南海东北部内孤立波包的地震海洋学和遥感研究

在南海东北部东沙环礁附近,内孤立波被大量地观测报道.在该地区内孤立波的传播和演化过程仍然存在许多待解决的问题.利用改进的地震海洋学处理方法对2009年夏的一段海洋勘探地震测线进行了重新处理,获得了50 m水深之下的水层反射图像,发现了包含8个内孤立波的下沉型内孤立波包.遥感仪器中分辨率成像光谱仪(MODIS)图像在该段地震测量的3 h内,捕捉到同一个内孤立波包,经处理分析,获得前5个内孤立波的清晰图像.本文采用了两种方法计算内孤立波相速度,方法一是利用不同的叠前共偏移距道集剖面估算内孤立波的视相速度,并根据MODIS图像上内孤立波的传播方向对其进行校正;方法二是利用地震与MODIS图像联测直接获得传播相速度.将这两种方法得到的相速度分别进行对比,发现它们在数值大体一致.地震海洋学剖面可直接获得内孤立波包中8个内孤立波的特征参数,包括振幅、视半高宽和视波间距.该内孤立波包的最大振幅为117 m,最大视半高宽为1020 m,最大视波间距为4100 m.由于地震采集船和内孤立波之间存在类多普勒效应,且二者前进方向存在夹角,所以利用地震与MODIS图像联测得到的传播相速度,结合MODIS图像所推断的内孤立波传播方向对视半高宽和视波间距进行校正.首波的半高宽与遥感估算的特征半波宽的比值是1.75,接近理论比值的1.763;校正后的真波间距和遥感量测波间距数值基本一致.最后,结合地震观测前后的遥感图像和潮流数据推断这一内孤立波包为Type-b型.结果表明,将地震海洋学和遥感方法结合,可以更好地研究内孤立波的特征.     

恒春海脊附近第二模态内孤立波的特征研究

以往通过地震海洋学方法发现的大多是第一模态内孤立波,本文在台湾岛以南恒春海脊处捕捉到了两个大振幅凸型第二模态内孤立波.利用叠前偏移剖面得到内孤立波的视相速度约为0.7 m·s^-1,其视传播方向沿地震测线从S到N,总体上满足较大最大振幅的波视相速度也较大的规律.地震海洋学剖面得到的振幅曲线观测值和理论方程计算出的第二模态内波振幅垂向变化理论值之间具有较好的一致性.通过叠前偏移剖面观察该内孤立波细结构的变化,发现在采集过程中,出现反射同相轴后翼变陡、分叉、合并的现象.由于密跃层中心偏离水层中心以及背景剪切流的影响,两个内孤立波尾部发育了高频内波,使得能量耗散增强.此外,第二模态内孤立波的生成和传播特征受到水体层结、黑潮、背景剪切流以及海底地形等多个因素的影响.     

地中海直布罗陀海峡附近内孤立波的地球物理特征

本文主要利用地震海洋学方法研究地中海直布罗陀海峡附近内孤立波的结构特征,此处内孤立波为第一模态下沉型,为中幅度和大幅度内孤立波,垂向振幅最大可达74.5m,振幅随深度增加呈增大趋势,传播速度随振幅增大而增大,可以确定“真”最大振幅位置位于密跃层附近.由于类多普勒效应和孤立波与测量船之间存在夹角的原因,从地震剖面上得到的为视半高宽参数,需要进行校正后才能得到比较真实的半高宽参数,校正后半高宽最高可达到1721.8m,但是校正后的半高宽与理论结果有些差距,这可能与内孤立波的发育稳定程度有关.随着内孤立波包不断向东运动,整体波宽变大,垂向速度变小.本文将地震海洋学方法拓展应用于地中海区域内孤立波分析,进一步证明了利用地震海洋学方法研究海水运动的可行性.     

