海水物性對(duì)地震反射系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)

董崇志，宋海斌，王東曉，黃興輝，拜 陽(yáng)

1國(guó)家海洋局第二海洋研究所 國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012

2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

3中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 中國(guó)科學(xué)院熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510301

1 引 言

在海洋反射地震勘探中，聲波通常由氣槍激發(fā)，然后相繼在海水和海底介質(zhì)中向下傳播，遇到波阻抗突變界面時(shí)，發(fā)生反射和折射，最終被位于海表面的水聽(tīng)器所接收.常規(guī)地震勘探以研究海洋地質(zhì)構(gòu)造為目的，認(rèn)為海底以上的反射波信號(hào)是噪聲，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中通常對(duì)其進(jìn)行壓制或剔除.Holbrook等［1］卻發(fā)現(xiàn)這段時(shí)間的信號(hào)攜帶了關(guān)于海水性質(zhì)的大量有用信息，利用常規(guī)的地震數(shù)據(jù)分析方法對(duì)其進(jìn)行處理，獲得了高分辨率的海水層地震剖面，結(jié)合物理海洋學(xué)認(rèn)識(shí)，合理地解釋了地震剖面所反映的海水中小尺度結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程.該方法被稱為地震海洋學(xué)（Seismic Oceanography），它具有傳統(tǒng)海水溫鹽深調(diào)查手段（如投棄式溫深剖面儀XBT、溫鹽深剖面儀CTD和投棄式溫鹽深剖面儀XCTD等）所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，特別是其水平分辨率是后者的百倍以上.其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)吸引了美國(guó)、加拿大、歐盟、日本、中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)的眾多科學(xué)家投入到這門(mén)新興學(xué)科的相關(guān)研究中.目前為止，雖然已經(jīng)在獲取不同海洋環(huán)境的水體細(xì)結(jié)構(gòu)地震圖像（如海洋鋒［1－5］、渦 旋［6－10］、內(nèi)波［11－14］、溫鹽階梯［15－16］等）和 定量估算物理海洋學(xué)參數(shù)（如溫度［17－18］、聲速［17－18］、內(nèi)波能級(jí)［11－13］、湍流耗散率［19］等）兩方面取得了重要進(jìn)展，但還存在一系列亟待研究的關(guān)鍵問(wèn)題.本文研究的海水物性（聲速和密度，溫度和鹽度）與地震剖面的關(guān)系便是其中之一.

經(jīng)過(guò)保幅處理的疊前或疊后地震剖面的振幅反映了海水層反射系數(shù)的大小.在海水介質(zhì)中，地震反射系數(shù)是相鄰海水層波阻抗（聲速和密度的乘積）的函數(shù)，通過(guò)海水狀態(tài)方程［20－21］，可以與溫度、鹽度和壓力建立關(guān)系.Ruddick等［22］首次利用估算海水物性對(duì)法向反射系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)（簡(jiǎn)稱法向相對(duì)貢獻(xiàn)）的方法，定量地分析了反射系數(shù)與海水物性的關(guān)系，獲得了特定溫度和鹽度的法向相對(duì)貢獻(xiàn)，并指出其與密度比有關(guān).Sallares等［23］利用海水狀態(tài)方程構(gòu)建了反射系數(shù)與海水物性的表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上對(duì)GO（Geophysics Oceanography）項(xiàng)目在Gadiz灣采集的GOLR12溫鹽剖面進(jìn)行分析，獲得了地中海渦旋處海水聲速和密度、溫度和鹽度的平均法向相對(duì)貢獻(xiàn).上述研究為認(rèn)識(shí)海水物性和地震剖面的關(guān)系提供了定量化方法，但僅對(duì)特定海域的溫鹽深資料進(jìn)行了分析，未考慮溫鹽資料的時(shí)空變化特征對(duì)法向相對(duì)貢獻(xiàn)的影響.本文將選取地中海渦旋、各大洋不同緯度和南海東北部不同月份的三組CTD資料進(jìn)行研究，系統(tǒng)地分析海域、季節(jié)和深度對(duì)法向相對(duì)貢獻(xiàn)的影響以及海水物性對(duì)非法向反射系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)（簡(jiǎn)稱非法向相對(duì)貢獻(xiàn)）與入射角的關(guān)系，進(jìn)而揭示相對(duì)貢獻(xiàn)的變化范圍和相似性，并探討Turner角對(duì)相對(duì)貢獻(xiàn)的指示作用.

