中美洲鸚鵡灣氣旋渦的亞中尺度結(jié)構(gòu)特征

楊順， 宋海斌， 范文豪， 吳迪

海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院， 上海 200092

0 引言

隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，特別是衛(wèi)星遙感技術(shù)在20世紀(jì)70年代以來的進(jìn)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到中尺度渦旋運(yùn)動(dòng)才是海洋表層運(yùn)動(dòng)的主體.單個(gè)渦旋可以攜帶其核心水，并可以長距離輸送核心水的性質(zhì).因此，海洋渦旋對(duì)于全球海洋中熱量、CO2、營養(yǎng)鹽等物質(zhì)與能量的輸送與再分配起著至關(guān)重要的作用，進(jìn)而能調(diào)節(jié)全球氣候變化和影響海洋資源分布(Zhang et al., 2014).近年來隨著觀測與模擬手段的進(jìn)步，關(guān)于亞中尺度渦的研究也越來越多(Su et al., 2018；Onken et al., 2020；Gula et al., 2016).與中尺度渦相比，亞中尺度渦的空間尺度和時(shí)間尺度都更小，對(duì)觀測和模擬都提出了更高的要求.亞中尺度過程具有較強(qiáng)的垂向流速，對(duì)上層海洋的營養(yǎng)物質(zhì)做了重要補(bǔ)給(Mcgillicuddy et al., 2007).與大中尺度洋流的地轉(zhuǎn)平衡假設(shè)不同，亞中尺度流通常超越了準(zhǔn)地轉(zhuǎn)這一理論框架，同時(shí)仍然受到地球自轉(zhuǎn)和海洋中普遍存在的穩(wěn)定密度層結(jié)的強(qiáng)烈影響(McWilliams, 2016).

地震海洋學(xué)是一門利用傳統(tǒng)反射地震方法研究物理海洋現(xiàn)象及其過程的交叉學(xué)科(宋海斌 等, 2008；Holbrook et al., 2003).它利用不同深度海水層的溫度和鹽度差異引起海水聲速和密度差異產(chǎn)生的波阻抗差，從而對(duì)海水層進(jìn)行成像.海水層地震圖像可以近似看做是平滑后的海水垂向溫度梯度(Ruddick et al., 2009).相比于傳統(tǒng)物理海洋學(xué)方法，地震海洋學(xué)具有采集速度快、橫向分辨率高、海水全深度成像等優(yōu)點(diǎn).目前，地震海洋學(xué)已經(jīng)在各種定性和定量問題上做出了大量研究，比如海洋鋒面(Tsuji et al., 2005；Nakamura et al., 2006)、內(nèi)波(Holbrook and Fer, 2005；Tang et al., 2014b)、溫鹽參數(shù)反演(Blacic et al., 2016；Papenberg et al., 2010)、混合參數(shù)提取(Holbrook et al., 2013；Sheen et al., 2009)、地轉(zhuǎn)流速估算(Sheen et al., 2011；黃興輝等, 2013)等.

