The summer thermohaline structure of 2011 of the southern East China Sea shelf and its implications for the intrusion of Taiwan Warm Current and Kuroshio Current
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摘要: 利用2011年7月5个断面共30个站位的温盐深（CTD）测量资料，分析东海南部陆架水体的温盐结构和温跃层特征，探讨黑潮和台湾暖流对东海陆架水文状况的影响。结果显示，本区广泛存在着浅部温跃层和深部温跃层。浅部温跃层分布于20 m水深以内，跃层强度普遍较弱，具有明显的日内生消变化。深部温跃层分布于中、外陆架和台湾海峡。在中、外陆架的深水区，跃层底界深度约80 m，跃层厚度约10 m；跃层强度大，约为0.8 ℃/m，且较为稳定。在台湾海峡北部，温跃层分布于水深14～30 m，跃层厚度6～10 m，跃层强度偏弱，为0.2～0.5 ℃/m。在温跃层附近，由于上、下层水团温度、盐度的差异，其混合过程常出现盐指现象。在东海陆架90～110 m等深线之间，深部温跃层之下盘踞着一个深层冷水团，水温为16.8～17.6 ℃。黑潮水的入侵，使得外陆架温跃层强度减弱至0.2～0.5 ℃/m；同时，跃层层位上升，厚度加大。温跃层强度可以作为指示黑潮入侵的灵敏指标。当夏季深部温跃层强度低于0.6 ℃/m，同时伴随跃层厚度加大时，可判别为黑潮入侵。本区夏季黑潮锋可以到达110 m等深线附近。在中陆架50～80 m等深线之间，深部温跃层的消失，说明台湾暖流的强烈影响遍及整个水柱；而从南向北，台湾暖流的影响逐渐减弱。台湾海峡北部深层水温度较低，平均值为22.52 ℃，要比东海南部中陆架深层水低3 ℃，这可能意味着台湾暖流深层水主要源于黑潮分支的加入。Abstract: Conductivity–temperature–depth (CTD) measurements along 5 transects including 30 hydrographic stations were carried out over the continental shelf of the southern East China Sea in July 2011. The thermohaline structure of waters and its characteristics are analyzed and the influence of the Kuroshio Branch Current and the Taiwan Warm Current on the hydrography of the shelf water discussed. Results show that shallow and deep thermoclines occur extensively. The former is present within 20 m in water depth, with weak gradients but apparent intraday evolution. The latter is present over the mid and outer shelf and the Taiwan Strait. The lower boundary of deep thermocline dwells at the water depth of ～80 m over the mid and outer shelf. It has a thickness of ～10 m, with stable and strong gradients of ～0.8 ℃/m. In contrast, deep thermocline dwells at the depths between 14～30 m in the northern Taiwan Strait. Its thickness usually varies between 6～10 m, with relatively weak gradients between 0.2～0.5 ℃/m. Salt fingering is observed around the deep thermocline due to the differences in temperature and salinity between the upper and lower waters. A cold water mass is observed below deep thermoclines at the isobaths between 90～110 m, with temperature between 16.8～17.6 ℃. The gradients of deep thermocline drop to 0.2～0.5 ℃/m over the outer shelf, their strata are synchronously lifted, and their thicknesses expanded, indicating the consequence of the Kuroshio intrusion. Therefore, once the deep thermocline gradient is lower than 0.6 ℃/m coupled with expanded thickness of its stratum, the Kuroshio intrusion will be distinguished. As a sensitive proxy, weakened thermocline gradients indicate that the Kuroshio front may reach up to the 110 m isobath over the outer shelf in summer. Disappearance of deep thermocline demonstrates that the Taiwan Warm Current prevails throughout the water column over the mid shelf at the isobaths between 50～80 m. Its influence reduces gradually from south to north. The deep water in the northern Taiwan Strait has a lower mean temperature of 22.52 ℃, which is 3 ℃ much lower than that of the deep water in the mid shelf of the southern East China Sea. Such a discrepancy suggests that the deep water of the Taiwan Warm Current may be derived from the inflow of the Kuroshio Branch Current.