南海东北部东沙海域海水层反射特征分析

本文基于对南海东北部东沙海域近期采集的多道反射地震资料进行重新处理获得新的地震海洋学数据,分析了该海域内孤立波/内孤立波包、沙丘上方和陡坎附近特殊反射结构特征,从而提供了新的海水层与海底相互作用依据.研究结果表明,除之前已发表文章中地震海洋学资料显示存在的第一模态内孤立波/波包和沙丘上方常见的反射样式-披毛状发射外,地震海洋学资料上还发现了第二模态内孤立波、陡坎上方的上抬型波动反射结构样式.在新的地震海洋学数据中,第一模态内孤立波振幅均小于50 m,宽度上都小于5 km,单个内孤立波的最大振幅约为45 m.内孤立波包的内孤立波振幅都相对较小,均小于40 m,并且与之前不同的是,彼此之间振幅相差不大,没有明显的排列规律.此次地震海洋学数据记录到的第二模态内孤立波,形态较为完整,上层和下层反射的振幅相差不大,在30 m左右;中间层大约在水深130 m位置处,垂向结构的整体大小大于200 m.沙丘上方反射结构普遍存在弱反射层,可能是湍流边界层,并且存在特殊反射样式-披毛状反射.但并不是沙丘上方都存在披毛状反射样式,本文分析它出现在地震海洋学资料上可能是受测线与沙丘走向之间夹角的影响.陡坎区域的水层反射结构则表现为上抬型波动,并常常伴随着同相轴连续性的变化.该波动的大小及反射同相轴的连续性可能取决于陡坎的高度/坡度及水层动力的强度,新数据中出现的一个上抬型波动,高度达20~30 m,它的附近水层还存在一个形态不完整的内孤立波.陡坎附近的水层反射也常常出现弱反射带和小的波动.     

南海海盆东北部内孤立波的地震海洋学研究

以往利用地震海洋学方法发现的内孤立波大多在东沙岛附近,本文在南海海盆东北部首次利用地震海洋学方法发现了海盆中的内孤立波.通过叠前偏移观察该内孤立波细结构的变化,发现内孤立波波形在采集时间段内整体较稳定,内孤立波浅层反射相对深层变化较大.通过改进前人的方法,利用共偏移距道集叠前偏移剖面计算内孤立波视相速度.该方法比直接使用共偏移距道集拟合的共中心点-炮点对曲线线性更好,其计算的内孤立波视相速度为0.82m·s~(-1),内孤立波视传播方向为从NW向SE(172°N方向,0°指向北).     

中美洲海域第二模态内孤立波的地震海洋学研究

以往利用地震海洋学方法发现的内孤立波大多是第一模态内孤立波,本文利用地震海洋学方法首次在中美洲太平洋沿岸海域发现了第二模态内孤立波群.通过叠前偏移观察该第二模态内孤立波群细结构的变化,发现位于陆坡上的第二模态内孤立波ISW4在大约50 s的采集过程中,出现反射同相轴分叉、合并以及密跃层中心深度变化.利用共偏移距道集叠前偏移剖面计算的这些第二模态内孤立波视相速度在0.5 m·s^-1左右,其视传播方向都是沿地震测线从SW到NE(44°N方向,0°指向北).通过对视相速度误差相对较小的三个第二模态内孤立波(ISW1、ISW3和ISW5)的视相速度进行分析,发现总体上第二模态内孤立波视相速度随着水深的增加而增加,另外一般情况下具有较大最大振幅的第二模态内孤立波的视相速度较大.     

旋转地球流体的一个非线性奇异孤立波精确解

本文求出了旋转地球流体的f平面浅水波方程组的一个非线性精确解.这是一个处处连续、分片光滑的凹形孤立波,在波谷处为一尖点（奇异点）,其移速比长波速度gh^1/2略小,为（1+a/h）（gh（1+a/h））^1/2,其中a<0.其水平尺度与水深几乎无关.     

南海北部陆坡深水区的海底原位热流测量

海底热流数据是开展海洋地球动力学研究和油气资源评价的基础数据.南海北部陆坡深水区蕴含有丰富的油气和水合物资源,而该区热流站位很少.为了解陆坡深水区水合物有利区块的地热特征,利用剑鱼1型海底原位热流探针,在南海西沙海域和神狐海域成功获得了16个站位的热流值.测量结果表明,西沙海槽与白云凹陷都具有较高的热流值,西沙海槽区除1个站位结果不可信外,另2个站位所测海底表层地温梯度分别为105.3 和99.9℃·km^-1,原位热流分别为89±1和87±1 mW·m^-2;白云凹陷中部区域13个站位测得表层地温梯度变化于58.5~100.7 ℃·km^-1,热流值除4个站位低于70 mW·m^-2外,其余都变化于75±2~101±4 mW·m^-2范围,比前人在白云凹陷东部获得的热流高.分析认为,西沙海槽和白云凹陷区域的高地热特征与陆坡深水区的高热背景、晚期断裂发育、底辟、岩浆侵入和热流体活动等有关.     