已有很多學(xué)者利用地震海洋學(xué)方法對(duì)渦旋進(jìn)行了研究，早期主要為地中海渦旋(Meddy).Biescas等(2008)首次對(duì)地中海渦旋的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震成像，揭示了地中海渦旋的透鏡狀形態(tài)特征以及核心弱、邊界強(qiáng)的反射特征，打開了利用反射地震方法研究海洋渦旋的大門.Pinheiro等(2010)利用地震剖面結(jié)合聲浮子、SLA(海表高度異常)、SST(海表溫度)資料對(duì)地中海渦旋以及地中海潛流進(jìn)行了研究，揭示了傳統(tǒng)物理海洋學(xué)測量不容易觀察到的熱鹽結(jié)構(gòu)橫向變化的復(fù)雜性與細(xì)節(jié).Song等(2011)首次發(fā)現(xiàn)地中海渦旋旋臂，并對(duì)渦旋以及其混合動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示渦旋核心的混合作用缺失，而渦旋頂?shù)准爸車h區(qū)的混合異常高.后來又不斷有人利用反射地震數(shù)據(jù)反演出地中海渦旋的溫度、鹽度和位密斷面(Papenberg et al., 2010; 黃興輝 等, 2011; Biescas et al., 2014)，這加強(qiáng)了物理海洋學(xué)與反射地震學(xué)之間的聯(lián)系，使得雙方對(duì)于對(duì)方的研究有了更深的認(rèn)識(shí)和理解.近年來，隨著研究的深入，有學(xué)者開始對(duì)其他海域的渦旋進(jìn)行地震成像.黃興輝等(2013)基于地轉(zhuǎn)平衡假設(shè)從反射同相軸估算了南海一個(gè)中尺度渦的地轉(zhuǎn)流速.傳統(tǒng)測量海水流速利用ADCP(聲學(xué)多普勒海流剖面儀)獲得垂向剖面的絕對(duì)海水流速，或者利用衛(wèi)星遙感獲得的海表高度數(shù)據(jù)基于地轉(zhuǎn)平衡假設(shè)獲得海表地轉(zhuǎn)流速數(shù)據(jù).ADCP測量深度較淺，衛(wèi)星遙感只能獲得海表面的地轉(zhuǎn)流速，二者都存在較大局限性.而從地震反射同相軸估算的海水流速數(shù)據(jù)則可以貫穿整個(gè)海水深度，極大彌補(bǔ)了物理海洋學(xué)對(duì)流速測量的缺陷.Tang等(2014a)結(jié)合地震數(shù)據(jù)、衛(wèi)星高度數(shù)據(jù)和原位水文數(shù)據(jù)對(duì)阿拉斯加灣的渦旋進(jìn)行了綜合分析，三者表現(xiàn)出較好的一致性.Gunn等(2018)對(duì)南大洋Bellingshausen海的地震成像表明這里存在大量中尺度到亞中尺度暖渦，揭示了該海域的溫鹽環(huán)流特征，并且表明以前對(duì)該海域渦旋的出現(xiàn)頻率可能被低估了1個(gè)數(shù)量級(jí)，這對(duì)計(jì)算南極半島西部陸架冰質(zhì)量損失具有重要意義.Gula等(2019)利用地震數(shù)據(jù)對(duì)灣流附近的一個(gè)透鏡狀亞中尺度相干渦進(jìn)行了成像，并結(jié)合Glider剖面、同步采集的XBT/CTD以及亞中尺度分辨率的流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬分析了其產(chǎn)生機(jī)制，模擬結(jié)果和地震剖面特征較一致，渦旋是由灣流和海底山脊的摩擦作用形成的.

大洋邊界廣泛存在邊界流，例如典型的太平洋西邊界的黑潮和大西洋西邊界的灣流，邊界流和地形相互作用形成了大量各種尺度的渦旋.前人對(duì)地中海西部、南海、阿拉斯加灣、南大洋和灣流區(qū)的渦旋進(jìn)行了地震成像，由于水團(tuán)性質(zhì)存在較大差異，不同海域渦旋反射特征各不相同.雖然地震海洋學(xué)對(duì)渦旋的研究已較為廣泛，但更多大洋邊界處的渦旋還未被對(duì)其進(jìn)行高分辨率反射地震成像，因此對(duì)研究海域進(jìn)行拓展十分必要.

渦旋可能從海面延伸至海底，也可能集中在表層，或者只出現(xiàn)在海水次表層(Talley et al., 2011).這里，我們利用多道反射地震數(shù)據(jù)在中美洲鸚鵡灣捕捉到一個(gè)次表層透鏡狀反射結(jié)構(gòu)，結(jié)合再分析水文數(shù)據(jù)，認(rèn)為這是一個(gè)氣旋渦，并對(duì)其反射特征進(jìn)行了分析.最后結(jié)合同航次采集的其他地震剖面，分析了該氣旋渦不同部位的反射特征.

1 研究區(qū)域背景

研究區(qū)域位于中美洲尼加拉瓜岸外的鸚鵡灣(圖1).赤道逆流(North Equatorial Counter Current，NECC)自西向東到大洋東邊界遇到陡峭的陸坡后向北轉(zhuǎn)向，并在此形成上升流區(qū)，即哥斯達(dá)黎加穹窿區(qū)(Costa Rica Dome，CRD)(Reyes-Hernández et al., 2016；Brenes et al., 2008).NECC的一部分在中美洲海岸，匯入了哥斯達(dá)黎加沿岸流(Costa Rica Coastal Current，CRCC).CRCC位于CRD和海岸之間，并沿海岸向西北流去，經(jīng)過Tehuantepec灣后離開海岸(Fiedler, 2002).由于局地表層風(fēng)驅(qū)動(dòng)作用或者海底地形的摩擦作用，該海域發(fā)育有大量各種尺度的氣旋渦和反氣旋渦(Reyes-Hernández et al., 2016).這里的主要水團(tuán)有：熱帶表層水(TSW)、副熱帶底層水(STUW)和南極中層水(AAIW).水團(tuán)各自溫鹽范圍大致為：TSW，T>25 ℃，S<34；STUW，13 ℃