2 基本原理

完整的Zoeppritz方程全面考慮了地震波入射在平界面兩側(cè)產(chǎn)生的縱、橫波反射系數(shù)和透射系數(shù)與聲速、密度以及入射角之間的關(guān)系［24］.由于海水屬于流體介質(zhì)，其中沒(méi)有橫波傳播，Zoeppritz方程可以進(jìn)行較大簡(jiǎn)化，反射系數(shù)R可表示為

其中，v1、v2和ρ1、ρ2分別代表上、下海水層的聲速和密度，i為入射角，θ為出射角（圖1）.入射角和出射角之間的關(guān)系由Snell定律決定，即入射角與出射角的正弦比等于上、下兩層介質(zhì)的聲速比.

圖1 海水中聲波反射和折射示意圖Fig.1 Schematic diagram of acoustic wave reflection and refraction in the seawater

公式（1）顯示反射系數(shù)與聲速和密度之間具有較強(qiáng)的非線性關(guān)系.為了便于分析，可以對(duì)其進(jìn)行線性簡(jiǎn)化，當(dāng)相鄰兩層介質(zhì)的物性參數(shù)差異較小，即Δv／v、Δρ／ρ和其它值相比均為小值，流體介質(zhì)的Zoeppritz方程可近似表達(dá)為［25］

對(duì)于海水介質(zhì)，v＝（v1＋v2）／2和ρ＝（ρ1＋ρ2）／2分別代表相鄰海水層的平均聲速和平均密度，Δv＝v2－v1和Δρ＝ρ2－ρ1分別為相鄰海水層的聲速差異和密度差異.由公式（2）可知，反射系數(shù)主要與入射角、聲速和密度有關(guān)，并且可近似為入射角正割平方的線性函數(shù).更重要的是，聲速和密度參數(shù)分別包含在線性簡(jiǎn)化公式的斜率和截距中，便于分析不同物性對(duì)反射系數(shù)的影響.

令：

其中，Rρ為式（2）第一項(xiàng)的絕對(duì)值，代表了密度對(duì)反射系數(shù)的貢獻(xiàn)；Rv為式（2）第二項(xiàng)的絕對(duì)值，代表了聲速對(duì)反射系數(shù)的貢獻(xiàn)，其值隨著入射角增加而增大.聲速和密度對(duì)反射系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)分別由Rv／Ra和Rρ／Ra進(jìn)行估計(jì).

海水聲速和密度是溫度、鹽度和壓力的函數(shù)，其全微分表達(dá)式代表了聲速差異和密度差異與溫度差異、鹽度差異和壓力差異的關(guān)系.

式中，ΔT＝T2－T1、ΔS＝S2－S1和ΔP＝P2－P1分別為相鄰海水層的溫度差異、鹽度差異和壓力差異，T1、T2，S1、S2，P1、P2分別為相鄰海水層的溫度、鹽 度 和 壓 力，?v／?T、?v／?S、?v／?P、?ρ／?T、?ρ／?S和?ρ／?P分別為海水聲速和密度對(duì)溫度、鹽度和壓力的偏導(dǎo)數(shù).

式（6）和（7）代入式（2），可得

與Rρ和Rv的定義類似，令RT、RS和RP分別為上式中第一、第二和第三項(xiàng)的絕對(duì)值，他們分別代表了溫度、鹽度和壓力對(duì)反射系數(shù)的貢獻(xiàn).令R′a為RT、RS、RP三項(xiàng)之和，則溫度、鹽度和壓力的相對(duì)貢獻(xiàn)可分別由比值RT／R′a、RS／R′a和RP／R′a計(jì)算.

3 海水聲速和密度變化特征

雖然聲速和密度隨著壓力（或深度）的增加而增大，但由于鄰近海水層界面的壓力近似相等，壓力差異引起的波阻抗變化可以忽略不計(jì).因此，下文將不考慮壓力對(duì)反射系數(shù)的影響，僅探討聲速和密度、溫度和鹽度兩組物性參數(shù)對(duì)反射系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn).

