2013, Vol. 56
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. Departamento de Geociências and CESAM, Universidade de Aveiro, 3800 Aveiro, Portugal
2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Departamento de Geociências and CESAM, Universidade de Aveiro, 3800 Aveiro, Portugal
连接地中海与大西洋的Cadiz湾是物理海洋学家研究地中海涡旋的重要区域.地中海高温高盐的海水从直布罗陀海峡流出, 在500~1500 m的平衡深度形成向西流动的地中海潜流, 随后以东边界流向北流动, 大部分海水开始从边界流分离出来, 形成了直径约40~100km的地中海涡旋[1].
高温高盐的地中海涡旋对东北大西洋海域盐分的输送起到了重要作用[2-5].物理海洋学家对追踪涡旋进行研究的兴趣起源于两个重要原因.一个原因是为了评估涡旋在海水温盐横向输送方面的重要影响[3-4], 另一个原因是将涡旋看作是具有独立动力系统的实验室以便用于研究海水更小尺度的混合过程[6].自1984年Armi等对地中海涡旋进行了长期的跟踪观察与研究之后[6-7], Schultz Tokos和Rossby对涡旋的运动学以及动力学进行了研究[8], Ruddick对涡旋的热盐侵入的动力学机制进行了研究[9], Richardson等利用历史数据对地中海涡旋进行了分析[10], SchultzTokos等对两个地中海涡旋的混合与迁移进行了研究[11], Richardson等利用声浮子持续跟踪了27个地中海涡旋, 更进一步对涡旋的分布、运移、混合以及生命周期演化等进行了全面系统的研究[12]等.
Armi等于1984年10月开始对地中海涡旋“Sharon”进行了长达2年的跟踪, 随后他们对地中海涡旋的运动特征、混合作用以及耗散机制进行了详细的描述与研究.Armi和Hebert等[6, 13]将地中海涡旋水分为涡旋核心水与涡旋混合水, 并指出涡旋至少有三种混合过程:(1)横向的热盐侵入; (2)涡旋底部的盐指混合; (3)湍流混合.图 1a描述了Sharon两年的迁移路径[6], 图 1b表明地中海涡旋相对于背景海水具有高温高盐的特征, 涡旋的核心水区域可以很好地辨认出来[7], 图 1c表示常规物理海洋剖面上涡旋的基本形态以及涡旋的双层结构[7].
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图 1 (a)地中海涡旋Sharon的路径(1984年10月开始), 左上角双层结构的圆形为涡旋的示意图[6].(b)为常规物理海洋方法观测到的地中海涡旋的温盐结构等，可以看到地中海涡旋具有高温高盐的特征[7]. (c)为常规物理海洋方法观测到的地中海涡旋结构，灰色区域表明涡旋核心水，等值线密集区域为涡旋混合水[7]. Fig. 1 (a) The migration path of Meddy "Sharon" (Started from OCT. '84). The double layer ring shows the structure of a Meddy[6]. (b)The salinity, potential temperature and potential density profile observed investigation methods of oceanography. Meddy has the property of high salinity and temperature[7]. (c) The structure of Meddy observed by conventional methods of oceanography. The shaded region represents the Meddy core water, and the intensive contours region represents theMeddy Mixed Water[7]. |
Ruddick等[14-15]对地中海涡旋“Sharon”的混合作用做了进一步总结, 热盐侵入是横向混合重要的驱动力, 并可计算一系列热盐侵入的混合率与通量.涡旋具有双层的结构特征, 涡旋核心水具有径向一致的盐度与温度, 平滑成层分布, 并且在双扩散过程中保持稳定.涡旋核心水被热盐侵入的混合水边界所包围.在边界区域, 由于涡旋核心水具有高温、高盐的特征, 涡旋上部边界主要是扩散混合作用, 涡旋下部边界主要为盐指混合, 在涡旋侧边界, 热盐侵入是重要的混合作用驱动力.
