New progress in seismic oceanography
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摘要: 多尺度动力过程是当前海洋学研究的重点。地震海洋学能在数百km的剖面上获得分辨率为10 m的高质量数据，基于该数据能够解析涡旋边缘的亚中尺度动力现象（如北冰洋地震剖面研究发现的漂亮旋臂）和内孤立波的振幅垂向结构，并能够进行内孤立波波形变化与混合参数分布叠合分析等，本文对这些方面获得的新认识和新进展进行了综述。同时，共偏移距剖面叠前偏移方法充分利用多道地震的多次覆盖特点，获得随时间变化的一系列地震图像，为地震海洋学在海洋内部结构的时空演变研究方面增添了利器。因此，地震海洋学提供的新的时空视角必将在海洋多尺度动力过程研究中起到重要作用。
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关键词:
- 地震海洋学 /
- 涡旋 /
- 内孤立波 /
- 多尺度动力过程 /
- 共偏移距剖面叠前偏移
Abstract: Ocean multi-scale dynamic processes are the focus of current oceanography research. Seismic oceanography can obtain high-quality data with a resolution of 10 m on hundreds of km section, so it can analyze the sub-mesoscale dynamic phenomenon at the edge of an eddy （such as the beautiful spiral arm found in the Arctic Ocean seismic section study） and the vertical amplitude structure of the internal solitary waves, and can combine the internal solitary wave waveform change with the mixing parameter distribution. This paper reviews the new insights and advances of these studies. At the same time, the common offset section prestack migration method makes full use of the multiple coverage characteristics of multi-channel seismic method to obtain the temporal variation of seismic images, thus adding a key tool for seismic oceanography to reveal the spatio-temporal evolution of the ocean internal structure. Therefore, the new space-time perspective provided by seismic oceanography will play an important role in the study of ocean multi-scale dynamic processes. -
引言
地震海洋学是将反射地震学等地震学原理与方法应用于海洋探测与研究的地震学与海洋学的交叉学科（Holbrook et al，2003；Ruddick et al，2009；宋海斌，2012；Song et al，2021a；Dickinson，Gunn，2022），是海洋地球物理学的一个发展分支，主要利用多道反射地震方法研究海洋温盐细结构与中小尺度动力过程。反射地震剖面提供了海洋内部现象在水平方向和垂直方向上的高分辨率图像，而用反射地震方法对海水层所成的图像主要是海水温度梯度与地震震源子波褶积运算的结果（Ruddick et al，2009）。海洋中的物理过程横跨的空间和时间尺度较大，有大尺度环流、中尺度涡旋和小尺度湍流等，其中中尺度涡旋在海洋中几乎无处不在，被认为储存了海洋中主要的动能，其水平尺度约为100 km，可存在数周至数月。次表层涡旋是指旋转速度最大核心出现在次表层（混合层以下）的中尺度涡旋（南峰等，2022）。内波是海洋内部的一种重力波，其波长、周期和垂向振幅的变化范围较大，其中波长为几百m到几十km，周期为几分钟到几小时，垂向振幅为几m到几十m，内孤立波（internal solitary wave，缩写为ISW）是非线性大振幅内波。地震海洋学方法的分辨率约为10 m，通过该方法可以对中尺度到小尺度的海洋过程如涡旋和内波或内孤立波等成像。
随着地震海洋学的发展，多道反射地震技术被用来观测各种物理海洋现象（Holbrook et al，2003；Nakamura et al，2006；Ruddick et al，2009；Pinheiro et al，2010；Song et al，2011；拜阳等，2015；Buffett et al，2017；Gorman et al，2018；Gunn et al，2018，2020；Tang et al，2020），进行温盐结构反演（Papenberg et al，2010；Xiao et al，2021）、混合参数估算（Sheen et al，2009；Dickinson et al，2017；Tang et al，2020；Gunn et al，2021）等定量研究。多道反射地震技术具有空间分辨率高、探测深度大和短时间实现大面积覆盖等优势，弥补了常规物理海洋探测方法的一些不足之处，并成为内孤立波与涡旋（次表层涡旋）观测的主要方法之一。最重要的是，反射地震数据可以提供海洋内部精细结构的图像，这一点在研究诸如内孤立波浅化时的细结构变化等方面具有巨大的优势。Tang等（2014）利用多道反射地震数据观测到南海东北部的两个内孤立波，并结合水文和遥感数据计算了内孤立波的动力学参数。拜阳等（2015）研究了南海东沙海域内孤立波在地震剖面上的结构特征并计算了内孤立波的水平波数谱，发现其能量在低波数段比Garrett-Munk （GM）内波谱大了两个数量级。Tang等（2015）在南海东沙海域发现内孤立波包，将计算出的动力学参数与描述内孤立波波面及流场特征的KdV （Korteweg-de Vries equation）和eKdV （extended Korteweg-de Vries equation）理论参数进行对比，认为该海域发现的内孤立波更符合KdV理论。Bai等（2017）在南海东沙海域发现大量出现极性反转的内孤立波，并对极性反转出现的深度和发生极性转换时的振幅与深度关系进行了分析，之后Geng等（2019）利用相同地区的资料进一步分析了内孤立波振幅随深度的变化并给出了拟合公式。Fan等（2021，2022）在中美洲发现了大量正在浅化的第二模态内孤立波，并分析了振幅与传播速度之间的关系，研究了其区域性分布特征。
