作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2014/9/29 12:25:05
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中科院南海所:聆听海洋的“心跳”

 

大洋、深海隐藏着大量亟待揭示的奥秘,同时,合理开发和利用海洋也是解决全球面临的资源、人口和环境问题的重要途径,海洋学也一直是全球热门的研究领域。

■本报记者 冯丽妃

从滔天翻滚的巨浪,到急速运转的涡旋,大海的脉搏一向难测。捕捉海水的“脉动”,聆听海洋的“心跳”,这是近年来唐群署和他带领的科考小组的目标。

唐群署是中科院南海海洋研究所研究员,依托南海所实验2号科考平台,他与科考队员搭乘国家基金委共享航次,首次采用地震物理的方式对我国南海北部的海水水体的运动进行了精细的“脉搏”测量。

他们利用反射地震观测的方法,分别精细刻画了海洋内孤立波和海表涡旋的细结构,并提取了它们的属性参数。其中,内孤立波观测成果近日刊登于自然出版集团旗下期刊《科学通报》;而海表涡旋研究成果发表在美国地球物理学会(AGU)旗下《地球物理学—海洋学》上。

在海洋中“随波逐浪”

内孤立波和涡旋是物理海洋研究的热点。“内孤立波是海水中的一种振幅波,只有一个波峰或波谷,而涡旋或漩涡是指大气或水流中旋转的圆柱状流体。”唐群署在接受《中国科学报》记者采访时解释说。

无论是孤立波还是涡旋,唐群署观测的对象都是中小尺度的海水水体强力运动的动力过程。“水下的孤立横向波长可以达到两三公里,波深可以到达水下一二百米处。中尺度涡旋的大小可以达到10公里左右的量级,而大涡漩甚至达到几百公里。”唐群署告诉记者,

海上科考作业从来不是一件简单的事。这些水体运动一方面与潮汐、海流、波浪一起,使大海免成死水,保持了海水水体的活力和健康,而另一方面它们的破坏力有时巨大得惊人。

虽然测量过程中海况基本良好,但这些水体运动还是很喜欢与唐群署等科研人员“开玩笑”。它们把拖在海水里的测试电缆拖离水面又抛落在水中,科研人员时常因此晕船。

尽管如此,唐群署带领的科考小组捕捉到了一前一后两个海洋内的孤立波,同时利用反射地震观测分别精细刻画了海洋内孤立波和海表涡旋细结构,并提取它们的属性参数。

研究小组利用两条位于阿拉斯加湾的反射地震资料,获得了阿拉斯加湾雅库塔特湾海表涡旋的精细结构图像,清晰展示了涡旋内部细结构及其与周边水团的接触关系,发现涡旋底部层状结构与旋臂、坡折带强流锋面等现象,结合卫星资料和现场水文观测资料,首次综合描述了涡旋的路径、尺寸等属性特征。

给海水“号脉”

这是国内外首次利用地震学方法观测到内孤立波这样的海洋强动力过程,并从地震资料中定量提取内孤立波传播速度、振幅、波形、垂向速度等信息,证实了地震、卫星与水文等三种独立的观测方法之间的一致性。

传统海洋观测方法在海洋次中尺度至小尺度结构的观测中遇到了瓶颈,很大程度上限制了对相应尺度的海洋动力过程与混合过程的研究。“地震海洋学就是反射地震方法研究海洋现象,它可以为海洋中小尺度现象提供全新的视角。”唐群署解释说。

而地震海洋学是一门用地震的方法来研究水体的新的交叉学科。

“相对于传统内孤立波锚定观测方法,走航式地震方法观测内孤立波更为快捷,分辨率更高,可获得内孤立波的空间形态及其相应的传播参数。”他对比说。

同时,相对于传统站位式涡旋观测手段,地震方法在水平分辨率上显著提高三个数量级,可对涡旋内部及其周边结构作出精细描述。“比如传统方法的测量精度是10公里,现在可以达到10米的量级,可以观测到非常细致的水体结构。”他说。

新思路开辟新前景

目前,地震海洋学可对海洋中诸如海洋锋面、海流、边界层、温跃层、漩涡、内波等物理海洋现象进行观测,突显其刻画水体细结构的能力,具有高效率、高水平分辨率、全深度的观测优势。

“以前的海上作业对内孤立波关注较少,现在已经发现它们对海底的潜艇以及海下的钻井平台都有较大的破坏力。”唐群署说。目前的研究仅仅解决了海水运动机理的问题,具体应用方面比如回避、预测或防护还需要很多工作。

大洋、深海隐藏着大量亟待揭示的奥秘,同时,合理开发和利用海洋也是解决全球面临的资源、人口和环境问题的重要途径,海洋学也一直是全球热门的研究领域,然而,当前中国与国外海洋研究仍有许多差距。“海洋研究首当其冲的要素就是科考船,而当前我国海洋科考的最迫切问题就是设备方面,尤其是科考船方面的短板。”唐群署说。

他表示,海洋研究的经费投入与陆地相比不是一个量级,不可同日而语,他很高兴看到当前国家对海洋研究的重视与支持,特别是在科考船建设方面的投入。

“海上研究最基础的是要有航次,多亏可以搭乘基金委地球物理共享航次,即便没有大项目缺少大量科研经费支撑的科学家也可以参与其中,出海作研究。”他告诉记者,此次研究得到了多项国家自然科学基金项目以及其他研究项目的支持。

《中国科学报》 (2014-09-29 第8版 基金)
 
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