加利福尼亞海灣及其鄰近海域亞中尺度現(xiàn)象的地震海洋學(xué)研究

梁智超， 宋海斌， 范文豪， 楊順

海洋地質(zhì)國(guó)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

海洋中尺度過(guò)程主要以中尺度渦旋的形式存在，空間尺度超過(guò)了100 km，攜帶了海洋中絕大部分的能量.同時(shí)，人們對(duì)小尺度的湍流過(guò)程也進(jìn)行了大量的研究工作，認(rèn)識(shí)了其在海洋混合和能量耗散中發(fā)揮的作用(Thomas et al., 2008).然而，時(shí)間與空間尺度介于二者之間的亞中尺度過(guò)程卻較少關(guān)注.

近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)海洋亞中尺度過(guò)程進(jìn)行了研究.最早使用“亞中尺度(Submesoscale)”一詞定義海洋亞中尺度渦的是McWilliams(1985)，他描述了介于中尺度渦和小尺度湍流之間的海洋現(xiàn)象.這種海洋現(xiàn)象的水平尺度為幾十米到10 km，垂向尺度為十到幾百米，時(shí)間尺度為幾小時(shí)到幾天.而后D′Asaro(1988)在他的研究中用這個(gè)術(shù)語(yǔ)解釋了阿拉斯加北部海域觀測(cè)到的渦旋.Capet等(2008a)利用高分辨網(wǎng)格模擬了加利福尼亞海流的亞中尺度現(xiàn)象，其水平尺度約為O(10 km)，小于第一斜壓變形半徑；垂直尺度為O(10 m)，薄于主要密度躍層；時(shí)間尺度為O(1天)，與之前研究中觀測(cè)的亞中尺度特征水平平流時(shí)間具有一致性.亞中尺度過(guò)程對(duì)海洋中的物質(zhì)傳遞，生化作用等過(guò)程都具有重要影響.Capet等(2008b)利用數(shù)值模擬研究了阿根廷陸架的亞中尺度過(guò)程，指出了亞中尺度過(guò)程在上層海洋中廣泛分布.Mahadevan等(2006)研究了亞中尺度過(guò)程的廣泛分布，對(duì)于海水CO2吸收，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)，浮游植物生產(chǎn)力變化以及生物地球化學(xué)作用發(fā)揮的作用.Lapeyre和Klein(2006)研究了亞中尺度過(guò)程對(duì)混合層發(fā)育和上層海洋熱異常的影響.McGillicuddy等(2007)指出中尺度渦不足以使全球的營(yíng)養(yǎng)鹽運(yùn)輸達(dá)到平衡，而是由在中尺度渦邊緣發(fā)現(xiàn)的具有強(qiáng)垂向流速的亞中尺度現(xiàn)象為上層海洋的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供補(bǔ)給.作為介于中間的時(shí)空尺度，亞中尺度過(guò)程承擔(dān)了連接中尺度和小尺度的橋梁作用.Ferrari和Wunsch(2009)指出上層海洋亞中尺度過(guò)程通過(guò)湍流動(dòng)能級(jí)串和能量耗散確定上層海洋的平衡狀態(tài).Gula等(2016)研究了地形產(chǎn)生的亞中尺度不穩(wěn)定性和能量耗散，認(rèn)為地形產(chǎn)生的亞中尺度流對(duì)地轉(zhuǎn)流能量耗散提供了新的重要路徑.Sasaki等(2017)研究了副極地的亞中尺度過(guò)程，認(rèn)為存在亞中尺度向中尺度的逆向能量級(jí)串，即亞中尺度效應(yīng)增強(qiáng)了中尺度渦，使得中尺度渦的耗散減少了.亞中尺度過(guò)程具有季節(jié)性的周期特征，Mensa等(2013)利用混合坐標(biāo)海洋模型(HYCOM)研究了灣流區(qū)的亞中尺度現(xiàn)象，指出亞中尺度過(guò)程具有季節(jié)性特征.Qiu等(2014)利用高分辨率模型和衛(wèi)星高度計(jì)研究了北太平洋副熱帶環(huán)流的中尺度和亞中尺度渦旋，指出其中的季節(jié)性變化.Callies等(2015)提出了海表混合層亞中尺度流正經(jīng)歷季節(jié)性循環(huán)的觀測(cè)證據(jù).