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1. 研究背景
在海洋资料中，多次波干扰非常发育并且种类也较多，有海水的鸣震、强海底尤其是崎岖海底产生的海底相关多次波、强反射界面产生的层间和长周期多次波等，这些多次波会造成地震记录中有效反射能量被压制，信噪比降低。因此，多次波的压制一直是海洋地震数据处理中的难点问题，也是海上资料处理的主要任务[1]。
深水海域地震资料数据处理是深水油气勘探的重要环节，其中多次波的压制又是重中之重，它直接影响到地震资料的品质，因此在偏移之前，尽可能地压制或衰减多次波。在深水海域，存在的多次波主要是自由表面多次波，该类多次波定义为地下介质反射的地震波到达自由表面后，至少发生一次下行反射，然后经一定传播路径后重新返回自由表面所接收的地震波[2-3]。可以说，在深水海域，如果能够压制自由表面多次波，也就压制了大部分的多次波干扰，因此自由表面多次波的压制是整个多次波压制的重点。针对此类多次波，学者们提出了很多压制的方法，有CMP叠加、f-k滤波法、Radon变换、聚束滤波法、预测反褶积和基于波动理论的多次波预测相减法等，其中目前最为广泛应用的是广义自由表面多次波预测技术（General-Surface Multiple Prediction，GSMP），相比于传统的二维自由表面多次波压制技术（Surface-Related Multiple Elimination，SRME），该技术预测的多次波模型更准确。同时，海上二维采集过程中电缆中—远偏移距难免受海流影响而偏离设计测线方向形成羽角，这是海上二维地震资料采集的固有特点。羽角的存在使共反射点发散无法满足SRME技术对规则化采集的要求，从而影响后续的多次波预测。因此，在本次多次波压制中，我们采用的是GSMP技术，但是在印度洋深水海域，海底相关多次波能量强，频带宽，常规的GSMP技术也不能得到很好的压制，因此，本文利用曲波变换，将多次波模型进一步优化，得到更加精确的多次波模型，从而使多次波的压制效果更好[4-9]。
2. 方法原理
2.1 广义自由表面多次波预测技术
广义自由表面多次波预测技术是近几年来逐渐兴起并广泛应用于海洋地震资料数据处理中的一项新技术。在理论上，该技术可以预测并衰减所有与地表相关的多次波，并且无需地下任何的先验信息，如速度、地层和构造等信息，是基于数据驱动的。广义自由表面多次波预测是通过模型建立和自适应减去法实现的，具体的实现途径为波动方程建模法，是在地表一致性褶积法的基础上进行改进的，通过波动方程外推来实现对多次波的模拟，该技术能适应任意观测系统，并且不受炮检点位置的约束。具体过程如下：首先对单炮数据进行时间反转，然后再向下外推，并与海底的反射系数进行褶积，再做向上的外推处理，最后完成整个单炮的多次波建模[6-8]。
2.2 曲波域多次波模型优化
广义自由表面多次波预测产生多次波模型，然后将地震数据和模型数据转换到曲波域，对多次波模型进一步优化，最后利用原始数据与多次波模型相减，对多次波进行压制。曲波变换使用的是第二代曲波变换，解决了第一代曲波变换大量数据冗余的问题，使曲波变换的实现更简单，运算效率更高。第二代曲波变换的公式为
$$ {\rm{c}}\left( {j,k,l} \right) = \left\langle {f,{{\rm{\varphi }}_{j,k,l}}} \right\rangle = \mathop \int \nolimits_{{R^2}}^{} f\left( x \right)\overline {{{\rm{\varphi }}_{j,k,{{l}}}}\left( x \right)} {\rm{d}}x $$ 其中，f（x）表示输入的原始地震信号或者多次波模型数据；φj,k,l为曲波函数，c（j,k,l）为曲波系数，其中j为尺度，l为方向，k为尺度j在l方向上的矩阵系数[10-13]。
具体的模型优化流程见图1，将地震数据和广义自由表面多次波预测产生的模型数据分为两部分，一部分是低频数据，一部分是高频数据，其中低频数据利用常规自适应减的方法得到低频多次波模型；高频数据动校后转换到曲波域，在曲波域中，比较不同尺度、不同角度的信号与多次波的振幅和相位差异（图2），具体的做法是：当信号与多次波的模型比较大于门槛值时，认为是信号，小于门槛值时，认为是多次波，依次来优化高频多次波模型，从而得到更加精确的多次波模型，再进行反动校（图3），最后用地震数据减去多次波模型，达到压制多次波的目的[14-17]。分高低频的主要原因是，在曲波域中，低频部分无法分角度和尺度对数据进行比较，见图4（分三个尺度）中Scale1，对低频模型无法进行优化，因此低频数据采用常规的自适应减，在高频数据中采用曲波变换对模型进行优化。高低频分界点的选取要稍大于Scale1的频率，低于Scale2的频率。
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图 4 曲波变换示意图ω为频率，KN为空间奈奎斯特频率，N为尺度。Figure 4. Schematic diagram of curvelet transformω is the frequency, KN is the space Nyquist frequency, N is the scale.3. 实例分析
选取印度洋某深水海域的地震资料，该地区海底地形总体较为平坦，最大水深为5258 m。从原始炮集（图5）上可以看出，多次波主要是海底相关的多次波，图6是有效波与多次波频谱图的对比，其中红色是有效波频谱图，蓝色是多次波的频谱图，从图中可以看出，多次波能量强，频带宽，与有效波频谱基本一致。首先利用常规的广义自由表面多次波压制方法对其压制，图7是利用广义自由表面多次波压制方法得到的多次波模型，图8是压制后的炮集，可以看出多次波压制不干净，仍有较多残留。图9是利用本文方法，分4个尺度进行曲波变换，计算Scale1的频率为15.75 Hz，因此本文将原始数据和模型数据以20 Hz为界分为高频数据和低频数据，低频数据利用常规的自适应减的方法优化低频多次波模型，高频数据转到曲波域，在曲波域中根据不同尺度不同角度的信号与多次波的振幅和相位差异来优化高频多次波模型，然后将低频模型和高频模型相加得到优化后的多次波模型。为了更清晰地比较优化前后的多次波模型，将原始炮集的多次波与优化前后的多次波模型放大并进行比较，图10可以明显地看出，由浅至深，优化后的多次波模型与原始炮集的多次波更吻合，多次波模型的精确度更高。最后利用原始数据直接减去多次波模型，得到压制后的炮集，可以看出压制后炮集更干净，信噪比更高（图11）[18-21]。