自2003年Holbrook等[16]首次成功利用多道反射地震方法用于海洋细结构的研究, 地震海洋学方法渐渐成为海洋现象研究的重要工具[17-24].2006年欧盟在Cadiz湾启动地震与物理海洋联合调查项目GO(Geophysical Oceanography)为地震海洋学的进一步研究搭建了重要的平台, 并采集了用于深入研究地中海涡旋的大量资料.Pinheiro等利用2D地震剖面结合声浮子、海面高度异常、海表温度资料对地中海涡旋以及地中海潜流进行了研究[25], Song等首次发现地中海涡旋旋臂, 并对涡旋以及其混合动力机制进行了研究[26].Papenberg等[24]和黄兴辉等[20]提出了实用的地震海洋学反演方法, 给出了地中海涡旋的二位温、盐分布断面, 但没有对地中海涡旋的垂向结构做深入的分析.
为了更加详细地分析与理解地中海涡旋的结构, 涡旋的温度、密度等相关物理性质的分析与研究将显得尤为重要.本文将基于GO项目中的GOLR12数据, 利用地震海洋学新的联合反演方法, 得到地中海涡旋的温度、密度与声速等物理性质数据, 结合常规物理海洋学方法, 从涡旋的温度、密度、波阻抗以及地震剖面等方面对涡旋的垂向结构及整体物理性__质进行更为详细的描述与分析, 最后对地中海涡旋的物理性质进行总结, 提出更进一步的研究方法与研究方向.
2 数据与方法2006年欧盟启动地震与物理海洋联合调查项目GO, GO项目以发育有丰富海洋学现象的Cadiz湾为研究区域.我们对GO项目中的GOLR12地震断面(图 2), 采用地震数据与断面内24条XBT数据联合反演的方法进行数据处理.
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图 2 GO项目GOLR12测线的位置图与葡萄牙西南Cadz湾海区测区地形图测线上的绿点为24条XBT的位置，黄色星号为CTD的位置，红色线为GOLR12测线. Fig. 2 The location of GOLR12 seismic line and the topographic map of Cadiz in the south-west of Portugal The green solid points represent XBT measurements, the yellow stars represent CTD locations and the red line represents the seismic line. |
GOLR12测线数据进行了常规的地震数据处理流程, 并进行了保幅处理.在联合反演的过程中, 由于缺少必须的盐度数据, 我们利用整个观测区域的CTD资料线性拟合随深度变化的温盐关系, 计算出相应的盐度数据, 从而用于波阻抗的反演以及海水的温度、密度和声速等的反演.
由于海水的密度与波阻抗、声速与波阻抗具有单调的函数关系, 在给定背景盐度场与压强场的情况下, 我们可以通过某种计算方法得到对应波阻抗下的密度与声速值.利用Song和Chen等(2012)[27]的反演方法计算得到了具有较高准确度与较高横向分辨率的海水波阻抗、温度、密度与声速数据.通过反演得到的数据, 我们可以更加详细地描述与研究涡旋的相关物理性质.本反演工作(24个XBT约束反演)是在12个XBT约束反演的基础上进行, 关于反演方法参见Song和Chen等(2012)[27].
3 地中海涡旋性质常规的物理海洋学方法是逐点采集海洋水文数据.在GOLR12测线上, 对应的24条XBT数据是采用常规海洋学方法得到的(图 2).在根据温盐关系换算的盐度图(图 3a)与实测的温度图(图 3b)中, 等值线可以将涡旋的整体轮廓勾勒出来, 例如在盐度36.2psu附近以及温度12 ℃附近, 其结构特征与图 1中的涡旋结构相同.从图 3中背景盐度与温度数据可以看出, 涡旋的核心水区域具有比较稳定的高温、高盐特征, 这与图 3b的涡旋温盐数据一致.涡旋混合水上部以及周缘海水区域混合作用比较剧烈, 下部边缘海水相对比较稳定.常规方法具有较高的垂直分辨率, 但是由于横向分辨率较低(站位间间距较大), 对于涡旋细节的空间与时间分布研究具有较大的限制.