由公式（8）可見(jiàn)，聲速和密度對(duì)溫度和鹽度的變化率?v／?T、?v／?S、?ρ／?T和?ρ／?S決定了溫度、鹽度對(duì)反射系數(shù)的貢獻(xiàn)權(quán)重.圖2a是鹽度為35psu、壓力為1800dbar時(shí)的聲速和密度對(duì)隨溫度、鹽度的變化率；圖2b是溫度為19℃、壓力為1800dbar時(shí)的聲速和密度隨溫度、鹽度的變化率；圖2c是溫度為19℃、鹽度為35psu時(shí)的聲速和密度隨溫度、鹽度的變化率；由圖可見(jiàn)，聲速對(duì)溫度的變化率最大，對(duì)鹽度的變化率次之.溫度每增加1℃，聲速約增大2～4.5m／s，其變化率隨著溫度的增加而減?。畸}度每增加1psu，聲速增大約1.14m／s.密度對(duì)溫度的變化率為負(fù)，溫度每增加1℃，密度約減小0.25kg／m3；對(duì)鹽度的變化率最大，鹽度每增加1psu，密度約增加0.73kg／m3.

圖2 ?v／?T、?v／?S、?ρ／?T、?ρ／?S與（a）溫度、（b）鹽度的關(guān)系單位分別為m／（s·℃）、m／（s·psu）、kg／（m3·℃）、kg／（m3·psu），其中藍(lán)色實(shí)線和藍(lán)色虛線分別為?v／?T和?v／?S，黑色實(shí)線和黑色虛線分別為?ρ／?T和?ρ／?S.Fig.2 Relationships between（a）T，（b）Spartial derivatives of sound speed or density and temperature，salinity or pressure.The solid and dash blue lines indicate?v／?Tand?v／?S，which unit is m／（s·℃）and m／（s·psu）.The solid and dash black lines indicate?ρ／?Tand?ρ／?S，which unit is kg／（m3·℃）and kg／（m3·psu）.

4 實(shí)測(cè)資料的相對(duì)貢獻(xiàn)估算

估算海水實(shí)測(cè)溫鹽深資料的聲速和密度、溫度和鹽度對(duì)反射系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)可分為4個(gè)步驟：（1）選取具有代表性的高分辨率溫鹽深資料作為研究對(duì)象.為了分析海域、季節(jié)和深度對(duì)相對(duì)貢獻(xiàn)的影響，筆者選取地中海渦旋、各大洋不同緯度和南海東北部不同月份的三組CTD資料進(jìn)行研究.低頻海洋反射地震勘探一般可分辨厚度大于5m的海水層，其垂向分辨率往往小于高分辨率的溫鹽深資料（采樣間隔小于1m）.為了與地震勘探分辨率相匹配，利用三次樣條插值方法對(duì)溫鹽深資料進(jìn)行重采樣，間隔為5m；（2）利用國(guó)際海水狀態(tài)方程（EOS80）估算海水溫鹽深資料對(duì)應(yīng)的聲速和密度及其對(duì)溫度、鹽度的偏導(dǎo)數(shù)值；（3）將聲速和密度結(jié)果代入公式（3）、（4）和（5），并計(jì)算聲速和密度對(duì)反射系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)值Rv／Ra和Rρ／Ra；（4）將聲速、密度及其對(duì)溫度、鹽度和壓力的偏導(dǎo)數(shù)值代入公式（8），計(jì)算公式右邊前兩項(xiàng)的絕對(duì)值并計(jì)算溫度和鹽度對(duì)反射系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)RT／R′a和RS／R′a.

第2節(jié)所述表明相對(duì)貢獻(xiàn)不僅與海水溫鹽結(jié)構(gòu)有關(guān)，還隨著入射角而變化.為了便于分析，下文分法向（入射角為零）相對(duì)貢獻(xiàn)和非法向（入射角大于零）相對(duì)貢獻(xiàn)進(jìn)行討論，分別對(duì)應(yīng)海水物性與疊后地震剖面和疊前地震剖面的關(guān)系.

