利用高分辨率水體反射地震資料研究呂宋海峽以東黑潮區(qū)混合*

張哲, 經(jīng)志友, 唐群署

利用高分辨率水體反射地震資料研究呂宋海峽以東黑潮區(qū)混合*

張哲1, 3, 經(jīng)志友1, 唐群署2

1. 熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301; 2. 中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

混合過程是海洋中普遍存在的一種形式, 對氣候變化、物質(zhì)分布等起到了重要作用。地震海洋學(xué)是近十多年發(fā)展起來的一門新興學(xué)科, 被廣泛應(yīng)用到物理海洋學(xué)問題的研究中, 具有高空間分辨率的突出優(yōu)點(diǎn)。文章利用反射地震資料, 通過斜率譜方法, 分別獲得了呂宋海峽以東黑潮區(qū)湍流段與內(nèi)波段的耗散率及擴(kuò)散率。結(jié)果顯示, 在剖面深度200~800m的平均耗散率為10–7.0W·kg–1, 平均擴(kuò)散率為10–3.3m2·s–1, 比大洋統(tǒng)計(jì)均值10–5.0m2·s–1高約1~2個(gè)量級(jí), 與前人在呂宋海峽的觀測結(jié)果相一致。湍流段和內(nèi)波段的擴(kuò)散率空間分布差異較大: 湍流段擴(kuò)散率高值區(qū)對應(yīng)強(qiáng)流區(qū)域, 推測這里是中尺度渦邊緣, 其次中尺度不穩(wěn)定過程引起擾動(dòng)增強(qiáng), 進(jìn)而引起湍流混合的加強(qiáng); 內(nèi)波段擴(kuò)散率高值區(qū)出現(xiàn)在呂宋島弧附近, 推測是內(nèi)波遇到島弧地形發(fā)生破碎, 進(jìn)而引起強(qiáng)的內(nèi)波混合。

黑潮區(qū); 反射地震; 斜率譜; 混合

呂宋海峽是連接南海與西太平洋的唯一深水通道, 對南海與西太平洋之間的淡水輸送、熱量交換等起到了至關(guān)重要的作用。大量的觀測研究表明, 在垂直結(jié)構(gòu)上, 呂宋海峽呈“類三明治”的結(jié)構(gòu), 即上層水和底層水向西流向南海, 中層水向東流向西太平洋(Tian et al, 2006; Sheu et al, 2009)。

黑潮作為西北太平洋最強(qiáng)的暖流, 攜帶著暖而咸的海水由赤道向北輸送, 對呂宋海峽的水文特征和環(huán)流狀況有很大影響, 尤其是各種形式的入侵(Hu et al, 2000; Caruso et al, 2006; Nan et al, 2015), 加速了海洋的混合過程(Yang et al, 2014; Mao et al, 2016)。

混合過程是海水的一種普遍存在形式, 即海水的各種特性(如熱量、濃度、動(dòng)量等)逐漸趨于均勻的過程(馮士筰等, 1999)。海水混合有以下3種形式: 分子混合、湍流混合和對流混合, 其中湍流混合由海水微團(tuán)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)造成, 交換強(qiáng)度比分子混合大許多量級(jí), 是海洋混合的主要形式, 對流混合也通常表現(xiàn)為湍流混合狀態(tài)(范植松, 2002)。因此, 湍流混合的研究是海洋混合研究中的關(guān)鍵問題。

海洋混合可以改變熱量的分布和物質(zhì)的輸送, 影響海洋環(huán)流結(jié)構(gòu), 引起氣候變化(Rahmstorf, 2003)。例如混合為大西洋南北方向上的經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流提供了部分動(dòng)力, 維持其運(yùn)轉(zhuǎn)所需的擴(kuò)散率至少要達(dá)到10–4.0m2·s–1, 但實(shí)際大洋的觀測結(jié)果僅為10–5.0m2·s–1, 這種“混合赤字”的現(xiàn)象在其他大洋中也存在。學(xué)者們希望通過小尺度的物理過程研究來彌補(bǔ)這一缺口。同時(shí), 混合過程的研究對海洋參數(shù)化有重要作用。