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图 6 有效波与多次波频谱图对比红色是有效波频谱，蓝色是多次波频谱。Figure 6. The spectrum of the effective wave compared with that of the multiple wavewhere red is the spectrum of the effective wave and blue is the spectrum of the multiple wave.![]()
图 10 多次波模型对比图从左到右依次为：原始数据多次波，常规方法得到的多次波模型，曲波域优化后的多次波模型。Figure 10. Multiples model comparison chartFrom left to right: multiples of raw data, multiples model obtained by conventional method, multiples model obtained by curvelet transform.![]()
图 11 利用优化后模型多次波压制效果Figure 11. Suppression of multiple waves using the optimized model下面从叠加剖面上看常规方法和本文方法的压制效果。选取印度洋该深水海域两条测线，图12是A测线原始剖面，图13是利用常规方法压制后的效果，可以看出压制效果不理想，多次波残留较为严重（图中箭头所指的地方）；图14 是利用本文方法压制后的效果，可以看出，压制效果较好，多次波去除的较为干净，剖面信噪比高，并且未损害有效信号，时间10.2 s的位置波组特征更加清晰，有利于后期地震资料的偏移和解释[22-25]。图15—17是B测线的原始剖面及利用常规方法和本文方法压制后的效果图，同样可以看出，利用本文方法压制多次波的效果更好，压制后的剖面信噪比更高，说明本文方法更适用于深水海域海底相关多次波的压制。
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图 13 A测线常规方法压制后的叠加剖面Figure 13. The superimposed profile after conventional method of line A![]()
图 14 A测线利用曲波域优化模型压制的叠加剖面Figure 14. The stacked profile after optimization model in curved wave domain of line A![]()
图 17 B测线利用曲波域优化模型压制后的叠加剖面Figure 17. The stacked profile after optimization model in curved wave domain of line B![]()
图 16 B测线常规方法压制后的叠加剖面Figure 16. The superimposed profile after conventional method of line B4. 结论
本文通过在实际资料中的应用可以看出，多次波的压制效果较好，剖面的信噪比得到了较大的提高，同时压制后有效信号得到了凸显，波组特征更加清晰，有利于后期层位的识别和追踪。
该技术适用于海底地形较为平坦的深水海域，同时值得注意的是，本文方法在曲波域中对高频模型进行优化时，是根据信号和模型数据在不同尺度、不同角度上的振幅和相位差异，即当信号与多次波的模型比大于门槛值时，认为是信号，小于门槛值时，认为是多次波，因此门槛值的选择非常重要，直接决定优化后模型的精确度。门槛值的选择是选取有代表性的炮集，计算不同尺度、不同角度的振幅和相位差异，从而确定门槛值。
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图 1 东海南部2011年夏季水文观测站位分布
Figure 1. Map of the study area showing the locations of 30 hydrological stations in the summer, 2011, southern East China Sea
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图 2 东海南部2011年夏季水柱温度剖面
Figure 2. Water column profiles of temperature in the summer, 2011, southern East China Sea
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图 3 东海南部陆架水体2011年夏季深部温跃层特征
Figure 3. Deep thermocline characteristics in the summer, 2011, southern East China Sea
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图 4 东海南部2011年夏季水柱盐度剖面
Figure 4. Water column profiles of salinity in the summer, 2011, southern East China Sea
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图 5 东海南部2011年夏季25 m水深温度平面分布
Figure 5. Spatial distribution of temperature at the water depth of 25 m in summer, 2011, southern East China Sea
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[1] 李家彪. 东海区域地质[M]. 北京: 海洋出版社, 2008: 86-87. LI Jiabiao. Regional Geology of the East China Sea[M]. Beijing: China Ocean Press, 2008: 86-87.
