震测海洋学

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震测海洋学（英语：Sesimic oceanography）是声测海洋学的一种形式。用声波研究海洋的物理特性和动力学。

它能提供海水温度和盐度变化的图像。震测海洋学使用频率低于 500 Hz 的声波，与大多数声测海洋学的成像方法不同。它们使用频率是大于 10,000 Hz 的声波。这种使用低频声测的优点是它能够提供高度详细，广而深的海洋结构图像，其图像水平距离跨越数百公里，以及图像深度由海面延伸到海床。自 2003 年成立以来[1]，震测海洋学已被用于对各种海洋现象进行成像，包括水体边界(fronts)[2]、 涡流[3]、温盐阶梯[4]、混浊层[5] 和冷甲烷渗漏[6]。 除了提供壮观的图像外，震测海洋学还对诸如内波运动[7]。和海水的湍流混合[8]等过程提供定量分析数据。

方法[编辑]

震测海洋学的数据采集是一种根据海洋地震反射剖面的方法，一艘船拖著一种声源专门设备来产生水下声音，和拖著一根或多根电缆。电缆上系带著数百个水听器(hydrophone)，这些水听器是记录水下声音的仪器。这些电缆长度在几百米到 10 公里之间。声源和电缆都位于海面以下几米处。 声源是由压缩空气或电荷释放而产生的声波，声波每隔几秒产生一次。这些声波大部分向下传播到海床，一小部分声波从海水中温度或盐度变化的边界被反射，这些边界称为温盐边界[9]。 水听器收集这些反射声波信号。随著船舶向前移动，声源和水听器的位置也随之移动，因而收集到反射边界上位置不同反射点的信号。由于水听器是阵列排列，在 30 分钟或更短的时间内[10][11]，由不同位置的声源和水听器，可对同一反射点采样。能达到同点多样采集，增加精密度。

图像制作[编辑]

理想化案例[编辑]

每个水听器记录了随时间而变化的声波振幅。反射波到水听器的时间，取决于水听器与声源之间的水平距离、反射边界的深度和形状以及海水中的声速。边界的深度和形状以及当地的声速（可以在大约 1450 m/s 和 1540 m/s 之间变化）[12] 是未知数。但经过不同假设速度来计算走时（travel time）, 若走时能与记录相符，该速度为正确声速。使用这个估计的速度，可计算假设为水平的边界面深度。然后用地震偏移的方法来消除因为非水平边界面引起的反射干扰。迁移后，对在边界面上同一反射点的不同记录进行相加，以提高信噪比（此过程称为叠加）。每个深度和每个水平位置的反射点得记录都进行偏移和叠加，以达到空间准确的地震图像。

复杂化案例[编辑]

除了温盐边界面的反射讯号，水听器也会记录其他的声波。例如，由声源产生一些沿著拖缆的水平传播声波，而不是朝向下传播的放射波。除此以外，水听器还记录到背景噪音，例如海面风浪花的声波。这些不需要的声波通常比从温盐边界面反射波的声音大得多。使用信号处理滤波器可以消除这些不需要的声波并增加温盐边界面反射的信噪比。

分析[编辑]

地震海洋学的主要优势在于它提供了高分辨率（高达 10 m）的海洋结构图像，可以与海洋的定量信息相结合。这些图像在不同尺度上，可识别海洋结构的长度、宽度和高度。如果地震数据是 3D 的，那么也可以分析海洋结构在时间的演变[13][14]。

温度和盐度的反演[编辑]

震测数据经过处理后，结合其图像，可提取有关海洋的其他定量信息。到目前为止，温度，盐度，密度和其他重要特性的分布信息已可由震测海洋学提取。例如，Paramo 和 Holbrook (2005) [15] 使用振幅随偏移距的变化方法计算出挪威海的一维的温度梯度。最近，由Cord Papenberg 等人 (2010) [16]提出的高分辨率二维温度和盐度分布，是二维技术发展的趋势。这些研究领域是使用结合震测和物理海洋学数据的迭代反演而得出的。以后，根据蒙特卡罗反演而导出更复杂的反演技术[17]。

频谱分析导出垂直混合率[编辑]

除了温度和盐度分布外，海洋的震测数据也可用频谱分析提取混合率。该过程的基本假设是，反射面的波动现象，不论大小尺度，是代表海水内部波动。因此，这些起伏的垂直位移可以衡量海洋的垂直混合率。此技术在挪威海是首次被应用。并显示内波能量靠近大陆斜坡有增强现象[18]。自 2005 年以来，这些技术得到了进一步的开发、调整和自动化，任何震测剖面都可以转换为混合率的二维分布数据[19][20][21]。

参考文献[编辑]

  1. ^ Holbrook, S. W; Páramo, P.; Pearse, S; Schmitt, R. W. (2003). "Thermohaline Fine Structure in an Oceanographic Front from Seismic Reflection Profiling". Science. 301 (5634): 821–824. Bibcode:2003Sci...301..821H. doi:10.1126/science.1085116. ISSN 0036-8075. PMID 12907798. S2CID 40525727.
  2. ^ Nakamura, Y.; Noguchi, T.; Tsuji, T.; Itoh, S.; Niino, H.; Matsuoka, T. (2006). "Simultaneous seismic reflection and physical oceanographic observations of oceanic fine structure in the Kuroshio extension front". Geophysical Research Letters. 33 (23). Bibcode:2006GeoRL..3323605N. doi:10.1029/2006GL027437. ISSN 0094-8276.
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