圖1 (a)尼加拉瓜岸外地形圖(彩色底圖為高程圖，黑色實(shí)線為L115地震測線，黃色五角星表示地震采集起點(diǎn)，紅色圓點(diǎn)表示歷史CTD測站位置)；(b)L115地震測線采集期間(2000年6月23日)的日平均海表高程(彩色底圖)和日平均海水流速(灰色箭頭)，來自CMEMSFig.1 (a) Topography offshore Nicaragua. Base map is the elevation, black line is seismic survey line L115, yellow pentagram is the starting point of seismic acquisition, and red dots are the location of historical CTD stations. (b) Daily average sea surface height (color map) and daily average sea water velocity (gray arrows) during the acquisition of L115 seismic survey line (June 23, 2000), data from CMEMS

圖2 研究區(qū)域歷史CTD數(shù)據(jù)，來自NCEI(a) 溫度剖面; (b) 鹽度剖面; (c) 聲速剖面, 藍(lán)線為擬合聲速; (d) T-S圖(灰色等值線為對(duì)應(yīng)的位密)，TSW、STUW、AAIW分別表示熱帶表層水、副熱帶下層水和南極中層水.顏色表示緯度.Fig.2 Historical CTD data of the study area, from NCEI(a) Temperature profile; (b) Salinity profile; (c) Sound velocity profile, the blue line is the fitted sound velocity, and (d) T-S diagram (gray contours are potential density). TSW, STUW, AAIW represent Tropical Surface Water, Subtropical Underwater and Antarctic Intermediate Water, respectively. The color indicates the latitude.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

地震數(shù)據(jù)來自于海洋地球科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)(Marine Geoscience Data System，MGDS)，選用航次為EW0005.該航次地震數(shù)據(jù)原為用作勘查尼加拉瓜岸外俯沖帶構(gòu)造的多道地震數(shù)據(jù).這里主要選用大致平行海岸線的測線L115.此外，在分析渦旋的結(jié)構(gòu)時(shí)，還使用了7條垂直海岸線的地震測線.8條地震測線的采集日期與時(shí)間如表1所示.地震采集參數(shù)如下：震源BOLT氣槍(體積6817 in3)，炮間距50 m，最小偏移距188 m，每炮240道接收，道間距25 m(故CMP間距為12.5 m)，采樣間隔4 ms，記錄長度4 s.

本文所使用的地震數(shù)據(jù)處理流程(Yilmaz, 2001)包括：觀測系統(tǒng)定義，去除低頻干擾，直達(dá)波壓制，CMP道集分選，速度分析，動(dòng)校正，CMP水平疊加，疊后去噪.由于研究對(duì)象是海水，其聲波速度一般在1540～1480 m·s-1范圍內(nèi)，相對(duì)變化較小，故這里使用1500 m·s-1聲速進(jìn)行常速動(dòng)校正.此外，海水層反射同相軸傾角一般小于1°，偏移效果不明顯，故這里直接使用疊加剖面而不進(jìn)行任何偏移處理.一般疊加剖面上存在低頻噪聲，此外還有頻域?yàn)V波難以去除的涌浪噪聲(地震剖面上表現(xiàn)為垂向強(qiáng)干擾)，適當(dāng)使用F-K域傾角濾波可以有效壓制這些噪聲.具體流程可以參考地震海洋學(xué)數(shù)據(jù)處理流程(Ruddick et al., 2009).

表1 地震測線的采集日期與采集時(shí)間(UTC，2000年)Table 1 Acquisition date and time of seismic survey lines (UTC, 2000)