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图 3 (a)在GOLR12测线上XBT对应位置处，彩色线为通过插值得到的常规物理海洋盐度数据的等值线图，等值线间隔为0.2psu; 蓝色线为通过测量得到的温度数据利用拟合计算得到的盐度数据距平，右下角为盐度数据变化的标尺.（b)图中彩色线为24条XBT温度数据的等值线图，等值线间隔为1 ℃; 红色线为测量得到的24条XBT温度数据距平，右下角为温度数据变化的标尺.在图中可以看到地中海涡旋的大体结构，但是细结构的横向变化并不清晰.温盐数据也很难用于进一步的分析与计算. Fig. 3 (a) Colorized lines indicate the salinity contour plot calculated by T-S relationship by conventional investigation methods of oceanography, and the contour interval is 0. 2 psu. Blue lines indicate the salinity anomalies, (b) Colorized lines indicate the temperature contour plot from 24 XBTs, and the contour interval s 1 ℃. Red lines indicate the temperature anomalies. The structure of Meddy and the property of high salinity and temperature are roughly revealed. The horizontal changes of fine structure mixing process are not obvious and data can't be further analyzed and calculated. |
地震海洋学方法具有较高的横向分辨率, 而且能够在短时间内对研究区域进行成像, 减少了数据的采集时间, 提高了研究对象的整体空间分辨率[17-24].通过给定背景盐度场与压强场, 我们利用波阻抗数据反演计算得到了海水的温度、密度与声速数据[27].通过这个方法, 我们能够得到更加准确、更高精度以及更高横向分辨率的海水物性数据.
在海水温度等值线图中(图 4), 海水背景温度随着深度增加有不断减小的趋势, 而涡旋相对于背景海水具有明显的高温特征.通过等值线图, 我们可以看到涡旋混合水在不同的涡旋边缘区域具有不同的性质特征.在涡旋上部以及周围边缘等值线比较紊乱, 在下部边缘成层性较好.相比较涡旋周围区域, 涡旋底部比较明显而且强烈的波动表明涡旋底部区域内波比较发育, 内波动力混合作用比较强烈.在涡旋左侧以及右侧混合水区域发育有局部高温或低温的等值线闭合结构, 这表明在该区域海水的涡动混合过程比较强烈.在涡旋核心水区域, 海水温度总体比较均匀(>12 ℃), 但是12.5 ℃的等值线表明, 核心水区域仍然具有比较微弱的混合作用.
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图 4 利用背景盐度场、压强场以及波阻抗数据反演得到的海水温度数据的等值线图（等值线间隔为0.5 ℃) Fig. 4 The section and contour plot of temperature inverted by background salinity, pressure field and impedance data (The temperature contour interval is 0. 5 ℃) |
通过对比常规物理海洋数据的盐度等值线与温度等值线的叠加图(图 5), 我们可以看到涡旋核心水主要以盐度>36.2psu, 温度>12 ℃为主, 水体分布较为稳定.在涡旋混合水区域, 温盐变化较大, 尤其在涡旋上部以及左侧混合区域, 表明混合作用比较复杂和强烈.背景海水区域的温盐数据变化具有一致性.由于横向分辨率较低, 盐度数据不能与温度数据反映的海水细结构进行对比.
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图 5 海水温度数据与常规物理海洋方法得到的盐度数据的等值线叠加图.温度等值线间隔为0.5 ℃，盐度等值线间隔为0.2 psu. Fig. 5 Stacked section of the inverted temperature contour plot and the salinity contour plot calculated from the T-S relationship. The temperature contour interval is 0.5 ℃ and the salinity contour interval is 0.2 psu. |
在海水密度的剖面图中(图 6a), 海水密度随着深度的增加有逐渐增大的趋势, 涡旋核心水区域的海水密度具有与背景海水密度相一致的数值与变化趋势.涡旋混合水区域的海水密度变化比较复杂.在涡旋上部以及周围边缘区域海水的密度变化比较剧烈, 局部区域发生剧烈波动甚至反转, 例如在CDP3500、深度800~1200, CDP4000~5000、深度1400m区域, 密度有剧烈的波动, 局部小区域发生反转, 表现为等值线发生垂直波动和剧烈扭曲, 而海水密度的这种变化在涡旋周围以及上边界区域尤其明显.海水密度的变化与海水的混合作用密切相关, 而海水密度发生反转一般是海水混合作用引发的小尺度湍流混合所造成的.海水密度周围与上边界比较明显的波动与反转表明涡旋周围热盐侵入与上边界双扩散对流的海水混合作用能够比较容易引发海水的小尺度湍流混合作用, 而且分布范围较为广泛, 这也与Armi等对于涡旋混合作用的认识较为一致[6, 13].涡旋下部边缘区域海水密度波动较小, 相对比较稳定, 其变化与内波的波动具有一致性.海水密度的剧烈变化表明涡旋混合水部分区域的海水混合作用比较剧烈.