近期地震海洋学取得丰富成果，例如：提出了可揭示海洋细结构变化的共偏移距剖面叠前偏移处理流程，由此可获得高分辨率的海洋动态变化观测数据；研究拓展到全球多个海域，特别是北冰洋的地震海洋学研究实现了零的突破。这些研究涉及南海内孤立波浅化（邝芸艳等，2021；Gong et al，2021a，b；Song et al，2021b）、中美洲太平洋海域第二模态内孤立波（范文豪等，2021；Fan et al，2021，2022）、中美洲太平洋海域、加利福尼亚湾和南极海域的涡旋及亚中尺度过程（杨顺等，2021；梁智超等，2022；Yang et al，2022a）、北冰洋涡旋与旋臂结构（Yang et al，2022b；Zhang et al，2022）。其中2022年Yang等（2022b）和Zhang等（2022）在J Geophys Res：Oceans接连发表两篇论文，利用反射地震与水文同步观测资料揭示了北冰洋楚科奇（Chukchi）海域盐跃层涡旋的分布与垂向结构，并发现其中一个北冰洋涡旋具有漂亮的旋臂结构（Yang et al，2022b）。2021年Song等（2021a）在Deep-Sea Research Part Ⅰ发表地震海洋学进展与展望综述论文，总结了近二十年该学科方向的国内外进展，分析指出地震海洋学在多尺度能量串级过程中的广阔应用前景。
本文拟在Song等（2021a）综述论文的基础上，主要介绍北冰洋涡旋、内孤立波浅化和共偏移距叠前偏移新方法方面的主要新进展，展示地震海洋学在深化海洋中小尺度动力过程认识方面的前景。
1. 北冰洋涡旋
北冰洋西部楚科奇陆坡和楚科奇边境地之间的楚科奇海域，是北冰洋对气候变化响应最显著的区域之一。在该海域发育了大量的海洋涡旋，这些海洋涡旋是太平洋向北冰洋进行物质能量传输的重要途径，对北冰洋的水文变化具有重要的影响。然而传统水文观测的时空分辨率有限，影响了目前对北冰洋水体精细结构及其动力学特征的认识。2011年9月至10月，Marcus G. Langseth号调查船在北冰洋西部楚科奇海域开展了MGL1112航次多道地震探测工作，同时采集了宝贵的现场流速同步观测资料。通过多道地震资料重新处理，Yang等（2022b）和Zhang等（2022）对地震和同步水文剖面上发现的涡旋及亚中尺度过程进行了研究。
Zhang等（2022）研究发现，涡旋在地震剖面上常常表现为透镜状和丘状反射结构（图1），内部反射较弱，而边界反射较强，这些反射结构分别指示反气旋性涡旋和气旋性涡旋。在垂直地震测线的流速剖面上，这些反射结构对应一对符号相反的流速区，在沿地震测线方向的流速剖面上则对应于单一符号的流速区（图1）。
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图 1 同步采集的地震和流速剖面上的气旋涡旋（左）和反气旋涡旋（右）（引自 Zhang et al，2022）（a） 02测线和03ba-1测线的地震图像；（b） 02测线和03ba-1测线的垂直断面流速，图中正值（红色）表示海流从页面向内，负值（蓝色）表示海流向外；（c） 02号测线和03ba-1号测线沿断面流速，图中正值（红色）表示海流向左，负值（蓝色）表示海流向右Figure 1. Cyclonic eddy （left） and anticlonic eddy （right） shown on the seismic images，perpendicular section component and along section component of water current velocity from acoustic Doppler current profilers （ADCP） （after Zhang et al，2022）（a） Seismic images of lines 02 and 03ba-1；（b） Perpendicular section component of water current velocity of lines 02 and 03ba-1，where a positive value （in red color） indicates the current is inward from the page，and a negative value （in blue color） is outward；（c） Along section component of water current velocity of lines 02 and 03ba-1，where a positive value （in red color） in the along section component indicates the current is leftward，and a negative value （in blue color） is rightwardZhang等（2022）在北冰洋西部海域发现了23个涡旋，其中19个为反气旋涡旋，4个为气旋涡旋（图2）。观测到的涡旋主要分布在地形变化比较剧烈的区域，如海山附近和北风海脊的两侧，这可能暗示了涡旋的形成和演化与地形之间密切相关。通过与同步采集的抛弃式温深仪（expendable-bathy thermograph，缩写为XBT）数据和历史温盐深剖面仪（conductivity-temperature-depth profiler，缩写为CTD）数据对比，研究发现在这23个涡旋中，有一个暖核反气旋涡和两个冷核反气旋涡，其核心水可能分别为楚科奇夏季水和太平洋冬季水。Zhang等（2022）还统计了涡旋的直径、深度、厚度等几何参数，分析了各参数之间的相关关系，并估算出这一区域涡旋的总输运量可达0.56 Sv。