對(duì)亞中尺度過(guò)程的研究雖然有所發(fā)展，但與其他更為常見的洋流類型相比其研究進(jìn)展仍然較慢，這其中很大程度上是由于觀測(cè)的困難.亞中尺度過(guò)程的空間和時(shí)間尺度介于小尺度采樣使用的船舶、浮標(biāo)、浮子和大尺度采樣使用的衛(wèi)星傳感器之間，兩種觀測(cè)手段都難以很好地觀測(cè)亞中尺度過(guò)程；亞中尺度過(guò)程的時(shí)間尺度小，它生成、傳播與消亡的過(guò)程難以被有效捕捉；人們尚未揭示亞中尺度過(guò)程的生成規(guī)律，難以知曉它的生成源從而開展現(xiàn)場(chǎng)斷面的觀測(cè)；亞中尺度過(guò)程的垂向速度數(shù)量級(jí)小，現(xiàn)有儀器的測(cè)量精度難以滿足(冀承振等，2017).因此，找到好的方法去克服這些困難，觀測(cè)和分析亞中尺度過(guò)程是非常具有研究意義的.

地震海洋學(xué)可以作為一個(gè)較好的高分辨率探測(cè)手段，可以去幫助我們研究亞中尺度過(guò)程.由于海水中各處的溫鹽性質(zhì)不同，故而速度和密度存在垂向變化，水體波阻抗也會(huì)發(fā)生垂向變化，所以地震波在水體內(nèi)也會(huì)如同在地層反射一般并呈現(xiàn)在地震剖面上.地震海洋方法可以對(duì)全深度、大部分的海水層進(jìn)行細(xì)結(jié)構(gòu)的成像，數(shù)據(jù)的橫向采樣較密集.

很多學(xué)者利用地震海洋學(xué)方法對(duì)渦旋、鋒面等海洋動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行了研究，雖然尺度有所差異，但這對(duì)于研究亞中尺度過(guò)程是有參考價(jià)值的.Biescas 等(2008)首先使用地震海洋學(xué)方法研究了海洋渦旋，揭示了地中海渦旋的精細(xì)結(jié)構(gòu).Pinheiro 等(2010)研究了地中海渦旋和潛流，使用地震剖面結(jié)合聲浮子、SLA(海表高度異常)、SST(海表溫度)資料研究了溫鹽細(xì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橫向變化.Song等(2011)首次發(fā)現(xiàn)地中海渦旋旋臂并研究了渦旋的混合動(dòng)力機(jī)制，提出渦旋核心的混合弱而渦旋邊界及鋒區(qū)的混合強(qiáng).Papenberg等(2010)、黃興輝等(2011)、Biescas等(2014)分別用不同方法從反射地震剖面反演了地中海渦旋的溫度、鹽度和位勢(shì)密度，加深了人們對(duì)地中海渦旋的認(rèn)識(shí).Tang等(2014)結(jié)合地震、衛(wèi)星和原位水文數(shù)據(jù)研究了阿拉斯加灣的渦旋，通過(guò)兩條地震剖面刻畫了同一渦旋的垂直結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)軌跡，并對(duì)該渦旋具有的旋臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究.Tang等(2020)在阿拉斯加灣的地震剖面上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)氣旋性渦旋和一個(gè)反氣旋渦旋，對(duì)其不對(duì)稱性的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了討論，并探討了其斜率譜特征和擴(kuò)散率.Gunn等(2020)通過(guò)三維地震數(shù)據(jù)研究南大西洋巴西暖流和馬爾維納斯海流交匯的海洋鋒面，揭示了鋒面垂直結(jié)構(gòu)和鋒面周圍的透鏡狀反射體的時(shí)間演化，并反演了溫度、鹽度、位勢(shì)密度等物理參數(shù)，與不同水團(tuán)進(jìn)行了很好的匹配.

地震海洋學(xué)對(duì)中尺度渦的研究已較為廣泛，但對(duì)于亞中尺度過(guò)程如亞中尺度渦的研究仍然是較少和初步的.很多亞中尺度結(jié)構(gòu)還未被進(jìn)行高分辨率反射地震成像，因此有必要對(duì)其進(jìn)行研究和分析.本文利用加利福尼亞灣EW0210航次的多個(gè)剖面的多道地震數(shù)據(jù)捕捉到數(shù)個(gè)亞中尺度結(jié)構(gòu)，包括海洋鋒面、渦絲和亞中尺度渦，結(jié)合物理海洋數(shù)據(jù)對(duì)其反射結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，探討了其反射結(jié)構(gòu).

1 研究區(qū)域背景

研究區(qū)域主要位于墨西哥西北部和下加利福尼亞半島之間的加利福尼亞灣(圖1)，呈西北—東南走向，北窄南寬形似喇叭狀.長(zhǎng)約1200 km，寬度為90～210 km，面積約16萬(wàn)km2.其呈狹長(zhǎng)海灣狀，太平洋在這里深入北美大陸，海灣被兩大島間的地峽分成兩部分，北部水淺，南部水深在2500 m以上，地峽處海潮非常洶涌.