除了地震數(shù)據(jù)，還使用了水文數(shù)據(jù).水文數(shù)據(jù)分為再分析數(shù)據(jù)和歷史CTD數(shù)據(jù).再分析數(shù)據(jù)由歐盟哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測中心(Copernicus Marine Environment Monitoring Service，CMEMS)提供.該數(shù)據(jù)為對(duì)各種來源(CTD、XBT、ADCP、Argo、Glider、Mooring、遙感等)的觀測資料進(jìn)行質(zhì)量控制和同化處理、結(jié)合相關(guān)物理海洋理論模型整合而成的再分析數(shù)據(jù).它不僅包含的參數(shù)多，空間范圍廣，而且延伸的時(shí)段長，是一個(gè)綜合的數(shù)據(jù)集.這里使用的參數(shù)均為日平均數(shù)據(jù)，包括：海水不同空間位置(經(jīng)緯度及深度)對(duì)應(yīng)的位溫、緯向流速、經(jīng)向流速和海表高度等.數(shù)據(jù)水平網(wǎng)格分辨率為1/12°，垂向深度最大可達(dá)5000 m.歷史CTD數(shù)據(jù)來自美國海洋與大氣管理局國家環(huán)境信息中心(NOAA-NCEI).CTD測站位置如圖1a所示，一共50個(gè).由CTD數(shù)據(jù)獲得區(qū)域的溫鹽剖面和T-S圖，并且由溫度和鹽度數(shù)據(jù)并利用海水熱力學(xué)狀態(tài)方程(TEOS-10)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的聲速.擬合聲速數(shù)據(jù)用于地震剖面的時(shí)深轉(zhuǎn)換.

2.2 方法

利用CMEMS的再分析數(shù)據(jù)的水平流速即可計(jì)算出垂直地震剖面的水平流速、地震剖面處的Rossby數(shù)以及OW參數(shù).

3 結(jié)果與討論

3.1 亞中尺度相干渦

圖3a為L115地震剖面，剖面上部明顯存在一個(gè)凸透鏡狀反射.透鏡狀反射的寬度約為160 km，對(duì)應(yīng)剖面上30～190 km處厚度約500 m，深度從100 m延伸到約600 m，核心深度約200 m，橫向位置120 km.反射體大致左右對(duì)稱，左上方同相軸向西傾斜，右上方同相軸向東傾斜.此外，中心表現(xiàn)為強(qiáng)反射，中心的東西兩側(cè)表現(xiàn)為弱反射，弱反射外圍又顯示為強(qiáng)反射.上邊界反射強(qiáng)度和坡度均較大，而下邊界為較弱的近水平反射帶.結(jié)合前人研究(Biescas et al., 2008；Pinheiro et al., 2010；Song et al., 2011)，初步判斷這個(gè)透鏡狀反射是一個(gè)渦旋.渦旋上部兩側(cè)的傾斜反射即是渦旋和周圍水團(tuán)由于橫向溫度梯度而形成溫度鋒.鋒面處以熱鹽侵入為主，橫向熱鹽侵入將橫向溫度梯度轉(zhuǎn)化為垂向溫度梯度.

下面結(jié)合來自CMEMS再分析數(shù)據(jù)計(jì)算的垂直地震剖面的水平流速、沿地震剖面的Rossby數(shù)和OW參數(shù)進(jìn)行分析.再分析數(shù)據(jù)為2000年6月23日的日平均數(shù)據(jù)，比地震采集時(shí)間相比略晚.圖3b為垂直地震剖面的水平流速.200 m以上深度存在較強(qiáng)的水平流速，且東西兩側(cè)的流速方向相反：西側(cè)流出，東側(cè)流入.流速中心分別在約40 km和180 km處.流速方向相反說明剖面存在水平流速剪切.圖3c為被科里奧利參數(shù)f標(biāo)準(zhǔn)化后的相對(duì)渦度ζ，即Rossby數(shù)Ro.北半球f為正值，若存在渦旋，則正、負(fù)Ro分別對(duì)應(yīng)氣旋渦和反氣旋渦.剖面200 m以上深度的偏東側(cè)存在Ro正值中心，位置與透鏡狀反射的核心相比略偏東，且最大值Romax>0.5.圖3d為剖面對(duì)應(yīng)的OW參數(shù)W，與圖3c的Ro正值中心的相同位置表現(xiàn)為負(fù)值中心.W<0，表明渦旋主導(dǎo)該區(qū)域動(dòng)力特征.這些剖面特征初步驗(yàn)證了上述推斷.

