基于地震海洋学的南海东北部海洋内波和湍流混合研究

内波和湍流混合是海洋中普遍存在的中小尺度动力学过程，对海水特征分布、大洋热盐环流以及全球气候变化起着重要作用。我国南海东北部海域广泛发育着海洋内波和湍流混合等海洋学现象，但海洋观测的高难度和高成本是阻碍其研究的主要障碍。近年来诞生的地震海洋学，为研究海洋中小尺度过程及相互关系提供了新的可视化方法。本申请以南海东北部为重点研究区域，开展基于地震海洋学的内波和湍流混合研究，就有可能通过"解剖一个麻雀"，建立内波能级、湍流耗散率和湍流混合率的反射地震估算方法，揭示内波和湍流混合与海底地形和中尺度涡旋之间的关系。该项研究将推进地震海洋学在定量研究中小尺度海洋学现象中的作用，将为研究海洋能量传递过程和混合过程参数化提供可靠的海量数据，对海洋模式及气候变化具有重要科学意义，对海洋生态环境、潜艇航行、海洋工程等也具有重要的实用价值。

本项目以南海东北部为研究区域，开展基于地震海洋学的内波和湍流混合研究，提出和建立适用于浅海海域的湍流耗散率和湍流混合率估算的地震海洋学方法，获得南海东北部湍流耗散率和湍流混合率的二维分布结果。. 为了研究海水地震剖面的反射同相轴位移所代表的物理意义，本项目开展了海水物性（速度和密度、温度和盐度）对反射系数的相对贡献的研究。结果表明相对贡献随着海域、季节和深度而变化，声速和温度的平均法向相对贡献值范围在78%~94%和74%~98%之间。声速和温度平均法向相对贡献较小的区域主要分布在高纬度海域以及南海东北部200m以浅的海水表层。平均法向相对贡献主要由相邻水团之间的物性差异决定，又由于海水水团受海域、季节和深度等因素影响，因而平均法向相对贡献在一定范围内变化。尽管如此，声速和温度对法向反射系数的贡献在所有站位均占主要贡献。. 在海水物性对反射系数相对贡献的研究基础上，本项目开展了基于地震海洋学的海洋混合参数的估算方法研究，并以南海东北部内波为例进行了计算和分析。为了对整个地震剖面进行湍流混合参数的精细估计，本项目开发了同相轴自动拾取程序，同相轴的拾取通过将雷克子波与地震波形做能量匹配的方式进行。利用Klymak-Moum内波和湍流水平波数谱公式对反射同相轴位移的水平波数能量密度谱进行拟合。通过水平波数谱的斜率确定湍流对应的高波数范围为0.015到0.04cpm，并利用一种自适应数据分析方法——集合经验模态分解（EEMD）方法进行拟合，提高了混合参数计算的准确性。结果显示，南海内波在200~600 m深度范围内所引起的混合可达10-2.79 m2s-1左右，比大洋的统计结果10-5 m2s-1高出两个数量级以上。该项研究将为研究海洋能量传递过程和混合过程参数化提供可靠的海量数据，对海洋模式及气候变化具有重要科学意义。