圖1 地震測(cè)線位置分布圖(其中測(cè)線03與04位置基本重合)，紅點(diǎn)是測(cè)線的起點(diǎn)方向Fig.1 Location of seismic line (the positions of line 03 and 04 basically coincide). The red point is the starting direction of the line

加利福尼亞灣的季節(jié)性環(huán)流非常強(qiáng)烈，可以描述為兩個(gè)渦度符號(hào)相反的主要階段，以及兩者之間的過(guò)渡階段(Lavín and Marinone，2003).由前人的CTD和錨系觀測(cè)，以及數(shù)值模擬結(jié)果可知，在6—9月(4個(gè)月)呈現(xiàn)垂直分層強(qiáng)烈的氣旋性環(huán)流，流速平均約為0.35 m·s-1，在11—4月(6個(gè)月)呈現(xiàn)分層較弱的反氣旋性環(huán)流，流速約為平均0.35 m·s-1，兩種狀態(tài)之間存在一個(gè)過(guò)渡階段，需要大約三周的時(shí)間(Palacios-Hernández et al.，2002).受季節(jié)性環(huán)流驅(qū)動(dòng)，加利福尼亞灣廣泛發(fā)育大量不同尺度的渦，包括中尺度渦和亞中尺度渦，而且中尺度渦可以通過(guò)能量級(jí)聯(lián)激發(fā)亞中尺度過(guò)程.

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文使用的地震數(shù)據(jù)來(lái)自2002年在加利福尼亞灣海域采集的多道反射地震數(shù)據(jù)(測(cè)線位置見表1及圖1).該地震數(shù)據(jù)由R/V Maurice Ewing號(hào)考察船在2002年的第259日至303日期間采集.原始多道地震數(shù)據(jù)包括39條測(cè)線.震源使用壓力2000 psi的氣槍震源，距離測(cè)量的拖纜55.3 m.本文使用的測(cè)線L04，L16的炮間距為50 m；測(cè)線L03, L14-003的炮間距為150 m.拖纜長(zhǎng)度6000 m，每炮用480個(gè)水聽器接收，靠近船的是第480道，道間距12.5 m.采集系統(tǒng)使用SYNTRAK 480，時(shí)間采樣間隔4 ms，采樣時(shí)長(zhǎng)16.384 s.

表1 測(cè)線位置及采集日期(UTC，2002年)Table 1 Location of survey line and acquisition date (UTC, 2002)

地震海洋學(xué)的數(shù)據(jù)處理類似于常規(guī)反射地震處理方法.由于地震海洋學(xué)研究對(duì)象是海水，與地層相比海水反射能量較弱且信噪比較低，故在噪聲的壓制方面有差別.與陸地采集地震數(shù)據(jù)不同，海上地震采集存在涌浪噪聲為主的低頻干擾，需要去除低頻噪聲.本文所使用的地震數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了常規(guī)處理流程包括：(1)觀測(cè)系統(tǒng)定義；(2)去除低頻干擾；(3)直達(dá)波壓制；(4)CMP道集抽取；(5)速度分析；(6)動(dòng)校正；(7)CMP水平疊加；(8)疊后去噪等步驟.

本文使用了來(lái)自于歐盟哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心(Copernicus Marine Environment Monitoring Service，CMEMS)的實(shí)時(shí)海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與物理海洋學(xué)再分析數(shù)據(jù)來(lái)與地震數(shù)據(jù)形成對(duì)照.該再分析數(shù)據(jù)由CTD、XBT、ADCP、Argo、Glider、Mooring、遙感等觀測(cè)資料結(jié)合物理海洋學(xué)數(shù)值模擬進(jìn)行一系列處理與整合后獲得.使用位溫、流速和海表高度等日平均數(shù)據(jù)，水平分辨率為1/12° × 1/12°，垂向深度最大達(dá)到5000 m.使用了2002-09-19—2002-10-28期間， 20—34°N， 104—118°W海域的數(shù)據(jù).

3 理論與方法

3.1 物理海洋學(xué)參數(shù)

3.2 地震水平斜率譜與譜能量計(jì)算

4 結(jié)果與討論

4.1 亞中尺度過(guò)程結(jié)構(gòu)分析

測(cè)線L03西側(cè)水深較深，東側(cè)水深很淺.在2002年9月19日50 m水深的水平水文參數(shù)分布圖上可以觀察到，測(cè)線整體切過(guò)西北至東南大型渦列尾端甩出的渦絲(圖2).水體上層的反射同相軸有起伏，這是由于該測(cè)線切過(guò)冷渦絲，渦絲的溫度低于周圍海水溫度，故反射軸上凸(圖3).