4.1 法向相對(duì)貢獻(xiàn)

4.1.1 地中海渦旋“Sharon”

為了與Sallares等［23］的相對(duì)貢獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取另一個(gè)典型的地中海渦旋“Sharon”進(jìn)行研究.該渦旋經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)兩年的浮標(biāo)追蹤調(diào)查、4次CTD及流速剖面調(diào)查和1次微結(jié)構(gòu)剖面調(diào)查，詳細(xì)地刻畫(huà)了渦旋的發(fā)展和消亡的全過(guò)程［26］.筆者對(duì)第1次調(diào)查的13個(gè)站位CTD資料進(jìn)行處理，采用基于三角形的三次方程插值方法對(duì)其進(jìn)行重采樣，網(wǎng)格大小為5m×5m.從圖3可以看出渦旋核部的溫度、鹽度和聲速在深度方向上變化較平穩(wěn)，而在渦旋上邊界和下邊界的變化較為劇烈.渦旋的密度剖面顯示出與溫度、鹽度和聲速的不同變化特征，其值一直隨著深度近似連續(xù)增加.

渦旋“Sharon”剖面的聲速和密度、溫度和鹽度的法向相對(duì)貢獻(xiàn)結(jié)果如圖4所示.總體上，聲速的法向相對(duì)貢獻(xiàn)大于密度的法向相對(duì)貢獻(xiàn)，溫度的法向相對(duì)貢獻(xiàn)大于鹽度的法向相對(duì)貢獻(xiàn).聲速和密度的平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)分別為91%和9%，其標(biāo)準(zhǔn)差均為12%.溫度和鹽度的平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)分別為82%和18%，其標(biāo)準(zhǔn)差均為19%.值得注意的是，在剖面少數(shù)區(qū)域鹽度和密度分別對(duì)法向反射系數(shù)起主要貢獻(xiàn)，特別是在600、820m和1200m水深處，其法向相對(duì)貢獻(xiàn)均可達(dá)90%.4.1.2 各大洋不同緯度海域

為了研究其他海域的法向相對(duì)貢獻(xiàn)特征，從WOCE數(shù)據(jù)集中選取全球不同海域共10個(gè)站位的CTD資料，估算聲速和溫度的法向相對(duì)貢獻(xiàn)在水深2000m以淺的平均值.表1為CTD站位的位置，其中PB、PE和PS分別位于太平洋的中北緯、赤道和中南緯，AN、AE和AS分別位于大西洋的中北緯、赤道和中南緯，IE和IS分別位于印度洋的赤道和中南緯，Ar和An分別位于北冰洋和南大洋.圖5為聲速和溫度的平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)結(jié)果.由圖可見(jiàn)，10個(gè)站位的聲速和溫度平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)分別大于81%和74%.該結(jié)果與地中海渦旋“Sharon”的法向相對(duì)貢獻(xiàn)特征相似，所有站位均表明聲速和溫度對(duì)法向反射系數(shù)的平均貢獻(xiàn)占主要部分.特別是對(duì)于高緯度海域，雖然表層海水的溫度和聲速較低，其在深度方向的變化幅度較低緯度小，但這兩者的平均相對(duì)貢獻(xiàn)仍然大于鹽度和密度的平均相對(duì)貢獻(xiàn).另外，10個(gè)站位的聲速平均相對(duì)貢獻(xiàn)均大于溫度平均相對(duì)貢獻(xiàn)，并且兩者隨站位的變化趨勢(shì)較為相似，除了PB－PS－AN段，在溫度法向相對(duì)貢獻(xiàn)較高（或較低）的站位，聲速的法向相對(duì)貢獻(xiàn)也較高（較低）.

表1 CTD站位位置Table 1 The location of CTD station

4.1.3 南海東北部逐月CTD站位

法向相對(duì)貢獻(xiàn)不僅受海域的影響，還可能與季節(jié)和深度有關(guān).為此，從WOCE數(shù)據(jù)集中選取南海東北部附近海域（120°E，20°N）不同月份的12個(gè)站位CTD資料進(jìn)行相對(duì)貢獻(xiàn)研究.圖6是水深范圍分別為0～200m、201～400m、401～600m、601～800m和801～1000m的聲速和溫度平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)隨月份的變化曲線.由圖可見(jiàn)，相同深度范圍的聲速和溫度法向相對(duì)貢獻(xiàn)隨月份的變化趨勢(shì)比較相似.與其它深度相比，水深0～200m的聲速和溫度的平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)具有明顯的季節(jié)性變化特征，在春季較小，夏季最大，秋季最小，冬季較大.該深度范圍每個(gè)月份的聲速平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)均比其它深度小；除了4～7月，溫度的平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)也比其它深度小.