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图 2 利用反射地震与水文同步观测资料揭示的北冰洋楚科奇海域涡旋分布（引自Zhang et al，2022）黑色实线表示地震测量剖面；黄色实线显示了地震剖面上涡核部分的范围；实心圆表示估计的涡核分布范围，其中黑色实心圆表示涡旋的位置，红色实心圆表示暖水核涡旋，两个蓝色实心圆表示冷水核涡旋；红色弯曲箭头表示气旋和反气旋的旋转方向；绿色星号表示抛弃式温度剖面仪（XBT）测量站的位置Figure 2. The distribution of eddies in the Chukotka Sea in the Arctic Ocean （after Zhang et al，2022）Solid black lines indicate the seismic survey lines. Solid yellow lines show the range of the eddy core part on the seismic images. The circles with different colors indicate the estimated range of the eddy core. Black circles show the locations of eddies. The red circle indicates a warm-core eddy and two blue circles indicate cold-core eddies. Cyclonic and anti-cyclonic can be read from the red curving arrows. The green star indicates the location of expendable-bathythermograph （XBT） stations此外，Zhang等（2022）通过数值模拟解释了地震图像上不同反射结构的成因。该研究显示，在涡旋边缘处的地震剖面上存在层状、铲状、叠瓦状和杂乱反射等特殊的反射结构，其中叠瓦状反射对应声学多普勒流速剖面仪（acoustic Doppler current profilers，缩写为ADCP）所获流速剖面上条带状正负相间的流速分布，这些反射结构可能反映了涡旋边缘处的双扩散、锋生、机械搅拌和混合等过程。该研究展示了联合观测对于地震海洋学的重要作用，而且在涡旋核心周围观测到的特殊反射结构有助于涡旋边缘处的亚中尺度过程的研究。此外，该研究有利于增进对楚科奇边境区涡旋结构和演化的理解，也有利于加深对于北冰洋西部海域物质和能量传输的认识。
海洋中的涡旋与热带气旋具有一些共同特征，其中包括存在从透明核心向外延伸的旋臂。对于热带气旋，这些旋臂在卫星图像中很容易被视为螺旋雨带（图3）。在海洋中，有时可以在海表温度和海冰分布的卫星地图中看到螺旋涡。然而，要了解这些特征在海洋中的作用，我们需要对其次表层的垂向结构进行观测。涡旋旋臂属于亚中尺度现象，难以在传统海洋观测中捕捉到。利用石油工业界的多道反射地震方法，借助其较高的横向和垂向分辨率优势，可以对海洋涡旋的旋臂进行清晰成像。
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图 3 不同尺度背景的螺旋涡（引自Yang et al，2022b）（a） 2003年9月4日在冰岛附近观测到的热带气旋中分辨率成像光谱仪（MODIS）图像（https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclone），图中螺旋状的白云为螺旋雨带；（b） 2020年8月15日Landsat 8卫星采集的波罗的海蓝藻海表图像（https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/gallery/717/），描绘了瑞典哥特兰岛周围有害藻类的泛滥，显示了海洋涡旋的海表特征Figure 3. Spiral bands of vortex phenomena in different scales （after Yang et al，2022b）（a） A moderate resolution imaging spectroradiometer （MODIS） image （from https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclone） of an extratropical cyclone near Iceland observed on 4 September 2003，where spiral white clouds are rain bands；（b） Baltic cyanobacteria from Landsat 8. The image （from https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/gallery/717/） was collected on 15 August 2020，and depicts surface slicks of the harmful algal bloom around the Swedish island of GotlandYang等（2022b）利用2011年9月MGL1112航次同步采集的反射地震数据和ADCP流速数据，在北冰洋楚科奇海东北部的北风盆地内相隔七天重复观测到了一个拥有亚中尺度旋臂的中尺度涡旋（图4，5），并估算了涡旋的空间尺度和运动学参数，讨论了旋臂的可能形成机制与演化过程。
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图 4 涡旋的反射地震图像（引自Yang et al，2022b）（a） L04测线和L09/09b测线，图上方向右箭头表示调查船行进方向，下图中间的空白带是由于地震采集中断而造成，右下角为反射同相轴的参考角度；（b） 涡旋核心深度处（159 m）的ADCP流速矢量（黑色箭头），图中黄色圆圈为推测的涡旋核心边界，黄点为涡旋中心位置，左下角的标尺指示1 m/s的参考速度。