圖2 2002年9月19日加利福尼亞灣的50 m水深的(a)溫度場(chǎng)，(b)水平流速場(chǎng)(海表面高度)，(c)Rossby數(shù)與(d)OW參數(shù)，黑線為測(cè)線L03位置Fig.2 Temperature (a), horizontal velocity (SSH) (b), Rossby number and (d)OW parameter at 50 m depth in the Gulf of California on September 19, 2002. The black line is the position of line L03

圖3 (a)測(cè)線L03的地震剖面，空白區(qū)域?yàn)楸磺谐暮５椎卣鸱瓷洌?b)為(a)中渦絲區(qū)域放大圖，黑色粗線勾勒了同相軸結(jié)構(gòu)；(c)測(cè)線L03位置的Rossby數(shù)斷面圖Fig.3 (a) Seismic profile of line L03. The blank is the excised submarine seismic reflection；(b) is an enlarged view of the central eddy filament region in (a), and the black thick line outlines the in-phase axis structure (c) Vertical profile of Rossby number at line L03

圖4b展示了理論的渦絲結(jié)構(gòu)，由一對(duì)偶極子次級(jí)環(huán)流構(gòu)成.中間是高密度的下沉流，兩側(cè)是低密度的向中心幅聚的相向流，兩側(cè)相向流分別與中心下沉流產(chǎn)生一組次級(jí)環(huán)流.整體密度結(jié)構(gòu)呈人字形分布，且存在多個(gè)相向傾斜的密度鋒(McWilliams, 2016).而在地震剖面L03左上角觀察到的反射體形態(tài)符合理論的渦絲結(jié)構(gòu)，應(yīng)是渦列尾端的渦絲.反射體形狀呈人字形，反射同相軸上翹且強(qiáng)度大于周圍的水體(圖3b).兩側(cè)水團(tuán)內(nèi)部反射強(qiáng)度略弱于邊界，反射同相軸方向大體平行于水團(tuán)邊界.整個(gè)現(xiàn)象大致分布在100 m到400 m水深范圍內(nèi)，水平尺度約30 km.可以識(shí)別到兩組相對(duì)的傾斜反射體，組內(nèi)呈疊瓦狀分布，單個(gè)的反射體水平尺度在10 km左右.Chelton等(1998)計(jì)算的加利福尼亞灣出口處的第一斜壓Rossby半徑約為40 km，故我們觀察到的現(xiàn)象屬于亞中尺度過(guò)程.推測(cè)它們正是構(gòu)成渦絲結(jié)構(gòu)的密度鋒，每組鋒面內(nèi)部均平行并被弱反射段分隔開.可能的鋒面過(guò)程包括內(nèi)波的破碎、交錯(cuò)和湍流的攪動(dòng).這些結(jié)構(gòu)表明，渦絲內(nèi)部并不是一個(gè)明確的邊界，而是呈現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜而寬廣的鋒面區(qū)(Tang et al.，2020).Rossby數(shù)斷面圖可以作為參考(圖3c)，在垂向斷面圖上Rossby數(shù)的正負(fù)發(fā)生了連續(xù)翻轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出類似疊瓦狀的分布，與前述的地震反射結(jié)構(gòu)具有較好的空間一致性.測(cè)線L04與L03位置相同，航向相反，時(shí)間延后一天，也呈現(xiàn)了類似的渦絲結(jié)構(gòu)和空間尺度(圖5).

圖4 (a)鋒面內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；(b)渦絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖(改自McWilliams，2016)Fig.4 (a) Schematic diagram of internal structure of fronts; (b) Schematic diagram of internal structure ofeddy filament (modified from McWilliams, 2016)

圖5 (a)測(cè)線L04的地震剖面，與L03調(diào)整為相同走向，空白區(qū)域?yàn)楸磺谐暮５椎卣鸱瓷洌?b)為(a)中渦絲區(qū)域放大圖，黑色粗線勾勒了同相軸結(jié)構(gòu)Fig.5 (a) The seismic profile of line L04 is adjusted to the same trend as that of L03, and the blank is the excised submarine seismic reflection；(b) is an enlarged view of the central eddy filament region in (a), and the black thick line Outlines the in-phase axis structure