眾所周知, 海洋中存在不同尺度的運(yùn)動(dòng), 能量由大尺度串級(jí)到小尺度, 經(jīng)由湍流混合的形式耗散。所以對海洋混合的研究, 不僅可以解釋海洋中能量的收支平衡問題, 還對海洋模式中耗散項(xiàng)的參數(shù)化有推動(dòng)作用。除此之外, 海洋混合的研究對ENSO動(dòng)力學(xué)、混合層動(dòng)力學(xué)、海洋沉積動(dòng)力學(xué)、河口海岸動(dòng)力學(xué)、遙感海洋學(xué)、海洋聲學(xué)及海洋生態(tài)學(xué)也有積極的推動(dòng)作用(范植松, 2002)。在傳統(tǒng)的海洋混合觀測中, 海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)測量儀器如剪切流傳感器、垂向微結(jié)構(gòu)湍流剖面儀(vertical microstructure profiler, VMP)、湍流微結(jié)構(gòu)剖面儀(turbulence ocean microstructure acquisition profiler, TurboMAP)、錨定式湍流觀測儀(moored turbulence measuring instrument, MTMI)等發(fā)揮了重要的作用。其他研究發(fā)現(xiàn), 采用斜率譜分析方法也可以定量計(jì)算得到海洋中的耗散率和擴(kuò)散率(Klymak et al, 2007a, b)。

地震海洋學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科, 是用反射地震的方法來研究海洋水體的結(jié)構(gòu)特征, 自Holbrook等(2003)的工作以來, 用地震海洋學(xué)方法來研究物理海洋學(xué)問題得到了廣泛的應(yīng)用, 包括海洋鋒面、水團(tuán)邊界、地轉(zhuǎn)流、內(nèi)波、渦旋、溫鹽階梯、混合等。與傳統(tǒng)的物理海洋學(xué)觀測相比, 地震海洋資料具有高橫向分辨率、短時(shí)間內(nèi)對海水剖面快速成像的特點(diǎn)(宋海斌等, 2008), 這些特點(diǎn)決定了它對物理海洋學(xué)中小尺度的研究具有極大優(yōu)勢。

本文利用反射地震的資料, 通過拾取反射同相軸信息用以代替水體波動(dòng), 計(jì)算得到水平斜率譜, 進(jìn)而求出內(nèi)波段和湍流段的耗散率和擴(kuò)散率, 并對高值區(qū)產(chǎn)生原因做了推測分析。國內(nèi)外在這方面也展開了廣泛研究。Sheen等(2009)首次利用該方法計(jì)算了?？颂m群島東側(cè)海域的一條地震剖面的海水耗散率和擴(kuò)散率。Holbrook等(2013)利用反射地震資料計(jì)算了湍流耗散率, 給出了計(jì)算流程, 并詳細(xì)討論了影響耗散率計(jì)算的因素。拜陽等(2015)分別以南海內(nèi)波和地中海渦旋為研究對象, 計(jì)算了其中的混合參數(shù), 并在斜率譜擬合方法上采用效果更好的集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法。Falder等(2016)指出存在一個(gè)從內(nèi)波到湍流段的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)制, 但內(nèi)波段與湍流段之間沒有重疊區(qū)域。Sallares等(2016)通過對阿爾沃蘭海的地震資料作譜分析, 發(fā)現(xiàn)內(nèi)波段與湍流段之間存在K-H不穩(wěn)定, 對能量串級(jí)和次中尺度過程有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

1 數(shù)據(jù)資料

本文收集并使用了位于呂宋海峽以東黑潮區(qū)的4種數(shù)據(jù)資料: 反射地震數(shù)據(jù), 用來獲取海水等密線的位移; 衛(wèi)星遙感海表面高度異常 (sea level anomaly, SLA)數(shù)據(jù), 用來得到航次測線周圍的海流情況; Argo溫、鹽數(shù)據(jù), 用來計(jì)算不同深度海水的浮力頻率; 垂向混合坐標(biāo)海洋模式 (hybrid coordinate ocean model, HYCOM)模式數(shù)據(jù), 用來得到航次測線在不同深度上的流速。數(shù)據(jù)詳細(xì)介紹如下。

1.1 反射地震數(shù)據(jù)