从速度方向推断，L09/09b线采集时的涡旋真实中心位于航迹上确定的涡旋中心的西部Figure 4. Seismic images of the big eddy （after Yang et al，2022）（a） Line L04 and line L09/09b. The rightward arrow above indicates the vessel direction. The gap in the middle of lower panel is due to the interruption of the seismic acquisition. The reference angles of the reflections are displayed in the lower right corner；（b） Horizontal current velocities （black arrows） at a depth of 159 m （about the core depth） measured with an ADCP. The arrow in the lower left corner is the reference velocity of 1 m/s. The real center （yellow dot） when line L09/09b acquisition，inferred from the velocity directions，is located in the west of the eddy center in the track. The two yellow circles are the inferred eddy core boundaries![]()
图 5 利用反射地震与水文同步观测资料揭示的北冰洋楚科奇海域涡旋漂亮的旋臂结构（Yang et al，2022b），图中箭头指向涡旋螺旋臂的水平位置（a） L04测线（图4a）的两段剖面；（b） L09/09b测线（图4b）的两段剖面Figure 5. The beautiful spiral arm structure of an eddy in the Chukchi sea area of the Arctic ocean revealed by simultaneous observations of reflection seismic and hydrological data （Yang et al，2022b）. The downward arrows point to the horizontal positions of the eddy’s inferred spiral arms（a） Part sections of Line 04 shown in Fig. 4a；（b） Part sections of Line 09/09b shown in Fig. 4b研究结果表明，该涡旋的水平尺度约为56 km，深度分布约为50—300 m （Yang et al，2022b）。观测期间，涡旋以1 cm/s的速度向西移动，核心水的净输送量约为0.05 Sv。该中尺度涡旋拥有一个刚体旋转的核心（图4），其旋转周期约为26 h，最大切向流速为59 cm/s，核心水的体积约为89 km3。核心外的速度与半径呈二次反比下降，这与传统的兰金（Rankine）涡模型不同。涡旋边界处的反射很强，而核心反射非常弱，表明核心水团较为均一且与背景水差异较大。涡旋的侧边界呈多旋臂结构，形成螺旋带，螺旋带与热带气旋中看到的螺旋雨带非常相似。这些具有高倾角（可达4°）的旋臂可能是由涡流搅拌引起的。核心水很可能来自太平洋暖水，被楚科奇陆坡流或博福特（Beaufort）环流输送到北风（Northwind）盆地。
Yang等（2022b）的结果表明，这个中尺度涡的地震图像与同步的流速图像具有很强的一致性，并且前者表现出较后者更精细的结构，特别是在涡周围的亚中尺度旋臂（图5）。这进一步验证了地震海洋学方法在观测海洋细结构方面的优势。
这两项工作是北冰洋海水层的首次地震成像，对于加深对海洋涡旋的垂向结构以及物质的横向和垂向输运的认识具有重要意义。根据与其它北冰洋西部涡旋的比较，Zhang等（2022）推测该涡旋可能携带源于太平洋的暖水，这可能会对北冰洋海冰的加速融化产生影响。
2. 南海北部内孤立波的浅化
内孤立波向陆坡陆架传播是一个复杂的动力学过程，该过程称为内孤立波的浅化过程（Cai et al，2012；Lamb，2014；Alford et al，2015）。内孤立波是海洋中不同尺度现象之间能量级联的纽带，其浅化过程可以将能量从大尺度的潮汐传递给小尺度的湍流，并且极大增强海洋混合，促进能量和物质的输运。内孤立波的浅化不仅会对海洋环境和初级生产力产生重要影响，而且会对近岸的海上工程和船只的安全产生潜在威胁。然而，受限于观测手段很难观测到内孤立波浅化时内部细结构的变化，尤其是对于振幅垂向结构的观测更加困难。此外，内孤立波浅化所致的海洋混合是瞬时且呈斑状分布，其空间分布的观测比较困难。地震反射测量的高空间分辨率和探测深度有利于研究内孤立波的内部细结构和垂向结构，并且可以评估其所致混合的空间分布。因此，Gong等（2021a，b）和Song等（2021b）利用地震海洋学方法对南海北部东沙海域附近浅化的内孤立波进行了研究。通过地震图像可以直接观测到内孤立波的内部层结特征，但这种瞬时图像不利于观测内孤立波的运动过程，因此Song等（2021b）改进了地震数据处理方案，使用共偏移距道获得了内孤立波浅化的时序图像（参见2.3节）。
2.1 南海北部东沙海域内孤立波的振幅垂向结构特征
振幅垂向结构是指内孤立波的振幅随深度变化的曲线，其在内孤立波的研究中起到重要的作用。Gong等（2021a）根据地震海洋学剖面计算了南海北部东沙海域观测到的十一个内孤立波的垂向结构，观测结果表明它们均为第一模态内孤立波。将基于观测数据得到的垂向结构与理论计算的线性和一阶非线性垂向结构函数进行了对比分析，其结果表明：在十一个内孤立波中，有三个内孤立波的垂向结构符合线性垂向结构函数（图6）；有四个内孤立波的垂向结构符合一阶非线性垂向结构函数（图7）；另外四个内孤立波的垂向结构与两种理论均不符合。通过经验模态分解算法对这四个不符合理论的内孤立波的拟合垂向结构进行分解，并将分解后的残差与两种理论进行比较，结果显示：有两个内孤立波的残差与线性垂向结构函数一致，一个内孤立波的残差符合一阶非线性垂向结构函数，另一个内孤立波的残差仍然不符合这两种理论。Gong等（2021a）计算了这些内孤立波的主要特征参数，以分析观察垂向结构与理论存在差异的原因。
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图 6 内孤立波ISW1-2 （a），ISW2 （b）和ISW5-1 （c）的地震剖面（左）和垂向结构（右）（引自Gong et al，2021a）Figure 6. The seismic sections （left panels） and vertical structures （right panels） of ISW1-2 （a），ISW2 （b） and ISW5-1 （c）（after Gong et al，2021a）![]()