可以與之對(duì)比的是測(cè)線L16(圖6)，在地震剖面上可以看到剖面中間存在透鏡狀區(qū)域，深度范圍150～600 m，水平尺度約75 km，屬于一般規(guī)模的中尺度渦旋.內(nèi)部有大量細(xì)碎的同相軸，大多具有一定弧度，整體構(gòu)成透鏡狀.邊界不明顯，但可以從細(xì)碎反射消失的位置判斷.右上存在的傾斜強(qiáng)反射應(yīng)是不同溫度水團(tuán)交匯處的鋒面，也是渦旋的鋒面.理論的普通鋒面結(jié)構(gòu)，由一個(gè)單極子的次級(jí)環(huán)流構(gòu)成(圖4a).與前述L03中構(gòu)成復(fù)雜渦絲結(jié)構(gòu)的鋒面區(qū)不同，本測(cè)線中的鋒面呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的傾斜反射.東側(cè)是暖渦渦絲構(gòu)成的沿岸流平行于海岸方向流動(dòng)，西側(cè)是表層向岸流，兩個(gè)不同水團(tuán)在剖面處交匯形成鋒面結(jié)構(gòu)(參考圖7c′).

圖7續(xù)

圖7 2002年9月27日加利福尼亞灣50 m水深的(a) 溫度場(chǎng)，(c) 流速場(chǎng)(海平面高度)，(e) Rossby數(shù)與(g)OW參數(shù)；(b)(d)(f)(h)為200 m水深；(c′)(d′)分別為(c)(d)中黑框區(qū)域放大圖，黑線為測(cè)線L14-003位置，(c′)中紅線為測(cè)線L16位置Fig.7 (a) Temperature, (c) horizontal velocity (SSH), (e) Rossby number and (g) OW parameter of 50 m depth in the Gulf of California on September 27, 2002; (b)(d)(f)(h) is 200 m water depth;(c′) and (d′) are the enlarged images of the black box area in (c) and (d), respectively. The black line is the position of L14-003, and the middle red line in (c′) is the position of L16

測(cè)線L14-003整體水深較深，僅在測(cè)線中段有一座不高的海山.在2002年9月27日50 m水深的溫度，Rossby數(shù)，OW參數(shù)和流速場(chǎng)上(圖7)，可以觀察到本測(cè)線左右側(cè)各有一個(gè)中尺度渦.在200 m水深的流速水平剖面上，測(cè)線切過(guò)的位置流向雖然與50 m處類似但流速大大減小，同時(shí)Rossby數(shù)和OW參數(shù)值非常小，渦旋的影響在200 m處已經(jīng)基本消失，溫度場(chǎng)也趨于均一.

在地震剖面上(圖8)，左上位置可以看到邊界清晰的碗狀反射體，中心深度約150 m，水平尺度約50 km，在地震剖面上的表現(xiàn)為一個(gè)中尺度渦，其反射強(qiáng)度明顯強(qiáng)于周圍海水，最中心處反射強(qiáng)度較弱.反射體內(nèi)存在一形狀相似于邊界的更小碗狀反射，中心深度150 m，水平尺度約35 km，應(yīng)是渦核.碗狀渦核左右兩側(cè)存在近水平的括號(hào)狀反射，推測(cè)是亞中尺度的渦絲，其結(jié)構(gòu)(圖9)類似于星系中渦旋與旋臂關(guān)系(Song et al.，2011).右上位置有一碗狀反射體，中心深度約200 m，水平尺度約30 km，小于第一斜壓Rossby變形半徑.推測(cè)其可能是測(cè)線右側(cè)中尺度暖渦邊緣產(chǎn)生的亞中尺度渦在地震剖面上的表現(xiàn).右側(cè)反射體內(nèi)同樣存在形狀相似于邊界的渦核，中心深度150 m，水平尺度約15 km，外側(cè)具有近水平的括號(hào)狀渦絲結(jié)構(gòu).這兩個(gè)渦旋并沒(méi)有表現(xiàn)出典型的透鏡體，而是更傾向于碗狀，這可能是由于它們是接近海表的渦.在這種情況下，上面的反射會(huì)遵循一個(gè)類似的碗狀曲率(Yamashita et al.，2011).另一種解釋是，它可能在重力上是不穩(wěn)定的，也就是說(shuō)，它可能正在下沉(Gorman et al.，2018).在類似同心圓狀的渦結(jié)構(gòu)中，內(nèi)圓的渦核結(jié)構(gòu)保持完整，而外圓在基底處模糊，推測(cè)是由于外側(cè)渦絲的存在，內(nèi)部分層較弱為內(nèi)側(cè)渦核更高的穩(wěn)定性創(chuàng)造了條件，故而有完整的結(jié)構(gòu).渦核和外側(cè)渦絲均表現(xiàn)為邊界的強(qiáng)反射和內(nèi)部的較弱反射.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.渦旋的分層結(jié)構(gòu)比周圍水域強(qiáng)，溫暖的渦旋中心向下延伸，提供了更大的垂向密度梯度，并為分層提供了額外的空間(Tang et al.，2020).豐富的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能源于是渦旋捕獲了大量的暖水和增加溫躍層厚度而導(dǎo)致的分層增強(qiáng).

