(jù).這個(gè)假設(shè)的理論基礎(chǔ)在于反射同相軸表征波阻抗的高梯度帶或界面，而波阻抗為聲速和密度的乘積，那么認(rèn)為反射同相軸表征密度界面顯然是具有一定合理性的.另外，我們的方法實(shí)際上利用的是等密線的傾角而并不拘泥于其空間形態(tài)，因而這個(gè)假設(shè)的成立程度是更高的.

傳統(tǒng)海洋學(xué)研究中坐標(biāo)系的定義方式一般為以東向、北向和垂直向上為x軸、y軸和z軸的正方向.由于一般情況下地震測(cè)線并非沿著坐標(biāo)軸布設(shè)，利用地震海洋學(xué)方法進(jìn)行地轉(zhuǎn)流速的垂向梯度的計(jì)算和表示過(guò)程中存在一定的困難.為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們利用如下方式定義坐標(biāo)系：以地震測(cè)線方向?yàn)閤軸正方向，在水平面上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°為y軸正方向，z軸正方向定義為垂直向上，如圖5所示.在這個(gè)坐標(biāo)系之下，地轉(zhuǎn)流的控制方程為：

其中f＝2Ωsinφ，為地轉(zhuǎn)項(xiàng)，φ為緯度；ρ，p，g分別為密度、壓強(qiáng)和重力加速度；u，v分別為x方向和y方向的地轉(zhuǎn)流速度.

對(duì)公式（1）求z向梯度得：

引入Boussinesq一級(jí)近似，結(jié)合公式（3）得：

其中γ為等密線傾角，實(shí)際計(jì)算中以同相軸的傾角近似；ρ0為數(shù)據(jù)窗內(nèi)海水的平均密度.

具體的計(jì)算流程為：首先在給定的數(shù)據(jù)窗內(nèi)識(shí)別出反射同相軸，線性擬合得到它們的斜率；然后以反射同相軸的長(zhǎng)度為權(quán)重對(duì)斜率做加權(quán)平均，將結(jié)果作為數(shù)據(jù)窗中心點(diǎn)的等密線斜率.根據(jù)給定的步長(zhǎng)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗以完成整條剖面的計(jì)算.計(jì)算中需要用到密度數(shù)據(jù)，由于在一個(gè)海域內(nèi)密度變化不大，在沒(méi)有同時(shí)測(cè)量的情況下可以使用歷史數(shù)據(jù).密度的水平梯度可以從其垂直梯度計(jì)算得出，這在小范圍內(nèi)，比如說(shuō)給定的數(shù)據(jù)窗內(nèi)，是成立的.

識(shí)別同相軸操作采用的是自動(dòng)拾取方法，原理與Krahmann等［18］的類似：首先在地震剖面上找到反射同相軸的起點(diǎn)；然后進(jìn)行橫向搜索直至其尾端；最后只保留具備有效長(zhǎng)度的同相軸.在第一步中，首先根據(jù)給定主頻構(gòu)造Ricker子波作為震源信號(hào)，然后將其與地震道反射數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配.如果反射數(shù)據(jù)與震源信號(hào)的互相關(guān)高于給定值，就認(rèn)為這個(gè)反射是有效的；第二步中，給定時(shí)間窗，通常為12ms，對(duì)應(yīng)于大約9m，在后續(xù)地震道中搜索有效反射.如果搜索到有效反射，則將其加入反射體中，如果找不到，則越過(guò)此地震道搜索下一道.對(duì)于反射體，允許存在幾道（大約幾十米）的反射空缺.如果連續(xù)幾道，通常為3道，都沒(méi)能搜索到有效信號(hào)，那么認(rèn)為反射體已經(jīng)到了尾端.重復(fù)這個(gè)過(guò)程直到完成所有的搜索；第三步中，刪除長(zhǎng)度小于給定有效參考長(zhǎng)度的反射同相軸.

4 結(jié)果與討論

‘地轉(zhuǎn)平衡’的假設(shè)在Ro?1的情況下近似成立.羅斯貝數(shù)定義為：Ro＝U／fL，其中U和L分別為特征速度和特征長(zhǎng)度.在本研究海域f近似為3×10－5s－1，取U 近似為0.1m·s－1，在L＞35km時(shí)Ro＜0.1.我們以這個(gè)值為參考給定計(jì)算中用到的數(shù)據(jù)窗的寬度和有效的反射同相軸長(zhǎng)度，密度使用WOD（World Ocean Database）的歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如圖3b所示.物理海洋學(xué)在計(jì)算絕對(duì)地轉(zhuǎn)流時(shí)一般選擇深層為基準(zhǔn)層對(duì)地轉(zhuǎn)流速的垂向梯度進(jìn)行垂向積分［26］，我們考慮到：其一，究竟以多深為基準(zhǔn)層，選擇標(biāo)準(zhǔn)不一，不同海域情況也不相同；其二，我們方法計(jì)算結(jié)果的可信度隨深度而降低，如果選擇深層為基準(zhǔn)流，計(jì)算誤差會(huì)從下而上積累，從而影響整個(gè)計(jì)算結(jié)果，因此我們選擇表面流為基準(zhǔn)流.首先從海表面地轉(zhuǎn)流場(chǎng)中提取出垂直于地震測(cè)線的流速數(shù)據(jù)，如圖3c所示，然后以此為積分起點(diǎn)對(duì)計(jì)算的地轉(zhuǎn)流速的垂向梯度進(jìn)行垂向積分得到絕對(duì)流速的垂向剖面，結(jié)果如圖3d所示.