為進(jìn)一步分析，需考慮剖面周圍的海洋學(xué)背景.這里選擇了海水溫度、Rossby數(shù)、OW參數(shù)以及水平流速矢量在不同深度(100、200、300、500 m)的水平切片(圖4).當(dāng)深度為100 m時(shí)，地震測線剛好穿過一個(gè)低溫中心，在相同位置存在Ro正值中心和OW參數(shù)負(fù)值中心，核心處Ro接近1，表明這里亞中尺度過程已相當(dāng)發(fā)育.并且渦旋周圍的正值OW參數(shù)說明這里存在水平剪切，和地震剖面上鋒面處(圖3a)位置吻合，這是渦旋邊緣存在強(qiáng)的拉伸和剪切而導(dǎo)致的亞中尺度鋒面，對(duì)于渦旋來說也是渦絲存在的位置.流速矢量也表現(xiàn)出氣旋(逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))的特征.氣旋的中心沒有被地震測線穿過，而是位于后者正西南方約25 km處.當(dāng)深度為200 m時(shí)，四種參數(shù)的特征與深度為100 m時(shí)基本一致，只是強(qiáng)度都有所減弱，但是低溫中心略微向東南移動(dòng).當(dāng)深度為300 m時(shí)，各種參數(shù)的強(qiáng)度進(jìn)一步減弱，且氣旋中心向西北移動(dòng)，氣旋空間規(guī)模明顯變小.當(dāng)深度為500 m時(shí)，各種參數(shù)的強(qiáng)度繼續(xù)減弱，且氣旋中心繼續(xù)沿測線向西北移動(dòng)，氣旋規(guī)模已經(jīng)相當(dāng)小.

圖3 (a) L115地震剖面； (b) 垂直剖面的水平流速，紅色和藍(lán)色分別表示流入和流出； (c)和(d) 分別為地震剖面處的Rossby數(shù)和Okubo-Weiss參數(shù)Fig.3 (a) Seismic transect L115; (b) Horizontal velocity perpendicular to the transect, red and blue indicate inflow and outflow respectively; (c) and (d) are Rossby number and Okubo-Weiss parameter at the seismic transect, respectively

上述剖面上的流速特征、正Rossby數(shù)，以及不同深度切片上的低溫中心、正Rossby數(shù)和流速矢量，綜合表明L115地震測線穿過了一個(gè)氣旋渦.不同深度的流速矢量表明垂向上渦中心從上向下逐漸向西北傾斜，并且渦旋的強(qiáng)度隨著深度增加而逐漸減弱.

一般普遍使用Rossby變形半徑或者Rossby數(shù)來判別亞中尺度渦.例如，McWilliams (1985)按照渦旋水平半徑小于Rossby變形半徑這一標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為地中海渦旋為亞中尺度相干渦.但目前還沒有一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)將海洋現(xiàn)象定義為亞中尺度過程(Zheng et al., 2020).這里定義Rossby數(shù)為0.5～1或者水平半徑小于Rossby變形半徑的渦旋為亞中尺度渦.Rossby變形半徑與緯度、水體高度的特征尺度、密度分布有關(guān).次表層亞中尺度渦又叫做亞中尺度相干渦(McWilliams, 1985).尼加拉瓜岸外的Rossby變形半徑約100 km(Chelton et al., 1998)，這里L(fēng)115剖面顯示的渦旋橫向半徑約80 km.一般海表高度的低值中心和高值中心分別對(duì)應(yīng)氣旋渦和反氣旋渦(Pinheiro et al., 2010； Pingree and Le Cann, 1992).但在海表高度圖上(圖1b)，渦旋上方并沒有顯示對(duì)應(yīng)于氣旋渦的低異常，即該渦旋屬于海洋次表層氣旋.此外，該氣旋渦中心對(duì)應(yīng)的Rossby數(shù)大于0.5(圖4b)，所以該渦旋應(yīng)該屬于亞中尺度相干渦.

3.2 核心強(qiáng)反射

一般認(rèn)為渦旋中心和渦旋邊緣動(dòng)力特征不同.渦旋邊緣由于與周圍水團(tuán)的交換，會(huì)存在劇烈的熱鹽侵入，在地震剖面上會(huì)表現(xiàn)為強(qiáng)反射特征.而渦旋中心由于水團(tuán)性質(zhì)較為均一，故而在地震剖面上表現(xiàn)為弱反射.渦旋的這種中心弱、邊界強(qiáng)的反射特征在以往的研究中普遍存在(Biescas et al., 2008；Pinheiro et al., 2010；Song et al., 2011；Gunn et al., 2018；Gula et al., 2019；Tang et al., 2014a).然而圖3a地震剖面中卻顯示在渦旋核心處顯示出強(qiáng)反射特征，這與以往研究的渦旋特征不同.Biescas等(2008)也曾在地震剖面上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)核心不是弱反射的渦旋，而且從渦旋邊緣到核心有多個(gè)相間的同心圓狀強(qiáng)反射帶.他們認(rèn)為有兩種可能性：地震測線可能沒有穿過均勻混合的渦旋核心，或者渦旋已經(jīng)存在較長時(shí)間，從而周圍水團(tuán)對(duì)核心的橫向熱鹽侵入較強(qiáng)烈.但是L115剖面渦旋反射特征與Biescas等人的卻不同.這里橫向上從渦旋核心到渦旋邊緣依次是強(qiáng)反射、弱反射、強(qiáng)反射，且大致關(guān)于核心左右對(duì)稱；而在垂向上核心下方存在近水平中等強(qiáng)度反射帶.所以可以排除第二種可能，因?yàn)槿羰菧u核已被周圍水團(tuán)橫向侵入，渦核和邊緣之間不應(yīng)該存在弱反射.但是渦核下方強(qiáng)反射表明可能是渦旋核心和頂?shù)姿畧F(tuán)發(fā)生了劇烈的雙擴(kuò)散作用形成雙擴(kuò)散層，從而引起混合.