圖8 (a)測(cè)線L14-003的地震剖面；(b)為(a)中左側(cè)渦旋區(qū)域放大圖，黑色粗線勾勒了同相軸結(jié)構(gòu)；(c)為(a)中右側(cè)渦旋區(qū)域放大圖Fig.8 (a) Seismic profile of L14-003; (b) is an enlarged view of the eddy region on the left side of (a), and the black thick line outlines the in-phase axis structure; (c) is an enlarged view of the right eddy region in (a)

圖9 渦旋及其周圍渦絲整體結(jié)構(gòu)示意圖(a) 平面圖； (b) 剖面圖.Fig.9 Schematic diagram of the overall structure of eddy and its surrounding eddy filaments (a) Horizontal view； (b) Vertical view.

4.2 斜率譜與譜能量特征分析

對(duì)前述地震剖面L14-003選取兩個(gè)窗口，其中一個(gè)窗口選取在右側(cè)小渦旋處(圖10中以綠色標(biāo)注)，另一個(gè)窗口選取在其正下方無(wú)明顯反射結(jié)構(gòu)的區(qū)域(圖10以藍(lán)色標(biāo)注).對(duì)窗口內(nèi)的地震數(shù)據(jù)按照前述方法計(jì)算其地震斜率譜.窗口大小為25 km×150 m.其中綠色窗口橫坐標(biāo)150～175 km，縱坐標(biāo)150～300 m；藍(lán)色窗口選擇橫坐標(biāo)150～175 km，縱坐標(biāo)750～900 m.

在綠色窗口的斜率譜上觀察到了具有一定規(guī)律的劇烈起伏的尖峰(圖11a).這是由地震數(shù)據(jù)采集時(shí)的觀測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)的諧波噪聲(Holbrook et al., 2013).這種噪聲在地震數(shù)據(jù)的水平波數(shù)域非常明顯，存在于與地震數(shù)據(jù)炮間距對(duì)應(yīng)的多個(gè)離散的波數(shù)處.這是由于一定間隔放炮在水平波數(shù)域?qū)е铝艘幌盗信c炮間距對(duì)應(yīng)波數(shù)成整數(shù)倍的諧波噪聲，相鄰CMP疊加地震道上反射能量的振幅或到達(dá)時(shí)的輕微變化會(huì)產(chǎn)生諧波波數(shù)噪聲，這種諧波噪聲完全是炮間距引起的，與作為探測(cè)目標(biāo)的介質(zhì)無(wú)關(guān)，所以我們使用陷波濾波壓制了諧波噪聲.

我們將諧波噪聲壓制后，由斜率譜結(jié)構(gòu)可知(圖11a)，存在亞中尺度現(xiàn)象的區(qū)域與無(wú)明顯現(xiàn)象的區(qū)域相比，斜率譜具有以下特點(diǎn)：波數(shù)從低到高大致分為四段：第一段斜率約為2，與隨機(jī)噪聲一致；第二段斜率接近-0.5，與內(nèi)波參考斜率一致；第三段斜率接近1/3，與湍流參考斜率一致，內(nèi)波與湍流之間是過(guò)渡段，可能具有內(nèi)波與湍流共存的特點(diǎn)；第四段斜率約為-8，這是由于地震處理的橫向平滑產(chǎn)生的，目的是增強(qiáng)數(shù)據(jù)的橫向連續(xù)性從而增加地震反射層的數(shù)目和長(zhǎng)度.而無(wú)現(xiàn)象區(qū)域的地震斜率譜呈類似半圓弧形(圖11b)，可以觀察到低波數(shù)的斜率約為2的似隨機(jī)噪聲段，中高波數(shù)的斜率約1/3的湍流段以及橫向平滑的-8斜率段，但觀察不到內(nèi)波段.