图 7 内孤立波ISW3 （a）和ISW5-2 （b）的地震剖面（左）和垂向结构（右）（引自Gong et al，2021a）Figure 7. The seismic sections （left panels） and vertical structures （right panels） of ISW3 （a） and ISW5-2 （b）（after Gong et al，2021a）通过分析这十一个内孤立波的特征参数研究了其垂向结构特征（图6，7）。Gong等（2021a）计算了它们的非线性系数，发现垂向结构的形态主要是由非线性决定。非线性程度低的内孤立波的垂向结构可以用线性垂向结构函数来描述，而非线性程度高的内孤立波的垂向结构则符合一阶非线性垂向结构函数。此外，Gong等（2021a）发现内孤立波ISW5-1具有较高的平方非线性系数，但其垂向结构与线性函数一致（图6c）。这是由于ISW5-1的最大振幅与水深的比值小，水深远大于振幅，较大的水深削弱了非线性程度。因此，水深也会影响内孤立波的垂向结构形态。对于最大振幅与水深的比值较大的内孤立波，其垂向结构可能会受到地形的影响。其次，背景流也可能影响垂向结构特征。Gong等（2021a）认为内孤立波ISW4-3正在通过一个被圈闭在海底附近的涡旋（图8），这个涡旋导致ISW4-3的垂向结构在200 m深度以深迅速衰减。
2.2 南海北部东沙海域内孤立波浅化所致混合特征
内孤立波在浅化过程中的极性反转是一个相当复杂的动力学过程，除了波形发生的巨大变化，过程中还会发生能量的传递，引起局地的混合增强。内孤立波的极性反转过程表现为波形极性的转变，以我们观测到的第一模态下凹型内孤立波为例，极性反转后可以变为一个或多个上抬型内孤立波（Liu et al，1998）。Gong等（2021b）根据地震数据对观测到的三个内孤立波的极性反转过程进行分析，并讨论了极性反转对局地混合的影响。
跨密度面混合是指跨越等密度面的能量或者物质传输，这个过程需要消耗一定的能量。内孤立波作为一种振幅较大的非线性内波通常携带大量能量，当内孤立波向大陆坡浅化时与地形相互作用，同时会伴随能量的释放。因此，内孤立波的浅化过程可以为跨密度面混合提供能量从而极大地改变局地混合。内孤立波对跨密度面混合的影响主要是通过产生局部湍流完成的，当内孤立波浅化时局部的不稳定性使得局部湍流混合增强。这种影响可以通过湍流混合参数来评估。由于海洋中的湍流混合过程是零散的和瞬时的，因此需要经过大量观察才能准确评估湍流混合的空间分布。而地震海洋学（Holbrook et al，2003）具有观测范围宽、空间分辨率高（Ruddick et al，2009）的优点，适合观测湍流混合的空间分布。
三条测线的扩散率剖面如图9 （Gong et al，2021b）所示。图9a为L1测线的混合参数即扩散率剖面，可见：整个剖面的扩散率量级高于开阔大洋的扩散率量级；扩散率的高值呈斑块状分布，主要分布于水深50—150 m之间；扩散率低值主要分布于水深150—300 m之间；海底附近也分布部分扩散率高值；内孤立波极性反转区域（24—45 km）的扩散率较大。四个相邻的上抬型内孤立波（24—30 km）中扩散率与内孤立波振幅成正比，这说明大振幅内孤立波对混合的贡献更大。正处于极性反转中的内孤立波（40—45 km）中扩散率高值出现在波首，即波前翼变缓的位置，而后面跟随的两个上抬型内孤立波的扩散率较小，这意味着内孤立波在极性反转刚开始阶段引起的混合较强，此时能量耗散较多。在非极性反转区域（50—100 km）扩散率相对减小，特别是：52 km处的下凹型内孤立波使扩散率增加；80 km处海底附近有一处异常反射区域，该区域的扩散率较大；93 km处水深100—250 m之间也有一处扩散率增大的区域，这可能与大振幅的内波有关。
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图 9 测线L1 （a），L2 （b）和L3 （c）中的扩散率$ {K}_{\rho } $剖面（引自Gong et al，2021b）。图中黑色箭头表示抽取扩散率垂直分布曲线的位置Figure 9. The diapycnal diffusivity $ {K}_{\rho } $ map of survey lines L1 （a），L2 （b） and L3 （c）（after Gong et al，2021b）. The black arrows represent the position of vertical diffusivity profile测线L2的扩散率剖面如图9b所示。扩散率高值主要分布在极性反转内孤立波的首波位置（4 km），这与L1测线上观察到的现象一致。首波后面的内孤立波扩散率有所减小，但仍然高于其它区域。在非极性反转区域扩散率几乎呈均匀分布。在15—16 km处出现的两个小振幅内孤立波并没有使扩散率增大；在16—18 km处的海底附近出现了扩散率的低值，这是因为在该区域未拾取到反射同相轴所致。测线L3的扩散率剖面（图9c）与L2的相似，高值扩散率分布在极性反转内孤立波的首波位置。但是与L2测线的扩散率剖面不同的是，扩散率高值主要分布在首波的浅部（水深50—120 m），而在L2测线的剖面中整个首波区域的扩散率均为高值。在非极性反转区域扩散率较小且分布较为均匀，在25—27 km处的海底附近扩散率略低于其它区域。
这里主要研究了三个发生极性反转的内孤立波包对于局地混合的影响。Gong等（2021b）利用反射地震数据计算了三个内孤立波包的水平斜率谱以及湍流扩散率剖面（图9），分析发现三个地震剖面中的平均湍流扩散率均比开阔大洋大约两个数量级，而且发生极性反转区域的平均湍流扩散率比未发生极性反转的区域高三倍左右，其中极性反转内孤立波的前缘对于混合增强的贡献较大。
通过分析湍流扩散率与反射同相轴之间的关系，Gong等（2021b）指出连续且清晰的反射同相轴所对应的湍流扩散率较小，而出现错断或者模糊的同相轴所对应的湍流扩散率较大，且反射同相轴波动的强弱也会影响湍流扩散率的大小。此外，Gong等（2021b）认为层间Kelvin-Helmholtz （K-H）不稳定可能引起混合增强，但是垂向尺度小于反射地震数据的分辨率，因此在地震剖面中无法直接观测，但是其高能量特征被反射同相轴记录下来。Gong等（2021b）认为有两种不稳定机制导致了内孤立波浅化从而引起混合增强。一方面，反射同相轴明显错断表明内孤立波发生了破碎，这种强混合是对流不稳定所致；另一方面，某些扩散率高值区域内（孤立）波未发生明显破碎，这种强混合主要是剪切不稳定引起的。
3. 海洋动态变化观测新方法