2001年8月4日至6日, 由國家973“中國邊緣海形成演化及其重大資源的關(guān)鍵問題”項(xiàng)目委托廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 利用“探寶號(hào)”調(diào)查船在南海東北部進(jìn)行了地震數(shù)據(jù)采集工作。整個(gè)測線橫穿中國大陸架、大陸坡、南海東北部、恒春海脊、呂宋島弧、花東海盆和加瓜海脊, 如圖1a中黑色線段所示。其中紅色部分為本文研究所用的測線段, 總長180km。地震數(shù)據(jù)使用道間距為12.5m的240道水聽器記錄, 采樣間隔為2ms, 記錄長度為10s, 震源位于水深8m處, 容量為3000in3(約0.049m3)的槍陣, 炮間距為50m, 近炮檢距為250m。

圖1 2001年8月6日航次測線周圍海域水深地形(a)和SLA(海表面高度異常)(b) 黑色線段表示完整的航次測線, 紅色線段表示本文研究使用的部分測線, 箭頭表示由SLA計(jì)算得到的地轉(zhuǎn)流

地震數(shù)據(jù)的處理流程如下: 1)觀測系統(tǒng)定義; 2)去除壞道; 3)去除直達(dá)波; 4)帶通濾波處理(15~90Hz); 5)結(jié)合速度分析的疊前深度偏移; 6)偏移數(shù)據(jù)疊加; 7)諧波噪聲壓制(Tang et al, 2011; Holbrook et al, 2013)。最終得到了150~1500m深度范圍的反射地震圖像(圖2a)。

進(jìn)一步利用希爾伯特-黃(Hilbert-Huang)變換對圖2a中的反射地震圖像進(jìn)行同相軸的自動(dòng)追蹤拾取(圖2b)。由于觀測系統(tǒng)最小偏移距的影響, 在反射地震剖面150m以上的表層看不到有效反射, 也拾取不到同相軸, 為保守起見, 在數(shù)據(jù)處理分析中剔除0~200m的上層同相軸。同時(shí)發(fā)現(xiàn), 在左下側(cè)呂宋島弧地形處有錯(cuò)誤拾取到的同相軸; 800m以下的同相軸由于噪聲的干擾, 傾角過大且不符合物理規(guī)律, 同樣屬于錯(cuò)誤拾取到的同相軸。將上述錯(cuò)誤的同相軸剔除之后, 得到本文研究所用水體的同相軸, 深度范圍200~800m, 水平跨度180km(圖2c)。

圖2 水體反射地震剖面圖像(a)、追蹤拾取到的同相軸(b)、本文研究使用的同相軸(c) 對應(yīng)圖1中紅色測線段

1.2 衛(wèi)星遙感SLA數(shù)據(jù)

本文使用的衛(wèi)星高度計(jì)資料由法國國家空間研究中心AVISO (Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanography Data; http://marine. copernicus.eu/)提供。數(shù)據(jù)內(nèi)容為網(wǎng)格化的海表面高度異常(SLA), 時(shí)間分辨率為日平均, 空間分辨率為0.25°×0.25°。文中選取的是2001年8月6日的數(shù)據(jù), 與研究區(qū)域測線走航時(shí)間一致。按照地轉(zhuǎn)理論中壓強(qiáng)梯度力與科氏力相平衡(Stewart, 2008), 可以將上述SLA數(shù)據(jù)計(jì)算得到地轉(zhuǎn)流, 計(jì)算公式為:

1.3 Argo溫、鹽數(shù)據(jù)

本文用來計(jì)算浮力頻率所使用的溫、鹽數(shù)據(jù)來自中國Argo 實(shí)時(shí)資料中心(http://www.argo.org.cn/), 選擇的數(shù)據(jù)產(chǎn)品為《Argo網(wǎng)格化溫鹽產(chǎn)品(G-Argo)》, 時(shí)間范圍為2000—2008年, 時(shí)間分辨率為每周一次, 空間范圍為120°E—90°W、90°S—60°N, 空間分辨率為3°×3°, 垂向0~2000m共36層。