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图 6 (a)黑色线为利用背景盐度场、压强场以及波阻抗数据反演得到的海水密度数据的等值线图，等值线间隔为0.1 kg/m3.彩色底图为密度剖面图.（b)密度数据减去平均密度（前1000CDP密度的平均值）并对其沿深度做50 m平滑计算处理得到的密度距平.涡旋核心水上层整体上具有正的距平数值，核心水下层具有负的距平数值. Fig. 6 (a) Black lines indicate seawater density inverted by background salinity, pressure field and impedance data. The background picture is the seawater density section. (b) Density anomalies are calculated by density minus mean density (mean density of 1~1000 CDP), and all data are smoothed with 50 m depth span. The upper region of Meddy core water has plus density anomalies and the lower region has minus density anomalies. |
为了更加直观地分析海水密度的变化情况, 我们利用前1000个CDP的数据计算平均值得到背景海水的平均密度, 将图 6a中的密度数据减去平均密度得到距平数据并对其沿深度做50m平滑计算处理(图 6b).在距平剖面图中, 涡旋核心水下半部分区域整体上具有负的距平数值, 上半部分区域整体上具有正的距平数值, 边界位于约1300 m深度; 涡旋混合水区域具有复杂的正负距平数值.部分区域海水密度距平数值的条带分布与密度反演结果和海水内波的波动具有很大的关系.地中海涡旋内部上下部分密度的互相补偿保证了地中海涡旋在其平衡深度的平衡性, 其结果与Hebert等对地中海涡旋密度分布情况的分析结果相同(如图 1b).
我们利用与24个XBT剖面数据联合反演的方法得到海水的波阻抗数据(图 7).从图中可以看出, 背景海水的波阻抗值随着深度逐渐增大, 这与海水密度与声速的变化趋势一致.涡旋核心水的波阻抗不仅大于背景海水的波阻抗, 而且也随着深度的增大而增大.涡旋与背景海水的边界在涡旋上部边缘并不明显, 而在涡旋下部存在红色区域与黄色区域的明显边界, 这与地震叠加剖面的反映具有一致性.在波阻抗图中, 涡旋核心水(红颜色区域)主要分布在涡旋内部稳定区域, 而涡旋混合水(黄颜色区域)分布于核心水外缘, 形态比较复杂, 这与涡旋与背景海水复杂的混合作用有关.在涡旋的中心轴(CDP7000)边缘区域海水成层性比较明显, 而离轴较远的边缘区域特别是在CDP5000-CDP2000区域, 海水活动比较复杂, 这与比较大的海水剪切流速和复杂的海水混合作用有关.
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图 7 对GOLR 12地震数据反演得到的波阻抗 Fig. 7 Impedance inverted from GOLR 12 stacked data |
海水声速剖面(图 8)与海水波阻抗剖面(图 7)具有一致性, 这是由于波阻抗是密度与速度的乘积, 海水密度横向变化较小, 而声速横向变化较大; 海水密度与波阻抗随深度变化具有一致性, 表现出随着深度具有增大的趋势; 而海水声速的横向变化对波阻抗的横向变化影响较大, 所以总体上, 海水声速与波阻抗的变化具有一致性.涡旋核心水具有高声速(红色区域)的特征, 涡旋混合水由于与背景海水混合具有相对低声速(黄色区域)的特征, 涡旋声速的分布特征与温度、盐度的空间分布具有很好的一致性.
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图 8 利用背景盐度场、压强场以及波阻抗数据反演得到的海水声速数据的剖面图 Fig. 8 Sound velocity inverted by background salinity, pressure field and impedance data |
在经过保幅处理的叠加剖面上(图 9), 我们可以看到在中部偏右的区域出现有周围具有强反射特征以及核部区域(CDP7000邻近区域)具有弱反射特征的透镜体形态.它具有海洋涡旋的特征, 又由于其特殊的发源区域(地中海), 被称之为“地中海涡旋”.由于地震叠加剖面反映的是波阻抗梯度的物理性质, 所以通过地震叠加剖面我们能够得到以下认识:
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图 9 GOLR12地震数据经过常规保幅处理之后的叠加剖面.叠加剖面上能够清晰地辨认出地中海涡旋的双层结构以及与周围的海水混合区域. Fig. 9 Stacked data after the conventional preserved amplitude processing of the GOLR12 raw data. The two-component structure of Meddy and the mixed water region are easily revealed from the stacked data section. |
(1)涡旋的边缘区域反射较强, 表明海水物理性质差异较大, 涡旋边缘区域海水活动剧烈;
(2)涡旋的内部区域反射较弱, 表明海水物理性质差异较小, 涡旋内部区域海水性质稳定;
(3)涡旋的左侧区域(CDP2000左右)具有较强的反射特征并且比较凌乱, 表明涡旋与外围背景海水仍然具有比较强烈的混合作用;
(4)涡旋的上边缘的反射强度要远大于下边缘的反射强度, 表明涡旋上部的海水活动要大于下部的海水活动.