Song等（2021b）提出了可揭示海洋细结构变化的共偏移距剖面叠前偏移处理流程，经由该流程可获得高分辨率的海洋动态变化观测数据。多道反射地震数据在采集过程中会多次观测同一片区域，利用这一特点就可以对同一区域的水体多次成像来研究海水的运动。然而，传统地震数据处理方案形成的叠后剖面需要将多道信号叠加，以提高数据的信噪比。这种操作仅能获得一个静态的成像剖面，既不能可视化水体的运动过程，也不能观测水体运动过程中的细结构变化。为了利用地震数据中多次覆盖的信息，需要将共中心点道集（common mid-point gather，缩写为CMP）中重复的数据分离出来。如图10所示，将CMP中具有相同偏移距的信号提取出来组成共偏移距道集（common offset gather，缩写为COG），其中偏移距是震源与接收器之间的距离。偏移距的不同代表了COG的观测时间不同，对这些COG的数据进行成像，每个COG的剖面都可以视为水体的快照，按照偏移距大小排列这些COG剖面便可以得到不同时刻同一区域水体的内部反射结构。通过这种方式可以动态可视化水体的运动过程。
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图 10 共偏移距道集示意图（a） 共中心点道集；（b） 从共中心点道集中提取的小偏移距的共偏移距道集；（c） 从共中心点道集中提取的大偏移距的共偏移距道集Figure 10. A schematic of common offset gathers（a） Common midpoint gathers；（b） Common offset gathers with a small offset；（c） Common offset gathers with a large offsetCOG偏移剖面的处理方案与常规叠加地震剖面的处理方案基本相同，不同之处在于得到CMP后不直接进行叠加，而且对COG不做动校正。在完成常规地震剖面处理的速度分析和抽取CMP部分之后，根据偏移距从CMP中提取COG，并对COG应用叠前时间偏移。完成上述步骤后，即可得到一系列COG偏移剖面。这里有两个关键点需要注意。首先，随着偏移距的增加，地震数据中的高频成分会衰减，从而影响成像质量，使得不同偏移距剖面中的频率成分不同。为了减少衰减对剖面质量带来的影响，使用低通滤波器将所有COG的频率限制在80 Hz以下，以便将所有COG的地震数据归一化到相同的频带范围。其次，每个COG剖面的成像区域并不总是相同的。因此，有必要挑选出具有相同起始共中心点编号的COG剖面。为确保满足这两个条件，对南海北部东沙海域的地震数据，从第3道到第95道检波器中每间隔4道抽取一个COG，共获得23组COG偏移剖面；然后，根据偏移距排列这些COG偏移剖面，可以获得一系列水体运动的图像。
Song等（2021b）利用叠前地震数据观测到了内孤立波在陆坡平缓斜坡上的浅化过程。为了研究内孤立波浅化时的波形演化过程，改进了地震资料的处理方案。利用叠前地震数据对内孤立波进行成像，从而获得内孤立波内部细结构的时序成像剖面。使用这些时序图像来研究波形的演化过程。
为便于展示，从23个COG剖面中选取了8个较为清晰的剖面（Song et al，2021b），如图11所示，从波形的形状可以看出：在平缓斜坡上浅化的内孤立波处于浅化初期，没有反转极性；波形的变化总体上表现为前缘斜率减小，后缘斜率增大。这一结果与Fu等（2012）的观测和数值模拟结果一致。根据内部细结构的变化，Song等（2021b）发现浅水中波形在波谷处发生错断并与其它波形相连，认为这种现象是由于不稳定性引起的。不稳定导致水体的温盐梯度发生变化，从而使反射同相轴消失或减弱，在地震剖面中显示为波形错断。Song等（2021b）分别分析了六个位于不同深度的波形的演化，其结果显示地形对深部波形的影响要早于浅部波形，但是浅部波形变化的程度较深部的波形更大。此外，传播速度、振幅、波宽以及前后缘斜率也随深度而变化。在整个浅化过程中，内孤立波的振幅和传播速度增加，波宽减小，前缘斜率减小，后缘斜率增大。
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图 11 不同偏移距的共偏移距道集（COG）偏移剖面（引自Song et al，2021b）棕色区域代表海底地形。地震剖面以彩色显示，通过追踪红色同相轴来研究内孤立波波形Figure 11. COG migrated sections with different offsets （after Song et al，2021b）The brown areas represent seafloor topography. Seismic section was displayed in color，and red events are traced to study internal solitary wave waveforms4. 结论
多尺度动力过程是当前物理海洋研究的重点，地震海洋学能在数百km的剖面上获得分辨率为10 m的高质量数据，因此借由地震海洋学能解析涡旋边缘的亚中尺度动力现象（如Yang等（2022b）北冰洋发现的漂亮旋臂）和内孤立波的振幅垂向结构，也能进行内孤立波波形变化与混合参数分布叠合分析等，从而获得新的认识，这是其它观测手段难以获得的。而共偏移距叠前偏移方法充分利用了多道地震的同一位置多次覆盖特点，获得随时间变化的一系列地震图像，为地震海洋学在海洋内部结构的时空演变方面的研究增添了利器。地震海洋学在内孤立波浅化与次表层涡旋研究方面取得了较好的成果，地震海洋学提供的新的时空视角，必将在海洋多尺度动力过程研究中起到重要作用。
油气勘探、大陆边缘、洋中脊与俯冲带的科学研究，在全球海域积累大量的反射地震资料，且有大量数据在互联网上共享。这些反射地震数据中包含了海水层内部结构的丰富信息，而这在海洋地质与地球物理的处理解释中是作为干扰剔除的，把这些干扰信号当作地震信号来对待，进行细致的处理分析可获得海洋动力过程研究的宝贵资料。这些数据具有高横向分辨率、全海深快速探测的特点，是海洋多尺度动力过程的重要数据，特别是对于极地海洋等重点区域，采集资料难度很大，已有的大量反射地震数据值得开发利用。
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图 1 同步采集的地震和流速剖面上的气旋涡旋（左）和反气旋涡旋（右）（引自 Zhang et al，2022）
（a） 02测线和03ba-1测线的地震图像；（b） 02测线和03ba-1测线的垂直断面流速，图中正值（红色）表示海流从页面向内，负值（蓝色）表示海流向外；（c） 02号测线和03ba-1号测线沿断面流速，图中正值（红色）表示海流向左，负值（蓝色）表示海流向右