圖5 不同海域的Rv／Ra和RT／R′a值分布Fig.5 The distribution of Rv／Raand RT／R′ain different oceanic regions

4.2 非法向相對(duì)貢獻(xiàn)

為了研究相對(duì)貢獻(xiàn)與入射角的關(guān)系，選取地中海渦旋“Sharon”的第1個(gè)站位CTD資料在705m處的溫鹽界面進(jìn)行非法向相對(duì)貢獻(xiàn)研究.臨近該界面的上海水層的溫度和鹽度分別為11.634℃和35.947psu，下海水層分別為11.689℃和35.975psu.圖7是聲速和溫度的相對(duì)貢獻(xiàn)隨入射角的變化曲線.由圖可見(jiàn)，聲速和溫度對(duì)反射系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)隨入射角的增加而增大，與之相反，密度和鹽度的相對(duì)貢獻(xiàn)則隨入射角增加而減小.為了排除相對(duì)貢獻(xiàn)在特定溫鹽界面處的特殊性，選取其它深度的溫鹽界面進(jìn)行類似研究.結(jié)果表明，無(wú)論上、下海水層的溫鹽參數(shù)是同步地增加或減小，還是不同步地變化，海水物性對(duì)非法向反射系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)均呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì).

利用AVO（Amplitude versus offset）或疊前全波形反演方法對(duì)疊前保幅地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，地震海洋學(xué)能夠估計(jì)海水的聲速和密度結(jié)構(gòu).通過(guò)求解海水狀態(tài)方程，進(jìn)一步可以獲得溫度和鹽度結(jié)構(gòu).除了振幅校正、頻帶寬度、噪聲等影響外，入射角（炮檢距）是影響反演精度的另一個(gè)重要因素.通過(guò)分析上述結(jié)果，可以獲得兩方面認(rèn)識(shí)：一方面，在整個(gè)入射角范圍（0～90°），聲速和溫度的相對(duì)貢獻(xiàn)均分別大于密度和鹽度的相對(duì)貢獻(xiàn)，表明通過(guò)反演獲得的聲速和溫度結(jié)果的精度分別大于密度和鹽度的反演精度.按相對(duì)貢獻(xiàn)估計(jì)，在法向入射時(shí)，聲速的反演精度約為密度的9倍，溫度的反演精度約為鹽度的4倍，并且這兩種反演精度比值隨著入射角增加而增大；另一方面，由于聲速和溫度在大入射角的相對(duì)貢獻(xiàn)大于小入射角的相對(duì)貢獻(xiàn)，而密度和鹽度的情況則相反，因此，用于反演的疊前地震數(shù)據(jù)應(yīng)盡量包括較寬入射角范圍的道集，特別是對(duì)于相對(duì)貢獻(xiàn)較小的密度和鹽度，包含小入射角的地震道對(duì)提高反演結(jié)果的精度尤為重要.

圖6 南海東北部不同深度的Rv／Ra和RT／R′a隨月份的分布Fig.6 The monthly distribution of Rv／Raand RT／R′aat different depths in the Northeast South China Sea

圖7 Rv／Ra和RT／R′a隨入射角的分布Fig.7 The distribution of Rv／Raand RT／R′awith incidence angle

