随着人类社会对石油能源的需求越来越大，仅从陆地开发已无法满足需要，于是海上油气勘探得到了很大的发展，而勘探难度也随之加大，对勘探工作的精细程度要求越来越高，勘探目标也逐渐从浅水区向深水区发展。在这样的背景下，常规的海上地震资料数据处理过程中，海水介质被视为水平均匀的层状介质，这是对海水的一种近似处理。而海上地震勘探过程中，经常面临复杂的海洋情况。这样对海水介质进行简单的近似处理，必然会引入误差，从而影响地震资料数据处理的效果。事实上，海上地震勘探是在复杂的海洋环境下完成的。首先海水由于受到潮汐、重力、风等因素的影响，产生随机起伏海面。这样来自海底的反射波遇到海面发生反射时，就会受到起伏海面的影响，同时由于海面反射波与一次反射波的时差较小，会叠加在一次反射波尾部，因此检波器接收到的地震记录也会受到起伏海面影响。其次海水速度变化十分复杂。在深水区海水深度为300-3000米，由于海水深度较大，海水中声波速度受温度、压力和盐度等因素的影响更为显著，形成深海声道，使海水声速呈层状分布。此外，海水中存在着大量的悬浮粒子，例如气溶胶，水汽凝成物，气泡等，使海水各处的声速度各不相同，并具有一定的随机性及不确定性，这些小的速度异常可以引起声波的散射和吸收。针对以上这些问题，为了研究复杂海洋环境对地震波在海水中传播的影响。本文综合考虑了复杂海洋环境下的随机起伏海面问题、深海声道现象以及海水小尺度速度非均匀性问题，首先采用Pierson-Moskowitz海浪谱（P-M谱）来描述随机起伏海面，然后采用随机介质建模方法，建立起伏海面海水随机介质模型，并采用不等距差分法对该模型进行数值模拟。研究工作具体为以下几个方面：①介绍随机介质建模相关的随机分布与随机理论，有限差分法以及不等距有限差分法的基本原理以及格式推导。②介绍复杂海洋环境下的海水速度特点，包括深水区深海声道现象以及海水小尺度速度异常问题。③随机起伏的复杂海面的特点以及数学描述。④总结了随机介质建模的研究发展，介绍了随机介质建模的流程，并且根据深水区海水的速度特点，建立了符合实际海水物理学特点的海水随机介质速度模型。④针对起伏界面的问题，本文将不等距差分法引入到起伏地表地震波数值模拟中，对数值模拟区域进行划分，在不规则界面采用不等距差分格式，在规则区域采用常规有限差分格式。⑥分别对水平及起伏海面海水随机介质模型进行了地震波数值模拟。通过对比海水随机介质速度模型与海水常速度模型的地震记录，发现海水速度的小尺度异常会引起地震波的散射，使振幅出现小幅度的波动，但这种影响很小，可以忽略。而深海声道现象对地震波传播影响更为显著，会引起地震波的走时和振幅的差异。此外，发现起伏海面对一次反射波具有重要影响。一次反射波的同相轴形状发生很大变化，不是标准双曲线，而是呈现出与起伏海面形状吻合的形状。通过抽取单道地震记录对比，可以发现起伏海面使一次反射波的波形发生变化。