基于镭同位素分布的黄海和东海垂直混合速率计算

在黄海和东海采样测定了水体中的镭同位素分布,用平流扩散模型描述镭同位素分布,最小二乘方法计算了垂直涡动扩散系数和上升流或下降流流速.结果给出北黄海中部、南黄海中部、浙江沿岸和台湾北部海域存在上升流,流速分别为0.46×10^-3cm·s^-1、0.17×10^-3~1.39×10^-3cm·s^-1、2.02×10^-3~3.04×10^-3 cm·s^-1和1.06×10^-3~2.51×10^-3 cm·s^-1.北黄海中部和东海东北部存在下降流.流速分别为-2.30×10^-3 cm·s^-1和-0.61×10^-3~-2.10×10^-3 cm·s^-1.计算同时给出的垂直涡动扩散系数为5.84~48.2 cm²·s^-1,平均值为22.3 cm²·s^-1.北黄海和浙江沿岸上升流流速与文献的结果一致;北黄海中部存在下降流与文献的结论一致.本研究结果与文献结果一致是对所建立的方法的肯定,也是对文献研究结果的支持.     

正压大气模式下具有β效应与地形效应的Rossby孤立波

正压大气模式下,采用摄动方法和时空伸长变换推导了具有β效应、地形效应和耗散的mKdV-Burgers方程,得到Rossby孤立波振幅的演变满足带有β效应,地形与耗散的mKdV-Burgersm方程的结论.说明β效应、地形效应是诱导Rossby孤立波的重要因素.     

2019年甘肃夏河Ms5.7地震前重力场变化

本文对2017年以来中国地震局在南北地震带采集到的5期相对重力测网数据进行了平差计算, 简要分析了甘东南研究区内测点平差精度, 进而分析了2019年10月28日甘肃夏河M_S5.7地震前的区域重力场变化。 结果表明: ① 研究区内90%测点平差后重力值精度小于10×10^-8 m·s^-2, 与绝对重力观测结果符合性也较好, 表明观测质量较高, 数据可靠; ② 2017年 4月至2018年4月, 临潭—宕昌断裂南西侧重力正变化、 北东侧重力负变化, 与2017年8月8日九寨沟M_S7.0地震前重力变化反向, 断裂西段夏河、 合作附近出现显著的重力差异变化; ③ 2018年4月至2019年4月, 临潭—宕昌断裂南西侧重力变化-10×10^-8～-30×10^-8 m·s^-2、 北东侧重力变化+20×10^-8～+30×10^-8 m·s^-2, 夏河M_S5.7震中附近重力变化不明显, 呈现出围绕夏河县、 泽库县和碌曲县等三县交界地区准四象限分布的特征; ④ 强震易发生在重力变化四象限分布中心地带或正、 负异常区过渡的高梯度带上, 九寨沟M_S7.0地震后, 我们曾基于流动重力异常变化在夏河M_S5.7地震前做过一定程度的中期预测, 尤其是地点预测。     

基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法精确反演地球重力场

由于GRACE Follow-On双星系统等效于基线长为星间距离的一维水平重力梯度仪,因此本文基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法开展了精确和快速反演下一代地球重力场的可行性论证研究. 研究结果表明：第一,基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法（GFO-SGGM）,利用卫星轨道参数（轨道高度250 km、星间距离50 km、轨道倾角89°、轨道离心率0.001）、关键载荷测量精度（星间距离10^-6 m、星间速度10^-7 m·s^-1、星间加速度10^-10 m·s^-2、轨道位置10^-3 m、轨道速度10^-6 m·s^-1、非保守力10^-11 m·s^-2）、观测时间30天和采样间隔10 s反演了120阶地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为9.331×10^-4 m. 第二,在120阶内,利用将来GRACE Follow-On双星反演地球重力场精度较现有GRACE双星平均提高61倍,因此GRACE Follow-On卫星重力梯度法是进一步提高地球重力场反演精度的优选方法. 第三,下一代GRACE Follow-On计划较当前GRACE计划的优点如下：轨道高度更低（200~300 km）、载荷精度更高（10^-7 ~10^-9 m·s^-1）和星间距离更短（50~100 km）.     