為了消除深度和地震數(shù)據(jù)處理誤差的影響，從而對(duì)比波數(shù)譜的相對(duì)強(qiáng)度.在綠色窗口左側(cè)的相同深度處，選取一個(gè)一樣大小的窗口(圖10中以紅色標(biāo)注)進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果進(jìn)行平滑.可以看到，兩者斜率譜的結(jié)構(gòu)是相似的(圖12)，但在不同的波數(shù)段具有不同的相對(duì)強(qiáng)度.渦旋處的斜率譜，在湍流波數(shù)段中具有最低的譜能量，因此具有最低的混合速率，這可能是由于它的封閉區(qū)域和邊界具有相對(duì)穩(wěn)定的強(qiáng)分層.而渦的邊界由鋒面系統(tǒng)構(gòu)成，這里亞中尺度過(guò)程以內(nèi)波形式普遍存在，所以內(nèi)波段能量最強(qiáng).而旁邊背景水層的斜率譜，盡管波數(shù)譜形態(tài)接近于渦旋，但內(nèi)波能量稍低，推測(cè)內(nèi)波能量是在鋒面區(qū)釋放，然后向外擴(kuò)散(Tang et al.，2020).湍流能量高于渦旋處，可能是在離旋渦不遠(yuǎn)的環(huán)境水中，具有弱分層的海水很容易被內(nèi)波擾動(dòng)增強(qiáng)湍流混合.與深層的平靜水層對(duì)比，深層環(huán)境水中幾乎沒(méi)有內(nèi)波能量，與地震剖面上看不到反射體相符.而湍流段范圍長(zhǎng)，則反映深層并不像看上去那么平靜，而是具有一定的湍流活動(dòng).

圖10 地震剖面L14-003選取的窗口位置，綠色窗口選取在渦旋處，藍(lán)色窗口選取在無(wú)明顯現(xiàn)象的深水區(qū)域，紅色窗口是與藍(lán)色窗口相同深度的無(wú)明顯現(xiàn)象的背景水體Fig.10 The selected window of seismic profile L14-003. The green window is selected at the eddy, the blue window is selected at the deep water area with no obvious phenomenon, and the red window is the background water with no obvious phenomenon at the same depth as the blue window

圖12 地震剖面L14-003中渦旋位置(圖10綠色窗口)，弱反射深水位置(圖10藍(lán)色窗口)及渦旋左側(cè)無(wú)現(xiàn)象的背景水體位置(圖10紅色窗口)的斜率譜對(duì)比Fig.12 Comparison of slope spectrum of eddy position in seismic profile L14-003 (Fig. 10 green window

對(duì)于地震剖面L14-003的渦旋位置窗口(圖11a)，在10-3.3m-1以下波數(shù)段屬于似隨機(jī)噪聲段，在10-3.3～10-1.9m-1的波數(shù)段內(nèi)斜率與內(nèi)波相接近，在10-1.9-10-1.5m-1的波數(shù)段內(nèi)斜率與湍流相接近，在10-1.5m-1以上的波數(shù)段內(nèi)受到橫向平滑處理的影響.對(duì)L14-003剖面選取現(xiàn)象較豐富的75～525 m深度范圍，分別對(duì)內(nèi)波和湍流波數(shù)段進(jìn)行積分，根據(jù)3.2節(jié)所述方法計(jì)算相對(duì)地震譜能量.設(shè)定相對(duì)地震譜能量的計(jì)算網(wǎng)格為128×5個(gè)采樣點(diǎn)，網(wǎng)格大小0.8 km×12 m.對(duì)得到的譜能量分布圖進(jìn)行3×3點(diǎn)平滑處理，獲得平滑后的相對(duì)地震譜能量(圖13).

圖11 地震剖面L14-003中 (a)綠色窗口的斜率譜; (b)藍(lán)色窗口的斜率譜Fig.11 Slope spectrum of (a) green window in seismic profile L14-003; (b) Slope spectrum of the blue window w), position of the deeper with weak reflections (Fig.10 blue window) and non-phenomenon background water position on the left side of the eddy (Fig.10 red window)

內(nèi)波(10-3.3～10-1.9m-1)波數(shù)段的譜能量分布(圖13a)與地震數(shù)據(jù)相對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)具有較好的一致性.100 m深度附近是譜能量高值，這里是地震剖面中渦旋的上邊界位置，同時(shí)該深度內(nèi)波廣泛發(fā)育；渦旋下邊界附近也可以觀察到譜能量略高于背景值；在約225 m深度的中右位置也出現(xiàn)了高值，這里雖然沒(méi)有渦旋，但也可以在地震剖面觀察到內(nèi)波的條紋痕跡.湍流(10-1.9～10-1.5m-1)波數(shù)段的譜能量分布(圖13b)與地震剖面則具有更好的相關(guān)性.其中左、右兩個(gè)渦旋的位置均表現(xiàn)為譜能量的低值，而270 m深度附近兩個(gè)渦中間的區(qū)域表現(xiàn)為譜能量的高值.渦核由于封閉的結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性，湍流能量低，而渦邊界的亞中尺度過(guò)程和較強(qiáng)的內(nèi)波擾動(dòng)了周圍的海水，故表現(xiàn)為湍流能量的高值，這也與前述的觀點(diǎn)相符.

