地震海洋学方法在估算海水混合率中应用.pdfVIP

·912· 中国地球物理2011 ● 专题二十六： 海洋地球物理学I◆ (26)海洋地球物理学 地震海洋学方法在估算海水混合率中的应用 Seismic on The of ApplicationsOceanographyEstimating RatesofOceanWater Mixing 拜 阳1，2宋海斌1董崇志3黄兴辉1,2刘伯然1，2 Bai Haibin LiuBoran YangSong DongChongzhiHuangXinghui 1．中国科学院地质与地球物理研究所中国油气资源研究重点实验室 北京100029； 2．中国科学院研究生院北京100049； 3．国家海洋局第二海洋研究所国家海洋局海底科学重点实验室 杭州310012 内波和湍流都是非常重要的物理海洋学现象，而由内波和湍流所引起的能量交换，更是在海洋多个尺 度结构的能量级联中扮演着至关重要的角色。在物理海洋学中，内波的传播和湍流的耗散都对海洋混合起 重要作用。自20世纪70年代物理海洋学得到迅猛发展以来，海洋中混合现象就一直是物理海洋学家所重 点关注的问题之一，如果可以研究清楚海洋中混合随空间的分布状况，那么对于理解一些复杂的物理海洋 学现象是非常有帮助的。因此如何计算海水的混合率一直都是物理海洋学中普遍关注的前沿性研究课题。 随着物理海洋学观测技术的不断发展，物理海洋学家已经可以通过一些测量手段来获得海水的混合 率。虽然这种传统的物理海洋学观测可以在垂向上具有较好的分辨率，并且随着仪器制造技术的不断发展， 其观测在垂向上可以达到的分辨率也在不断获得提高，但是由于高昂的观测成本，传统的物理海洋学观测 在水平方向上却经常需要间隔数千米甚至数十千米才有一个观测点，因此水平分辨率严重不足，很多重要 的物理海洋学现象不能够被观测到，并且，传统的物理海洋学观测每测得一个点的数据都需要数个小时的 时间，观测资料的同时性无法得到保证。而观测资料数量及质量的不足，也确实成为了制约物理海洋学获 得进一步发展的重要因素。因此如何发展一种新的有效的观测手段，来弥补传统物理海洋学在观测资料上 的不足，并且能够依据一定的理论供我们计算海水的混合率，成为了一项非常重要且富有挑战性的工作。 在传统的海洋反射地震数据处理过程中，海水层部分的数据通常会被当作噪声直接切除掉，而 剧烈的跃层部位，信号的强度已经足以反映海水层的整体结构，因此Holbrook提出可以利用海洋反射地震 方法来研究物理海洋学问题。而我们知道，在现代海洋反射地震测量中，道间距通常能达到6．25m或12．5m， 也就是说反射地震数据的横向分辨率可以比传统物理海洋学观测所得到数据的横向分辨率高数百甚至上 千倍。因此如果可以利用反射地震数据来研究海水混合问题，将会极大地弥补物理海洋学在观测资料上的 波数谱，我们知道挪威海由于地处北极圈内，深层海水温度较低，而表层海水由于受到大西洋暖流的影响 温度相对较高，因此海水分层现象比较明显，内波相对发育。Holbrook将计算所得到的水平波数谱与GM76 模型谱的对比发现，计算所得到的波数谱与模型谱在整体趋势上非常相似，由于GM系列模型谱正是对海 洋中内波及湍流现象的一种统计描述，因此这也表明由地震资料所观测到的海水层中的反射可以揭示内波 及湍流的特征。Klymak(2007)指出，基于内波及湍流的波数谱，可以根据一定的关系式计算出其混合率。 方法并不具有普遍适用性，因为Sheen是利用模型谱的理论斜率对观测谱进行最小二乘拟合进而来计算混 合率的。然而我们知道，GM系列模型谱实际上是对物理现象的一种统计描述，并且是在各向同性，局域 平衡等多种假设的前提下得出的，因此在不同海域所得到的观测可能会与理论谱有一些差别，而本文也通 过对多处地震资料的计算发现，如果利用理论斜率进行拟合，将很难达到令人满意的效果，因此本文尝试 利用EMD方法来提取波数谱的趋势，以期望通过这种自适应的方法来改进计算的普遍适用性。