圖4 L115地震測線采集期間(2000年6月23日)不同深度(100、200、300、500 m)的(a)海水溫度、(b)Rossby數(shù)、(c)Okubo-Weiss參數(shù)和(d)水平流速矢量品紅色實(shí)線表示地震測線，紅色圓點(diǎn)表示采集起點(diǎn).需要說明的是不同深度的溫度色標(biāo)范圍不一樣.Fig.4 (a) Sea water temperature, (b) Rossby number, (c) Okubo-Weiss parameter and (d) horizontal velocity at different depths (100, 200, 300, 500 m) during the acquisition of seismic survey line L115 (June 23, 2000)The magenta line is the seismic survey line, and the red dot is the acquisition starting point.Note that the colorbar ranges of temperature at different depths are distinct.

第一種解釋可能存在.因?yàn)閳D4d平面流速矢量顯示的渦旋中心和地震測線的確有偏移，即使二者對(duì)應(yīng)時(shí)間并不完全吻合.也就是說，地震剖面并未捕獲到渦旋核心.如圖5a所示，渦核1在地震剖面的另一側(cè)且未被后者穿過，而2—4層則在地震剖面上反映出來.其中2層即為地震剖面上的強(qiáng)反射核心，可能為頂?shù)椎碾p擴(kuò)散作用引起的.3層為2層外側(cè)的弱反射層，仍保持有來自核心的水團(tuán)，但是被2層隔開.4層則為最外側(cè)的強(qiáng)反射層，橫向熱鹽侵入和垂向雙擴(kuò)散都存在.另外可以發(fā)現(xiàn)，地震剖面上的強(qiáng)反射核心并不是同心圓狀，而是呈上下相鄰的兩個(gè)核心，即為雙核結(jié)構(gòu)(圖5b).兩個(gè)核心的寬度皆約40 km，上、下方核心厚度分別約80 m和100 m.這里推斷，由于渦旋內(nèi)部水團(tuán)和頂?shù)姿畧F(tuán)的雙擴(kuò)散作用，使得內(nèi)部水團(tuán)性質(zhì)不再均一，從而形成了上下相鄰的強(qiáng)反射雙核結(jié)構(gòu).

3.3 正交剖面反射特征

再分析水文數(shù)據(jù)可以用來判定渦旋位置，但由于橫向分辨率(1/12°網(wǎng)格分辨率)限制，無法揭示渦旋的精細(xì)結(jié)構(gòu)，高分辨地震數(shù)據(jù)則彌補(bǔ)了這一缺陷，二者結(jié)合則可以分析渦旋位置和內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu).

除了大致平行海岸線的L115測線，EW0005航次還有7條與L115正交的地震測線穿過了該氣旋渦.如圖6所示，根據(jù)200 m深度的海水水平流速圈出氣旋渦的中心.按照地震測線采集時(shí)間順序(表1)和測線相對(duì)位置(圖6)可以看出，前7條垂直海岸線的測線按照從東南到西北順序逐漸往返采集.由地震測線和渦旋中心的位置關(guān)系(圖6b—i)可以看出，8條測線中有4條穿過了渦旋核心，分別為L22、L26、L24和L28，剩余4條則只穿過了渦旋邊緣.需要說明的是，除了L115測線采集時(shí)間較晚(6月23日)，其他7條測線依次在6月1—4日共4天內(nèi)采集.對(duì)于上百公里尺度的海水運(yùn)動(dòng)來說，可以認(rèn)為渦旋4天內(nèi)的變化極小(Tsuji et al., 2005)，故可以利用這些不同的地震剖面分析渦旋不同部位(邊緣、核心)的地震反射特征.