圖1顯示透鏡狀結(jié)構(gòu)位于南海西南次海盆，中心位置約為（113.6°E，11.4°N）.從圖3a地震剖面上可以看出它的中心深度約為450m，中心厚度約300m.由于探測(cè)過(guò)程為避開(kāi)大潮時(shí)段而停留了將近5h，地震測(cè)線并沒(méi)有捕捉到透鏡體的全貌，但是仍然可以推測(cè)出它的直徑大概為55～65km左右，具有典型的中尺度渦特征.結(jié)合反射同相軸的傾向和圖4，海面高度異常圖和地轉(zhuǎn)流場(chǎng)，我們將其解釋為一個(gè)反氣旋結(jié)構(gòu)，這與Hwang等［23］的認(rèn)識(shí)是一致的.我們用黑線大概勾畫(huà)了一下透鏡狀結(jié)構(gòu)的下邊界及其影響區(qū)域.地震剖面上，黑線以上的反射強(qiáng)烈而清晰，以下的反射微弱而雜亂，由于地轉(zhuǎn)剪切和地轉(zhuǎn)流速是根據(jù)反射同相軸計(jì)算的，據(jù)此我們認(rèn)為計(jì)算結(jié)果在黑線以上可信度比較大，而在黑線以下受噪音影響嚴(yán)重，視為無(wú)效的計(jì)算結(jié)果.從圖3b和圖3d可以看出，渦旋的中心深度大約為400～450m，與地震圖像吻合的很好.地轉(zhuǎn)流速的計(jì)算結(jié)果顯示，速度最大值約為0.7m／s，左側(cè)（西北）為正，右側(cè)（東南）為負(fù)，整體呈現(xiàn)出順時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，說(shuō)明了它是一個(gè)反氣旋結(jié)構(gòu).

從位置上講，觀測(cè)到的南海渦旋位于 Wang等［24］所劃分的Z4區(qū)域，雖然這里可能并不是其初始形成位置.根據(jù)他們的研究結(jié)果，此渦旋的產(chǎn)生可能與夏季強(qiáng)烈的東向斜壓噴射流有關(guān).另外，研究表明，南海的深海海流在夏季表現(xiàn)為雙極性特征：以12°N為界，北邊為氣旋性流渦而南邊為反氣旋性流渦［24］.因而，此渦旋的產(chǎn)生機(jī)制也可能為南邊的反氣旋性流渦與地形相互作用而造成的水團(tuán)脫落.由于資料的不足，這里只能對(duì)其生成機(jī)制進(jìn)行初步的討論，確切的結(jié)論需要進(jìn)一步的觀測(cè)資料.

從圖4可以看出海面高度異常在與測(cè)線垂直的方向（y方向）上的梯度很大，我們推測(cè)地震測(cè)線中斷可能與此有一定的關(guān)系，可能是潮流與相對(duì)較大的高度異常梯度共同造成惡劣的海況導(dǎo)致測(cè)量中斷.另外，在觀測(cè)暫停的短短5h內(nèi)渦旋就從測(cè)線的覆蓋范圍內(nèi)消失，說(shuō)明渦旋水平運(yùn)動(dòng)也是比較迅速的.利用低時(shí)間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究中尺度渦時(shí)可能會(huì)得到類似于假頻的虛假的信息，這是需要特別注意的地方.直觀上講，海表地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù)并不支持‘反氣旋’的判定，這可能與分辨率和測(cè)量時(shí)間有關(guān).文中使用的海面高度異常數(shù)據(jù)和海表地轉(zhuǎn)流速度的觀測(cè)時(shí)間與反射地震數(shù)據(jù)的觀測(cè)時(shí)間并不完全對(duì)應(yīng)，因而出現(xiàn)不吻合的情況是難免的.最后，使用低時(shí)空分辨率的海表面地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù)作為積分起點(diǎn)本身也存在一定的問(wèn)題，這需要進(jìn)一步研究.

5 結(jié) 論

地震海洋學(xué)是一門(mén)正在蓬勃發(fā)展的新興交叉學(xué)科.高橫向分辨率和快速測(cè)量的優(yōu)勢(shì)使它尤其適合于研究海洋學(xué)現(xiàn)象的空間結(jié)構(gòu)和橫向展布.本文首次使用地震海洋學(xué)方法在南海西南次海盆看到了透鏡狀結(jié)構(gòu).它的中心深度約為450m，中心厚度約為300m，半徑約為55～65km，具有典型的中尺度渦特征，綜合解釋為反氣旋.然后我們利用地震海洋學(xué)方法估算了地轉(zhuǎn)流速的垂向梯度，結(jié)合來(lái)自于衛(wèi)星高度數(shù)據(jù)的海表面地轉(zhuǎn)流速度進(jìn)一步得到了絕對(duì)流速的垂向剖面.結(jié)果顯示，流速的最大值約為0.7m／s，出現(xiàn)在400～450m處，對(duì)應(yīng)于渦旋的中心深度；西北部分為正，東南部分為負(fù)，整體呈現(xiàn)出順時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，說(shuō)明了它是一個(gè)反氣旋結(jié)構(gòu).雖然文中使用的假設(shè)，反射同相軸與等密線是平行或重合的，還需要更直接的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)證明，作為積分起點(diǎn)的海表面流速還需要提高時(shí)空精度，比如，以后可以進(jìn)行ADCP聯(lián)合調(diào)查等，不過(guò)，毋庸置疑的是地震海洋學(xué)是研究中尺度渦的有力工具，它將會(huì)在未來(lái)中尺度渦的研究中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用.

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