推广的β平面近似的Rossby孤立波包

研究了在中高纬度下考虑推广的β平面,研究了基本气流具有弱切变的非线性正压Rossby波,得到了偶极子阻塞形成的一个理论及其影响的问题.采用多重尺度法的方法,获得了Rossby波包满足非线性Schr9dinger方程的结果,通过δ效应对波包的波数产生影响,从而对Rossby的频率产生影响.指出:当Rossby波的波数满足k~2/3-Fm~24k~2+4/3F(k为纬向波数,m为经向波数)时,大气中周期Rossby波可以产生调制不稳定,形成包络Rossby孤立波.由于δ效应会对波数产生影响,推广了大气阻塞理论的结果.     

用中国钻孔应变台网资料检验大震“前驱波”

利用中国钻孔应变台网的13个台站观测精度达10^-10～10^-8量级TJ式钻孔体应变仪观测资料,深入分析2004年12月23日澳大利亚麦阔里岛M_S8.0和2004年12月26日印尼苏门答腊M_S8.9大震前应变变化,对这两次地震“前驱波”进行了客观地检验。 用高通滤波消除了周期大于128 min的固体潮汐影响,用回归分析方法消除了气压干扰。 用小波变换方法将2～128 min信号分解到6个不同频段进行分析。 结果显示,该方法能提取出信号中微弱变化信息。 根据小波变换提取的类似“前驱波”基本特征,提出“超限率”分析方法检验小波分解的细节部分。 对所有细节部分的超限率时间序列的回归直线斜率进行统计,得出了平均值和标准差,分析了正负比。 这3项统计数据显示,大震前15 d之内不能普遍检测到“前驱波”。     

层结海洋中小振幅内行进波的演变和破碎

采用高精度的拟谱方法，数值模拟了层结海洋中小振幅内行进波的演变和破碎过程.在演变过程中，导致内波破碎的PSI不稳定机制在共振相互作用中逐渐占据主导地位，能量从初级波向低频、高波数运动缓慢传递并形成一次级波包，随即破碎发生.破碎后产生的层化湍流引起的强烈混合以及湍流间歇性可从总能量和涡度峰度随时间的变化趋势看出.我们分析了层化湍流的一些统计特性，包括动能和有效位能沿垂向波数ky的功率谱.结果表明，动能和有效位能谱都存在一个谱段满足k-3y律，且分别可表示为01N4k-3y和02N4k-3y(N为Brunt Visl频率)，通常称其为浮力子区.另外，我们分析了Cox数(湍流扩散系数与分子扩散系数之比)，在层化湍流维持在一定强度时，计算结果和由海洋内区观测(远离内波强生成源和复杂地形)所推测的结论较为吻合.     

利用GPS数据分析四川“Y”型构造区地壳运动状态

四川地区地质构造复杂,地壳活动剧烈,为了深入揭示该区“Y”型构造区地壳1999年以来近20年的动态演化规律,基于1999—2017年7期GPS数据,解算各周期网格速度场、应变率场,研究地壳应变场演化过程。结果表明：①2008年以前的3期GPS速度场相对稳定,汶川地震后,速度场变化最大的龙门山断裂带由4.0—5.0 mm/a增至8.0—10.0 mm/a;②汶川震后,“Y”型构造区最大剪应变高值区出现在汶川以东,由2.0×10^-8/a增到22.0×10^-8/a;龙门山断裂带以SE或SEE向主压应变为主,变化速率约5.0×10^-8/a—12.0×10^-8/a,鲜水河断裂由震前NS向主拉应变转为震后EW向主压应变,安宁河断裂东侧由震前SE向主压应变6.0×10^-8/a减至震后的2.0×10^-8/a;面膨胀结果显示,由震前低密度梯度带瞬间变为平行于龙门山断裂带走向的高密度变化区,且存在以金川至都江堰、北川至青川为条带的2个正负交替过渡区;③汶川地震发生压应力释放后,该区SEE向压性特征又逐渐增强,且持续至2017年,释放了龙门山断裂带地壳内部SEE向压应力多年累积能量,但汶川地震对鲜水河断裂与安宁河断裂的整体运动状态则无明显触发作用。     