5 討 論

5.1 平均相對(duì)貢獻(xiàn)范圍及相似性

第4節(jié)中選取了地中海渦旋“Sharon”、各大洋不同緯度和南海東北部不同月份的三組CTD剖面進(jìn)行分析，獲得了海水物性對(duì)法向反射系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)及其平均值，結(jié)果表明相對(duì)貢獻(xiàn)隨著海域、季節(jié)和深度而變化，聲速和溫度的平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)值范圍在78%～94%和74%～98%之間.聲速和溫度平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)較小的區(qū)域主要分布在高緯度海域以及南海東北部200m以淺的海水表層.地中海渦旋“Sharon”剖面的平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)結(jié)果與Sallares等［23］關(guān)于地中海渦旋GOLR12剖面的結(jié)果相似，后者的聲速和溫度平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)分別為90%和80%.兩者結(jié)果相似的原因是盡管資料在采集時(shí)間和位置等方面有所不同，但地震反射來(lái)自于相同水團(tuán)引起的物性差異界面.由此說(shuō)明平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)主要由相鄰水團(tuán)之間的物性差異決定，又由于海水水團(tuán)受海域、季節(jié)和深度等因素影響，因而平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)在一定范圍內(nèi)變化.盡管如此，相對(duì)于密度和鹽度，聲速和溫度對(duì)法向反射系數(shù)的貢獻(xiàn)在所有站位均占主要貢獻(xiàn).

法向或非法向相對(duì)貢獻(xiàn)結(jié)果均表明聲速和密度的相對(duì)貢獻(xiàn)分別與溫度和鹽度的相對(duì)貢獻(xiàn)具有相似性，這與聲速和密度隨溫度和鹽度的變化特征有關(guān).由第3節(jié)研究可知，聲速對(duì)溫度的變化較為敏感，其對(duì)溫度的偏導(dǎo)數(shù)約為對(duì)鹽度的偏導(dǎo)數(shù)的2～4倍，而密度對(duì)鹽度的變化較為敏感，其對(duì)鹽度的偏導(dǎo)數(shù)約為對(duì)溫度的偏導(dǎo)數(shù)的3倍.敏感度不同導(dǎo)致溫度主要通過(guò)聲速對(duì)反射系數(shù)產(chǎn)生貢獻(xiàn)，而鹽度主要通過(guò)密度對(duì)反射系數(shù)產(chǎn)生貢獻(xiàn).

由公式（2）和公式（8）知，法向反射系數(shù)是海水聲速和密度、溫度和鹽度的梯度的耦合函數(shù)，又由于疊加（或者偏移）保幅剖面的地震波振幅近似代表了法向反射系數(shù)大小，因此，海水地震保幅剖面可近似認(rèn)為是聲速梯度和密度梯度或者溫度梯度和鹽度梯度的耦合圖像［22］，而耦合程度由相對(duì)貢獻(xiàn)決定.總體而言，地震剖面與聲速和溫度的梯度的相似程度較高.

5.2 相對(duì)貢獻(xiàn)與Turner角

Turner角（Tu）是區(qū)分海水穩(wěn)定度的實(shí)用指標(biāo)，當(dāng)－90°＜Tu＜－45°時(shí)，海水傾向于發(fā)生擴(kuò)散對(duì)流；當(dāng)45°＜Tu＜90°時(shí)，海水主要由鹽指層結(jié)控制，無(wú)論是鹽指還是擴(kuò)散對(duì)流，海水都處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，海水處于雙穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)90°＜海水處于不穩(wěn)定狀態(tài)［27］.圖8是地中海渦旋“Sharon”的Turner角計(jì)算結(jié)果，可見(jiàn)渦旋上邊界主要由擴(kuò)散對(duì)流支配，下邊界屬于鹽指層結(jié)；而渦旋側(cè)邊界為海水的橫向侵入?yún)^(qū)，在這里渦旋內(nèi)部的高溫高鹽水和大西洋海水之間在準(zhǔn)水平方向上存在著強(qiáng)烈的物質(zhì)和能量交換.與圖4對(duì)比，筆者發(fā)現(xiàn)密度和鹽度對(duì)法向反射系數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)較大區(qū)域分布在Turner角為－45°附近，也就是雙穩(wěn)定區(qū)域與擴(kuò)散對(duì)流區(qū)域的邊界附近.Turner角與密度比具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系［27］，當(dāng)Turner角為－45°或附近時(shí)，密度比為0或較小，代表該處上下海水層的溫度相等或差異較小，從而鹽度成為影響反射系數(shù)的最主要貢獻(xiàn).由于聲速對(duì)鹽度的變化率是密度對(duì)鹽度變化率的1.56倍，小于聲速和密度對(duì)溫度的變化率比值（約為10），因此，當(dāng)溫度差為0或較小時(shí)，密度對(duì)法向相對(duì)貢獻(xiàn)所占比例將增大.