Figure 1. Cyclonic eddy （left） and anticlonic eddy （right） shown on the seismic images，perpendicular section component and along section component of water current velocity from acoustic Doppler current profilers （ADCP） （after Zhang et al，2022）
（a） Seismic images of lines 02 and 03ba-1；（b） Perpendicular section component of water current velocity of lines 02 and 03ba-1，where a positive value （in red color） indicates the current is inward from the page，and a negative value （in blue color） is outward；（c） Along section component of water current velocity of lines 02 and 03ba-1，where a positive value （in red color） in the along section component indicates the current is leftward，and a negative value （in blue color） is rightward
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图 2 利用反射地震与水文同步观测资料揭示的北冰洋楚科奇海域涡旋分布（引自Zhang et al，2022）
黑色实线表示地震测量剖面；黄色实线显示了地震剖面上涡核部分的范围；实心圆表示估计的涡核分布范围，其中黑色实心圆表示涡旋的位置，红色实心圆表示暖水核涡旋，两个蓝色实心圆表示冷水核涡旋；红色弯曲箭头表示气旋和反气旋的旋转方向；绿色星号表示抛弃式温度剖面仪（XBT）测量站的位置
Figure 2. The distribution of eddies in the Chukotka Sea in the Arctic Ocean （after Zhang et al，2022）
Solid black lines indicate the seismic survey lines. Solid yellow lines show the range of the eddy core part on the seismic images. The circles with different colors indicate the estimated range of the eddy core. Black circles show the locations of eddies. The red circle indicates a warm-core eddy and two blue circles indicate cold-core eddies. Cyclonic and anti-cyclonic can be read from the red curving arrows. The green star indicates the location of expendable-bathythermograph （XBT） stations
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图 3 不同尺度背景的螺旋涡（引自Yang et al，2022b）
（a） 2003年9月4日在冰岛附近观测到的热带气旋中分辨率成像光谱仪（MODIS）图像（https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclone），图中螺旋状的白云为螺旋雨带；（b） 2020年8月15日Landsat 8卫星采集的波罗的海蓝藻海表图像（https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/gallery/717/），描绘了瑞典哥特兰岛周围有害藻类的泛滥，显示了海洋涡旋的海表特征
Figure 3. Spiral bands of vortex phenomena in different scales （after Yang et al，2022b）
（a） A moderate resolution imaging spectroradiometer （MODIS） image （from https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclone） of an extratropical cyclone near Iceland observed on 4 September 2003，where spiral white clouds are rain bands；（b） Baltic cyanobacteria from Landsat 8. The image （from https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/gallery/717/） was collected on 15 August 2020，and depicts surface slicks of the harmful algal bloom around the Swedish island of Gotland
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图 4 涡旋的反射地震图像（引自Yang et al，2022b）
（a） L04测线和L09/09b测线，图上方向右箭头表示调查船行进方向，下图中间的空白带是由于地震采集中断而造成，右下角为反射同相轴的参考角度；（b） 涡旋核心深度处（159 m）的ADCP流速矢量（黑色箭头），图中黄色圆圈为推测的涡旋核心边界，黄点为涡旋中心位置，左下角的标尺指示1 m/s的参考速度。从速度方向推断，L09/09b线采集时的涡旋真实中心位于航迹上确定的涡旋中心的西部