圖7為7條穿過渦旋的地震剖面.根據(jù)一般渦旋的反射特征，圈定出地震剖面中的渦旋邊界.其中上邊界均表現(xiàn)為明顯的強(qiáng)反射帶，且渦旋右上邊界為傾斜反射，這是由于渦旋水團(tuán)和周圍水團(tuán)發(fā)生橫向熱鹽侵入而形成的水平溫度梯度帶，即亞中尺度鋒面，鋒面處海水垂向運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈，是海洋營養(yǎng)物質(zhì)垂向輸送的重要通道.而渦旋下邊界反射則不明顯，除了L115剖面和L10剖面的渦旋下邊界分別為中等強(qiáng)度反射和傾斜反射外，其他剖面下邊界均表現(xiàn)為近水平弱反射.這種強(qiáng)反射上邊界和弱反射下邊界的特征可能是由于氣旋冷渦等溫線的上凸特性導(dǎo)致的(Zhang et al., 2014).等溫線上凸會(huì)使得渦旋上邊界的垂向溫度梯度大，下邊界的垂向溫度梯度小，從而造成這種反射強(qiáng)度的差異.

前7個(gè)剖面上渦旋中心均表現(xiàn)為中等強(qiáng)度反射，局部有強(qiáng)反射，且除L10渦旋中心同相軸較為傾斜外，其余反射同相軸均近水平.根據(jù)前人研究，渦旋中心一般表現(xiàn)為弱反射或者同心圓狀中等強(qiáng)度反射.這里地震剖面上的氣旋渦中心卻普遍為一系列近水平的中等強(qiáng)度反射，甚至出現(xiàn)局部強(qiáng)反射，與L115的核心強(qiáng)反射特征也不相同.因?yàn)楹Ｋ卣饒D像主要是海水垂向溫度梯度的反映(Ruddick et al., 2009)，這些近水平反射說明渦旋內(nèi)部水團(tuán)不太均勻發(fā)生了部分混合，并且表現(xiàn)出良好的分層性.這表明該氣旋渦可能已經(jīng)存在了較長時(shí)間.

圖5 (a)三維渦旋反射層示意圖.1—4分別表示渦核、垂向?yàn)橹鞯膹?qiáng)反射雙擴(kuò)散層、弱反射層、強(qiáng)反射熱鹽侵入層.四邊形表示地震剖面，地震剖面未穿過渦核.(b)L115地震剖面上渦旋的強(qiáng)反射雙核結(jié)構(gòu).藍(lán)色區(qū)域C1和C2為強(qiáng)反射所圈定的兩個(gè)核心Fig.5 (a) The cartoon of 3D eddy reflection layers.Number 1—4 represent eddy core, strong reflection double diffusion layer, weak reflection layer and strong reflection themohaline intrusion layer, respectively.The quadrilateral represents the seismic transect, which does not pass through the eddy core. (b) Dual-core strong reflection structure of the eddy on seismic transect L115. The blue areas C1 and C2 are the two cores delineated by strong reflection

圖7 7個(gè)地震剖面中的渦旋圖像(黑色實(shí)線大致圈出渦旋邊界，藍(lán)色虛方框?yàn)樗畧F(tuán)邊界，藍(lán)色虛橢圓為小渦旋，海底反射被切除)Fig.7 The cyclonic eddy images on 7 seismic transects.The black curves roughly delineate the eddy boundaries, the blue dotted rectangles delineate the water boundaries, and the blue dotted circle is small eddy. Seafloor reflections are muted

從渦旋的視厚度可以看出，前7個(gè)剖面中，穿過渦旋核心比穿過渦旋邊緣的渦旋視厚度更大，這是由渦旋整體的凸透鏡形態(tài)決定的.但是L115的渦旋視厚度明顯較大，這是因?yàn)楹颓?條測線相比，其采集時(shí)間較晚，在向西北移動(dòng)的過程中渦旋的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)、規(guī)模逐漸變大.此外，由其他水文參數(shù)也可以看出(未顯示)，地震數(shù)據(jù)采集期間，該氣旋渦緩慢向西北方向移動(dòng)，其空間尺度逐漸增大、強(qiáng)度(流速大小、Rossby數(shù))逐漸增強(qiáng).