全球海洋中，密度比較小的海域主要位于南北極附近.一方面，這是由于與低緯度相比，高緯度表層水的溫度較低，其與深層海水的溫差較小.另一方面，海冰融化在表層形成較淡的海水覆蓋在高鹽的深水上，致使鹽度差異較大.這也正是圖5中AS、IS、Ar和An站位的聲速和溫度法向相對(duì)貢獻(xiàn)相對(duì)偏小的主要原因.

對(duì)于南海東北部海域，夏季的太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，導(dǎo)致表層水溫度增高，垂向溫差和密度比變大，致使200m以淺海水溫度和聲速的相對(duì)貢獻(xiàn)最大.冬季太陽(yáng)輻射最弱，溫度和聲速的相對(duì)貢獻(xiàn)應(yīng)該最小，但與此相反，圖6顯示冬季該深度的海水溫度和聲速相對(duì)貢獻(xiàn)較春季和秋季要大.經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，引起這種現(xiàn)象的原因，可能與高溫黑潮海水進(jìn)入南海的季節(jié)性變化有關(guān).已有研究認(rèn)為黑潮水只有在冬季才大規(guī)模通過(guò)呂宋海峽進(jìn)入南海［28－31］.雖然黑潮水進(jìn)入南海并不主要通過(guò)淺層輸送［32］，但淺層黑潮水和表層南海水引起的溫度差應(yīng)較深層所引起的溫度差要大，因此，冬季的表層溫度和聲速的相對(duì)貢獻(xiàn)表現(xiàn)出偏大的特征.

圖8 渦旋“Sharon”的Turner角分布Fig.8 Turner angle image of Meddy‘Sharon’

6 結(jié) 論

本文選取地中海渦旋、各大洋不同緯度和南海東北部不同月份的三組CTD資料，按海域、季節(jié)和深度對(duì)法向相對(duì)貢獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)算和分析，并從地中海渦旋CTD資料中選取典型溫鹽界面進(jìn)行非法向相對(duì)貢獻(xiàn)的研究，重點(diǎn)探討了聲速和溫度、密度和鹽度平均相對(duì)貢獻(xiàn)的范圍和相似性，以及相對(duì)貢獻(xiàn)與Turner角的關(guān)系，獲得以下結(jié)論：

（1）與海水物性的時(shí)空變化特征相似，聲速和密度、溫度和鹽度的相對(duì)貢獻(xiàn)受海域、季節(jié)和深度的影響.但總體而言，聲速和溫度的貢獻(xiàn)分別相對(duì)于密度和鹽度占主要部分，聲速和溫度的平均法向相對(duì)貢獻(xiàn)的范圍分別為78%～94%和74%～98%.

（2）聲速對(duì)溫度的變化較為敏感，而密度對(duì)鹽度的變化較為敏感，從而導(dǎo)致聲速和密度的相對(duì)貢獻(xiàn)分別與溫度和鹽度的相對(duì)貢獻(xiàn)具有相似性.

（3）聲速和溫度的非法向相對(duì)貢獻(xiàn)隨入射角的增加而增大，與之相反，密度和鹽度的非法向相對(duì)貢獻(xiàn)隨著入射角的增加而減小.

（4）地中海渦旋密度和鹽度相對(duì)貢獻(xiàn)較大的區(qū)域?qū)?yīng)于Turner角為－45°的雙穩(wěn)定區(qū)域與擴(kuò)散對(duì)流區(qū)域的邊界附近.該結(jié)果表明Turner角對(duì)相對(duì)貢獻(xiàn)具有很好的指示作用，可為認(rèn)識(shí)海水物性的相對(duì)貢獻(xiàn)提供新的途徑.

致 謝 感謝加拿大Dalhousie大學(xué)Ruddick教授提供地中海渦旋‘Sharon’的CTD資料.感謝匿名評(píng)審者提出的詳細(xì)修改意見(jiàn)，使本文的質(zhì)量得到了明顯提高.

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