为了验证叠加数据中振幅属性的正确性, 我们利用反演得到的密度与速度进行正演计算, 得到正演的地震剖面(图 10).从图 10可以看到正演的结果与叠加剖面所反映的结果具有一致性, 但是在某些区域, 例如在CDP2000-CDP3000, 由于约束反演的方法, 一些反射振幅的信息并不明显.通过地震叠加剖面的分析, 我们并不能对涡旋的物理性质进行更加细致的描述与研究, 因而为了能够更好地研究涡旋的物理性质, 利用上述方法对地震数据进行反演得到更多海洋学参量是进一步研究的重要方向.
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图 10 利用反演得到的声速与密度数据进行正演计算得到的地震剖面?正演得到的数据与叠加剖面具有一致性. Fig. 10 Seismic section calculated from inverted sound velocity and density. Forward data is consistent with the stacked data. |
本文利用地震海洋学联合反演的新方法反演得到的相关数据, 在Armi等对地中海涡旋研究的基础上, 对地中海涡旋的盐度、温度、密度等物理性质进行了描述与分析.通过上面的分析, 我们提出如下认识以及进一步的研究方向:
(1)涡旋具有涡旋核心水与涡旋混合水双层结构, 这种结构特征可以在温度图、声速图和波阻抗图中识别出来, 并且可以通过一定的定量计算方法对其进行更加详细的定义.
(2)涡旋核心水区域并不是均匀的稳定结构, 从地震叠加剖面以及温度图中可以看出, 涡旋核心水内部有微弱的混合作用, 其整体物理性质并不均匀, 有必要对涡旋内部的非均质性进行进一步的认识与研究.
(3)在涡旋上部以及周围边缘区域, 海水的混合比较复杂, 有双扩散对流、中小尺度湍流、热盐侵入和涡动混合作用.在涡旋下部边缘区域, 除了有小尺度的盐指混合, 内波也是非常重要的动力混合作用, 这种涡旋下边缘内波的产生机制需要做进一步的研究.
(4)海水密度在涡旋核心水区域的分布比较稳定, 成层性较强, 在混合水区域由于不同的混合作用及其强烈程度不同, 会发生波动甚至反转.利用不同的物理性质能够对涡旋不同的混合机制进行更进一步的研究, 以分析不同混合机制对于涡旋的能量耗散、温盐散失的相对贡献.
(5)涡旋本身并不是一个严格对称的结构, 由于混合作用以及随深度的变化, 涡旋与背景海水的上部以及周围边界比较模糊和复杂, 而涡旋下部边界则比较明显.利用数值模型模拟涡旋的产生过程以及混合作用机制能够更好地解释涡旋的物理性质和实际形态.
地震海洋学方法能够提供更高横向分辨率以及更多的海水物理性质信息[16-17], 这对于涡旋的描述、分析与研究具有更好的促进作用.丰富的反演数据能够更加直观地反映地中海涡旋的空间分布.由于新的地震海洋学联合反演方法能够得到海水温度、密度和波阻抗等数据[27], 随后可以更进一步对涡旋的运动学以及动力学计算分析进行相关研究.
致谢感谢美国WoodsHole海洋研究所的黄瑞新教授在物理海洋学以及数据处理等方面的指导与帮助.梁湘三教授和周伟东教授提出密度结构反演的创新性建议, 在此表示衷心感谢.本文中用到的地震数据和海洋学数据是GO项目的一部分, 该项目得到欧盟项目GO(15603)(NEST), 英国自然环境研究理事会(NERC)和德国DFG(KR3488/11)的支持.感谢GO项目Richard Hobbs博士与DirkKlaeschen博士允许我们使用反射地震与海洋学联合调查数据.
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