Figure 4. Seismic images of the big eddy （after Yang et al，2022）
（a） Line L04 and line L09/09b. The rightward arrow above indicates the vessel direction. The gap in the middle of lower panel is due to the interruption of the seismic acquisition. The reference angles of the reflections are displayed in the lower right corner；（b） Horizontal current velocities （black arrows） at a depth of 159 m （about the core depth） measured with an ADCP. The arrow in the lower left corner is the reference velocity of 1 m/s. The real center （yellow dot） when line L09/09b acquisition，inferred from the velocity directions，is located in the west of the eddy center in the track. The two yellow circles are the inferred eddy core boundaries
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图 5 利用反射地震与水文同步观测资料揭示的北冰洋楚科奇海域涡旋漂亮的旋臂结构（Yang et al，2022b），图中箭头指向涡旋螺旋臂的水平位置
（a） L04测线（图4a）的两段剖面；（b） L09/09b测线（图4b）的两段剖面
Figure 5. The beautiful spiral arm structure of an eddy in the Chukchi sea area of the Arctic ocean revealed by simultaneous observations of reflection seismic and hydrological data （Yang et al，2022b）. The downward arrows point to the horizontal positions of the eddy’s inferred spiral arms
（a） Part sections of Line 04 shown in Fig. 4a；（b） Part sections of Line 09/09b shown in Fig. 4b
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图 6 内孤立波ISW1-2 （a），ISW2 （b）和ISW5-1 （c）的地震剖面（左）和垂向结构（右）（引自Gong et al，2021a）
Figure 6. The seismic sections （left panels） and vertical structures （right panels） of ISW1-2 （a），ISW2 （b） and ISW5-1 （c）（after Gong et al，2021a）
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图 7 内孤立波ISW3 （a）和ISW5-2 （b）的地震剖面（左）和垂向结构（右）（引自Gong et al，2021a）
Figure 7. The seismic sections （left panels） and vertical structures （right panels） of ISW3 （a） and ISW5-2 （b）（after Gong et al，2021a）
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图 9 测线L1 （a），L2 （b）和L3 （c）中的扩散率$ {K}_{\rho } $剖面（引自Gong et al，2021b）。图中黑色箭头表示抽取扩散率垂直分布曲线的位置
Figure 9. The diapycnal diffusivity $ {K}_{\rho } $ map of survey lines L1 （a），L2 （b） and L3 （c）（after Gong et al，2021b）. The black arrows represent the position of vertical diffusivity profile
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图 10 共偏移距道集示意图
（a） 共中心点道集；（b） 从共中心点道集中提取的小偏移距的共偏移距道集；（c） 从共中心点道集中提取的大偏移距的共偏移距道集
Figure 10. A schematic of common offset gathers
（a） Common midpoint gathers；（b） Common offset gathers with a small offset；（c） Common offset gathers with a large offset
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图 11 不同偏移距的共偏移距道集（COG）偏移剖面（引自Song et al，2021b）
棕色区域代表海底地形。地震剖面以彩色显示，通过追踪红色同相轴来研究内孤立波波形
Figure 11. COG migrated sections with different offsets （after Song et al，2021b）
The brown areas represent seafloor topography. Seismic section was displayed in color，and red events are traced to study internal solitary wave waveforms
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