本文選擇測線周圍4個(gè)節(jié)點(diǎn): (121°30′E, 19°30′N)、(124°30′E, 19°30′N)、(121°30′E, 22°30′N)、(124°30′E, 22°30′N), 通過這4個(gè)節(jié)點(diǎn)將2000年1月5日至2008年12月31日共計(jì)470周的數(shù)據(jù)計(jì)算得到浮力頻率值, 先后作時(shí)間平均和4個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均, 將結(jié)果作為測線不同深度的浮力頻率值(圖3), 用于后面水平斜率譜的校正。

圖3 浮力頻率隨深度的變化曲線 豎直紅線表示參考浮力頻率值(3.0cph), 豎直綠線表示研究區(qū)域浮力頻率均值(3.9cph), cph為周頻率cycles per hour的縮寫，1cph=(1/3600)s

1.4 HYCOM模式數(shù)據(jù)

本文使用的模式由HYCOM提供, 下載網(wǎng)址為https://hycom.org/, 選擇下載再分析的流場數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)全稱為Global Ocean Forecasting System (GOFS) 3.1 output on the GLBv0.08 grid, 時(shí)間范圍為1994年1月1日至2015年12月31日, 時(shí)間分辨率為3h; 在空間上: 40°S—40°N間的空間分辨率為0.08°, 其余區(qū)域?yàn)?.04°。最后選取與走航測線同期的流場數(shù)據(jù)。

2 計(jì)算方法

2.1 內(nèi)波段與湍流段區(qū)間劃分

本文選取數(shù)據(jù)中水平長度大于1.25km的同相軸, 共計(jì)916條, 將每一條同相軸做距平處理(即減去其所在深度的平均值), 得到同相軸的垂直位移。由于同相軸位移近似于等密線位移(Holbrook et al, 2013), 因此用同相軸位移代替等密線位移來作斜率譜分析。

采用Welch方法并選取128個(gè)點(diǎn)的傅里葉變換長度和半重疊的Hanning窗, 對上述每一條同相軸位移計(jì)算其功率譜密度, 得到水平波數(shù)譜。每條水平波數(shù)譜均乘以(2π)2(其中為波數(shù)), 得到水平斜率譜。這樣做能夠更好地把內(nèi)波段和湍流段區(qū)分開來, 因?yàn)樵陔p對數(shù)坐標(biāo)下, 斜率譜內(nèi)波段斜率為–1/2 (Garrett et al, 1975), 湍流段斜率為1/3 (Batchelor, 1959), 正負(fù)值交替更容易區(qū)分。除此之外, 由于內(nèi)波的垂向位移依賴于局地的海水層結(jié), 因此斜率譜需要通過浮力頻率校正來消除層結(jié)的影響(Sheen et al, 2009), 即在水平斜率譜上乘以(/0--), 其中為該同相軸所在深度的浮力頻率,0=3cph為參考浮力頻率。以下分析均使用校正后的水平斜率譜。

上述916條水平斜率譜的平均如圖4所示, 左側(cè)內(nèi)波段(斜率為-1/2)和右側(cè)湍流段(斜率為1/3)分界明顯。由于內(nèi)波段和湍流段之間轉(zhuǎn)換部分的動(dòng)力過程同時(shí)受內(nèi)波和湍流影響(Sheen et al, 2009; Falder et al, 2016), 斜率譜最低波數(shù)段受帶寬的限制, 最高波數(shù)段受噪聲的影響, 因此本文剔除上述區(qū)間, 從而劃定內(nèi)波段范圍為: 0.0013~0.0044cpm (cpm為周波數(shù)cycles per meter的縮寫), 湍流段范圍為: 0.0088~0.03cpm(圖4), 并應(yīng)用于所有水平斜率譜(圖5)。

2.2 混合參數(shù)估算

完整的斜率譜模型包括3部分的運(yùn)動(dòng)形式: 內(nèi)波、慣性對流和慣性擴(kuò)散(Klymak et al, 2007a, b):

圖4 水平斜率譜的平均 共使用916條水平斜率譜計(jì)算譜的平均, 誤差棒表示95%置信區(qū)間; 豎直虛線內(nèi)為內(nèi)波段區(qū)間, 豎直實(shí)線內(nèi)為湍流段區(qū)間; 兩條傾斜線段斜率為1/3和-1/2, 分別用來擬合湍流段和內(nèi)波段的斜率譜