大气中的内船舶波

通过波动方程的分析解求得稳定层结大气中孤立地形激发的大气内船舶波,证明这类波是由非拦截波和拦截波两部分构成,非拦截波中的辐散波和横波的形态,王要由地形形状和走向决定,它们都可向大气上层传输,而拦截背风波的波形主要由层结、风速及风速切变等大气条件决定.     

鄂尔多斯地块地壳内S波衰减特征的研究

采用分布于鄂尔多斯地块及其周缘的32个地震台站记录到的19次地震事件共487条数字化波形记录, 利用遗传算法反演得到了整个鄂尔多斯地块地壳内S波的三段几何扩散参数、S波非弹性衰减Q值随频率变化的关系式、32个台站的场地响应以及19次地震的震源参数. 计算结果表明, 鄂尔多斯地块地壳内S波非弹性衰减在1 Hz处的Q值比地质构造活跃地区的结果要大得多. 32个地震台站的场地响应在高频部分除个别台站外基本没有表现出明显的放大效应,但在低频区间部分台站之间有一定的差异. 19次地震事件的地震矩对数值与震级ML有很好的线性关系.      

三峡水库香溪河库湾水-气界面热交换过程及水体稳定性

水库或湖泊的热分层结构是其动力与环境过程的重要研究方面,虽然很多学者针对水体分层结构和演变机理开展了大量研究,但水体通过水-气界面与大气进行热交换的过程,各气象因子的贡献机理等研究成果还很缺乏。本文基于三峡水库香溪河库湾2019年3月-2020年2月期间的水温、水位及气象等监测数据,针对水-气界面热交换过程如何影响水温垂向结构及表层水体湍流混合作用开展研究。结果表明,(1)香溪河水体年内呈高温期分层、低温期混合的基本特征,高温期混合层深度小于8 m,低温期混合层深度超过30 m。(2)太阳短波辐射是香溪河水体的主要热源,潜热通量和长波辐射是香溪河水体的主要冷源,感热通量贡献极小。(3)香溪河平均风速较弱,约为1.6 m/s,主要通过增强潜热和感热通量的方式影响水体垂向稳定性结构特征,其机械扰动作用较弱。(4)表层水体湍能通量在高温期较低(10^-7m³/s³量级),此时水体处于分层状态,风应力大概率主导表层水体湍流发育;低温期表层水体湍能通量较高(10^-6 m³/s^3<...     

南海深水多次波成像

南海海域水深可达5 km,是我国未来油气勘探最有前景的区域.南海海域地震资料含有各种类型多次波,在地震成像前需将多次波去除.然而与传统的一次反射波偏移比较,多次波携带更多的地下结构信息,多次波偏移可提供更好的地下成像.本文提出了一种修改传统逆时偏移的方法,利用多次波进行成像.该方法用包含一次波和多次波的记录代替震源子波,用预测多次波代替一次反射波作为输入数据.在逆时偏移处理流程中,将地表多次波记录沿时间延拓到各个深度层,通过互相关成像条件将包含一次波和多次波的地震记录沿时间延拓到相同深度层.将多次波偏移结果与一次波偏移结果的差应用目标函数进行匹配,弥补一次波偏移的不足.对Sigsbee2B数据做数值测试的结果表明与传统一次反射波偏移相比,该方法可以得到范围更大、均衡性更好的地下照明度.将该方法应用到南海深水实际资料成像,获得了南海深水地震资料多次波成像剖面.偏移结果表明,多次波成像可以弥补反射波照明的不足,由此说明多次波偏移是未来的一个重要研究方向.