[2] 孙湘平. 中国近海区域海洋[M]. 北京: 海洋出版社, 2006: 106-129, 272-291. SUN Xiangping. Regional Oceanography of China Seas[M]. Beijing: China Ocean Press, 2006: 106-129, 272-291.
[3] 苏纪兰, 袁业立. 中国近海水文[M]. 北京: 海洋出版社, 2005: 214-221, 229-244. SU Jilan, YUAN Yeli. Offshore Hydrology in China[M]. Beijing: China Ocean Press, 2005: 214-221, 229-244.
[4] Chern C S, Wang J, Wang D P. The exchange of kuroshio and East China Sea shelf water [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1990, 95(C9): 16017-16023. doi: 10.1029/JC095iC09p16017
[5] Wang W T, Yu Z M, Song X X, et al. Intrusion pattern of the Offshore Kuroshio Branch Current and its effects on nutrient contributions in the East China Sea [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2018, 123(3): 2116-2128. doi: 10.1002/2017JC013538
[6] Saito H. The kuroshio: its recognition, scientific activities and emerging issues[M]//Nagai T, Saito H, Suzuki K, et al. Kuroshio Current: Physical, Biogeochemical, and Ecosystem Dynamics. Washington, D C: Geophysical Monograph Series, 2019, doi: 10.1002/9781119428428.ch1.
[7] Hsueh Y, Wang J, Chern C S. The intrusion of the Kuroshio across the continental shelf northeast of Taiwan [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1992, 97(C9): 14323-14330. doi: 10.1029/92JC01401
[8] Hsin Y C, Wu C R, Shaw P T. Spatial and temporal variations of the Kuroshio east of Taiwan, 1982-2005: a numerical study [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2008, 113(C4): C04002. doi: 10.1029/2007JC004485
[9] Yang D Z, Yin B S, Liu Z L, et al. Numerical study of the ocean circulation on the East China Sea shelf and a Kuroshio bottom branch northeast of Taiwan in summer [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2011, 116(C5): C05015. doi: 10.1029/2010JC006777
[10] Wang J, Oey L Y. Inter-annual and decadal fluctuations of the Kuroshio in East China Sea and connection with surface fluxes of momentum and heat [J]. Geophysical Research Letters, 2014, 41(23): 8538-8546. doi: 10.1002/2014GL062118
[11] Yang D Z, Huang R X, Yin B S, et al. Topographic beta spiral and onshore intrusion of the Kuroshio Current [J]. Geophysical Research Letters, 2018, 45(1): 287-296. doi: 10.1002/2017GL076614
[12] Wu C R, Hsin Y C, Chiang T L, et al. Seasonal and interannual changes of the Kuroshio intrusion onto the East China Sea Shelf [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2014, 119(8): 5039-5051. doi: 10.1002/2013JC009748
[13] 苏纪兰, 潘玉球. 台湾以北陆架环流动力学初步研究[J]. 海洋学报, 1989, 11(1):1-14 SU Jilan, PAN Yuqiu. Preliminary study on the circulation dynamics over the continental shelf north of Taiwan [J]. Acta Oceanologica Sinica, 1989, 11(1): 1-14.