在高波數(shù)的湍流段, 波數(shù)譜的斜率與類Kolmogorov律(–5/3)相一致, 采用Batchelor模型(Batchelor, 1959)擬合, 即湍流慣性對流子區(qū):

其中, 是湍流段波數(shù)譜; Γ是混合效率, 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為0.2; N是斜率譜所在深度的浮力頻率; 是常數(shù), 約為0.4(Sreenivasan, 1996); 是湍流耗散率; k是水平波數(shù)。

在低波數(shù)的內(nèi)波段, 功率譜與內(nèi)波GM75模型(Garrett et al, 1975)相一致, 波數(shù)譜斜率為-2.5, 采用Gregg-Henyey參數(shù)化模型擬合。有充足證據(jù)表明, 在開闊大洋中, 耗散率與內(nèi)波能量的二次方成正比, 根據(jù)內(nèi)波的波-波相互作用理論,等于其在高波數(shù)段通過內(nèi)波譜的凈能通量, 據(jù)此得到與觀測結(jié)果符合最好的平均湍動(dòng)能耗散率計(jì)算公式(Henyey et al, 1986, Gregg, 1989):

在斜率譜中, 湍流段給定斜率為1/3, 其耗散率根據(jù)最小二乘法原理和公式(3)擬合得到; 內(nèi)波段耗散率由公式(4)的參數(shù)化方法計(jì)算得到(圖5)。由于反射地震數(shù)據(jù)采集方法具有快速橫穿斷面的特點(diǎn), 波場隨時(shí)間變化緩慢, 因此計(jì)算得到的耗散率反映了能量從大尺度向小尺度的轉(zhuǎn)化速率(Sheen et al, 2009)。

在假設(shè)研究區(qū)域處于穩(wěn)定剪切狀態(tài)的前提下, Osborn經(jīng)驗(yàn)公式(Osborn, 1980)可將耗散率轉(zhuǎn)化成跨密度面擴(kuò)散率, 且適用于湍流段和內(nèi)波段:

3 結(jié)果與討論

3.1 混合參數(shù)空間分布

將每一條同相軸反演得到的結(jié)果填圖到其所在的線段上, 得到該區(qū)域湍流段和內(nèi)波段的耗散率及擴(kuò)散率, 結(jié)果如圖6和圖7所示。研究區(qū)域的湍流段和內(nèi)波段混合參數(shù)統(tǒng)計(jì)均值如下: 湍流段的耗散率和擴(kuò)散率均值分別為8.7×10–8W·kg–1、4.7×10–4m2·s–1; 內(nèi)波段的耗散率和擴(kuò)散率均值分別為1.9×10–8W·kg–1、1.1×10–4m2·s–1。兩段的擴(kuò)散率與開闊大洋背景場相比均高一個(gè)量級(jí)以上。

本文對研究區(qū)域利用水體反射地震資料, 拾取其同相軸代替等密線, 通過斜率譜的方法計(jì)算得到該區(qū)域湍流段和內(nèi)波的耗散率及擴(kuò)散率。此前, 也有物理海洋學(xué)家用其他方法對南海東北部和呂宋海峽的湍流混合進(jìn)行研究, 如Tian等(2009)在IWME (Internal Wave and Mixing Experiment)實(shí)驗(yàn)中得到該海域兩個(gè)剖面的湍流擴(kuò)散率。Tian等使用低頻聲學(xué)多普勒流速剖面儀(lowered acoustic Doppler current profiler, LADCP)、溫鹽深剖面測量儀(conductance temperature depth, CTD)等儀器獲得剖面的流場和溫鹽數(shù)據(jù), 通過參數(shù)化模型計(jì)算得到湍流擴(kuò)散率, 并與垂向微結(jié)構(gòu)湍流剖面儀vertical microstructure profiler, VMP)實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析, 驗(yàn)證了參數(shù)化結(jié)果的可靠性。從結(jié)果上來看, Tian等在與本文地震測線相近位置上得到的湍流擴(kuò)散率量級(jí)約為10–4m2·s–1, 與本文的結(jié)果相近, 表明本文計(jì)算得到的混合參數(shù)值是可靠的。

圖6 湍流段計(jì)算得到的耗散率(a)和擴(kuò)散率(b) 圖中虛線方框內(nèi)為混合強(qiáng)烈區(qū)域