此外，深度為800～900 m時(shí)，部分剖面(L22、L26、L24和L28)存在局部較連續(xù)的中等強(qiáng)度近水平反射帶，這可能是渦旋下方的部分小尺度的水團(tuán)邊界(圖7中的藍(lán)色虛線方框).根據(jù)深度范圍，結(jié)合圖2中歷史CTD數(shù)據(jù)，推斷可能是上方的副熱帶下層水(STUW)和下方的南極中層水(AAIW)形成的水團(tuán)邊界.L30剖面的渦旋下方存在一個(gè)內(nèi)部弱反射的小渦旋，結(jié)合位置分析，推斷該小渦旋可能是從上方氣旋渦中脫落形成.7個(gè)剖面渦旋邊界右上方均表現(xiàn)為近水平中等—強(qiáng)反射，總體一致性較好.Brenes等(2008)分析，沿岸流CRCC存在于CRD和海岸之間，且由于大量渦旋的存在，CRCC向北的流路相當(dāng)曲折.所以這里認(rèn)為，渦旋右上方的近水平反射即為氣旋渦西北側(cè)向極流去的CRCC.這里CRCC將低緯度的熱帶表層水(TSW)沿著海岸向北輸送，對(duì)區(qū)域氣候影響較大.

總體來說，與L115剖面正交的7個(gè)剖面和前者的渦旋反射特征表現(xiàn)出了較大差異.這一方面體現(xiàn)了該氣旋渦空間結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，也說明了其時(shí)間演化特征.

4 結(jié)論與展望

一個(gè)在中美洲鸚鵡灣采集的地震剖面L115捕獲到了海水層的一個(gè)透鏡狀反射結(jié)構(gòu).透鏡狀反射的寬度約150 km，厚度約500 m，深度從100 m延伸到約600 m，核心深約200 m.結(jié)合和地震采集時(shí)間幾乎同期的CMEMS再分析數(shù)據(jù)中的流速和海水溫度數(shù)據(jù)以及計(jì)算的Rossby數(shù)和Okubo-Weiss參數(shù)，根據(jù)剖面上和不同深度切片上的數(shù)據(jù)，將這一透鏡狀反射綜合解釋為氣旋渦，且可能是亞中尺度相干渦(SCV).和一般渦旋中心的弱反射特征不同，L115地震剖面上該氣旋渦的中心為強(qiáng)反射，并且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)強(qiáng)反射核心為上下相鄰的雙核結(jié)構(gòu)，推測這是由于地震剖面并未穿過渦旋核心水、剖面上的核心強(qiáng)反射可能只是由于渦旋頂?shù)着c核心水外層的水團(tuán)雙擴(kuò)散作用造成的.

表2 8個(gè)地震剖面上的渦旋反射特征Table 2 Reflection characteristics of the eddy on the eight seismic transects

7條和L115大致正交的地震剖面也捕捉到了這個(gè)氣旋渦.這些剖面整體反射特征一致性較好，但和L115剖面差異較大.渦旋內(nèi)部普遍表現(xiàn)為近水平的中等強(qiáng)度反射，這與以往研究的渦旋特征不同.此外，渦旋上邊界為強(qiáng)反射，下邊界為弱反射，這可能是由于氣旋渦的等溫線上凸，使得渦旋上、下邊界垂向溫度梯度分別較大和較小.前7個(gè)剖面和L115剖面的渦旋反射特征的差異表明了該氣旋渦空間結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，也體現(xiàn)了氣旋渦的時(shí)間演化特征.

過去地震海洋學(xué)對(duì)海洋渦旋的研究分布在地中海周邊、南海、南大洋、阿拉斯加灣和墨西哥灣等海域.這里我們又對(duì)中美洲西海岸的渦旋進(jìn)行了地震成像，進(jìn)一步拓寬了海洋渦旋的地震海洋學(xué)研究的海域范圍.不同海域渦旋的反射特征有較大差別，未來可以利用地震海洋學(xué)方法對(duì)其他海域的各種性質(zhì)的渦旋進(jìn)行研究，充分利用地震數(shù)據(jù)高分辨率全海水深度快速成像的優(yōu)勢，加深對(duì)海洋渦旋結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認(rèn)識(shí).

致謝感謝海洋地球科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)(Marine Geoscience Data System，http:∥www.marine-geo.org)提供的反射地震數(shù)據(jù)，歐盟哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測中心(Copernicus Marine Environment Monitoring Service，http:∥marine.copernicus.eu/services-portfolio/access-to-products/)提供的再分析水文數(shù)據(jù)，以及美國海洋與大氣管理局國家環(huán)境信息中心(NOAA-NCEI，https:∥www.nodc.noaa.gov/OC5/indprod.html)提供的歷史CTD數(shù)據(jù).感謝外審專家給出的建設(shè)性修改意見.