[14] 苏纪兰. 中国近海的环流动力机制研究[J]. 海洋学报, 2001, 23(4):1-16 SU Jilan. A review of circulation dynamics of the coastal oceans near China [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2001, 23(4): 1-16.
[15] Cui X, Yang D Z, Sun C J, et al. New insight into the onshore intrusion of the Kuroshio into the East China Sea [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2021, 126(2): e2020JC016248. doi: 10.1029/2020JC016248
[16] Chen C T A, Sheu D D. Does the Taiwan warm current originate in the Taiwan strait in wintertime? [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2006, 111(C4): C04005. doi: 10.1029/2005JC003281
[17] Jan S, Sheu D D, Kuo H M. Water mass and throughflow transport variability in the Taiwan Strait [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2006, 111(C12): C12012. doi: 10.1029/2006JC003656
[18] Lian E G, Yang S Y, Wu H, et al. Kuroshio subsurface water feeds the wintertime Taiwan Warm Current on the inner East China Sea shelf [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2016, 121(7): 4790-4803. doi: 10.1002/2016JC011869
[19] 国家技术监督局. GB12763.7-1991 海洋调查规范 海洋调查资料处理[S]. 北京: 中国标准出版社, 1992: 68-70. State Bureau of Technical Supervision. GB12763.7-1991 The Specification for Oceanographic Survey-Oceanographic Survey Data Processing[S]. Beijing: Standards Press of China, 1992: 68-70.
[20] Sorkin A, Sorkin V, Leizerson I. Salt fingers in double-diffusive systems [J]. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 2002, 303(1-2): 13-26. doi: 10.1016/S0378-4371(01)00396-X
[21] Chen H W, Liu C T, Matsuno T, et al. Temporal variations of volume transport through the Taiwan Strait, as identified by three-year measurements [J]. Continental Shelf Research, 2016, 114: 41-53. doi: 10.1016/j.csr.2015.12.010
[22] Katoh O, Morinaga K, Nakagawa N. Current distributions in the southern East China Sea in summer [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2000, 105(C4): 8565-8573. doi: 10.1029/1999JC900309
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期刊类型引用(5)
1. 刘鸿，徐华宁，刘欣欣，陈江欣，张菲菲，王小杰，颜中辉，杨佳佳，杨睿. 海洋地球物理数据处理现状及展望. 海洋地质与第四纪地质. 2024(03): 40-52 . 
本站查看
2. 王小杰，刘欣欣，颜中辉，刘鸿，杨佳佳. 基于曲波域模型优化的多次波压制方法在浅地层剖面的应用. 石油物探. 2024(06): 1155-1162 . 百度学术
3. 颜中辉，杨睿，冯京，刘欣欣，刘鸿，王小杰，姜春涛. 高分辨率小道距处理技术及属性分析在水合物识别中的应用. 海洋地质与第四纪地质. 2024(06): 46-59 . 本站查看
4. 冯晟，郑勋，王沛，宋峙潮. 基于预测反褶积理论的多次波压制技术研究. 黑龙江科学. 2023(04): 136-138 . 百度学术
5. 李森，梁杰，龚建明，廖晶，陈建文，张银国，王建强，杨传胜，袁勇，雷宝华. 巴基斯坦东部海域中-新生代沉积研究进展. 海洋地质前沿. 2022(02): 1-13 . 百度学术
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