5 總結(jié)與結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)2002年加利福尼亞灣及其附近海域地震剖面的分析與計(jì)算，研究了亞中尺度過(guò)程在地震海洋學(xué)剖面中的表現(xiàn)及特征，計(jì)算了地震剖面上亞中尺度過(guò)程的斜率譜與譜能量特征，討論了能量耗散的過(guò)程.

我們觀察到中尺度渦渦列尾端的渦絲，其屬于亞中尺度過(guò)程.理論的渦絲垂向結(jié)構(gòu)為一對(duì)偶極子次級(jí)環(huán)流，由中間的高密度下沉流和兩側(cè)的低密度幅聚相向流構(gòu)成.渦絲的密度結(jié)構(gòu)近似呈人字形分布，由多個(gè)相向傾斜的密度鋒構(gòu)成.地震剖面上的渦絲由多組相對(duì)的疊瓦狀傾斜反射體構(gòu)成，驗(yàn)證了渦絲內(nèi)部密度鋒的理論垂向結(jié)構(gòu).表明渦絲內(nèi)部呈現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜而寬廣的鋒面區(qū)，鋒面過(guò)程可能包括內(nèi)波的破碎、交錯(cuò)和湍流的攪動(dòng).

在中尺度渦附近的地震剖面上可以觀察到其產(chǎn)生的亞中尺度渦旋，近表層的渦旋呈碗狀強(qiáng)反射結(jié)構(gòu).由于渦旋水體的溫鹽等性質(zhì)與周邊水體存在差異，與周圍水團(tuán)的物質(zhì)交換時(shí)存在劇烈的熱鹽侵入，故在地震剖面上其邊界會(huì)表現(xiàn)為強(qiáng)反射特征.而內(nèi)部由于較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)細(xì)碎的弱反射.同時(shí)我們觀察到中尺度渦旋的渦絲，兩者關(guān)系類似于旋渦星系和其旋臂結(jié)構(gòu)，在地震剖面上呈現(xiàn)為左右側(cè)邊界外側(cè)的括號(hào)狀近水平反射帶.

地震斜率譜的計(jì)算表明窗口內(nèi)亞中尺度現(xiàn)象是否發(fā)育明顯影響了斜率譜的結(jié)構(gòu)：淺部亞中尺度現(xiàn)象區(qū)域的斜率譜包含內(nèi)波段和湍流段，而平靜深水區(qū)域的地震斜率譜觀察不到內(nèi)波段.同一深度的不同窗口的斜率譜結(jié)構(gòu)相似，而相對(duì)強(qiáng)度有差異：渦旋處的內(nèi)波能量較高，而周圍無(wú)明顯現(xiàn)象的背景水體的湍流能量較高.對(duì)內(nèi)波段進(jìn)行積分獲得的相對(duì)譜能量分布圖上，高值的分布位置與亞中尺度現(xiàn)象的分布位置有一定吻合，推測(cè)是渦旋的邊界由鋒面系統(tǒng)構(gòu)成，這里亞中尺度過(guò)程以內(nèi)波形式普遍存在.湍流段進(jìn)行積分的結(jié)果則與地震剖面具有更好的相關(guān)性，渦旋位置表現(xiàn)為譜能量的低值，而靠近渦旋的位置表現(xiàn)為譜能量的高值，推測(cè)是渦旋與內(nèi)波的擾動(dòng)增強(qiáng)了周圍水體的湍流.

綜上所述，亞中尺度現(xiàn)象在地震海洋學(xué)剖面上是可以被觀察到的，也具有一定的特點(diǎn)和規(guī)律，同時(shí)地震斜率譜和相對(duì)譜能量也可以作為研究和分析它的一種手段.亞中尺度過(guò)程作為目前海洋學(xué)研究的前沿問(wèn)題，具有快速成像、高橫向分辨率優(yōu)點(diǎn)的反射地震方法將是未來(lái)其研究工作的一種重要手段.

致謝感謝R/V Maurice Ewing EW0210航次的船長(zhǎng)、船員和各位科學(xué)家為獲得地震數(shù)據(jù)做出的貢獻(xiàn).地震數(shù)據(jù)EW0210由MGDS(The Marine Geoscience Data System)—海洋地球科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供(http:∥www.marine-geo.org/).溫鹽數(shù)據(jù)來(lái)自CMEMS(Copernicus Marine Environment Monitoring Service)—哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)中心(http:∥marine.copernicus.en/services-portfolio/access-to-products/).十分感謝MGDS和CMEMS對(duì)本研究的數(shù)據(jù)支持.