Science：地震波測量深海溫度

Science：地震波測量深海溫度

全球變暖是人類實現可持續發展所面臨的最為緊迫的挑戰之一。大氣中二氧化碳等溫室氣體濃度的上升，打破了氣候系統中的能量平衡，在地球系統中產生了額外熱量，導致溫度上升。海洋的容積巨大，比熱容高，存儲和吸收了全球變暖90%以上的熱量。作為地球氣候系統的調節器，海洋很大程度上決定了全球變暖的步調。因此，準確測量全球海洋溫度變化成為認識全球變暖及其影響的關鍵。

現今常用的測量海洋溫度的儀器和方法包括XBT拋棄式探溫儀、船載CTD溫鹽深觀測儀、Argo全球海洋觀測網以及衛星測量方式。其中，Argo觀測網由4000多個散布於全球海洋的衛星跟蹤浮標組成，單個浮標每10天對海洋頂層2000米進行溫度測量，獲得的數據遠遠超過船載測量以及其它儀器設備觀測的總和，是研究全球海洋溫度變化最重要的數據來源。Argo觀測網的實施極大地提高了全球海洋溫度監測能力，但仍存在諸多局限性：Argo只能採樣2000米以上的海水，對於佔全球海洋體積一半以上的深海則無能為力；海洋中存在大量小尺度（百公裡級）渦旋，Argo觀測網密度不足以分辨這類複雜的動力學過程，進而可能導致整體觀測模型的偏差；此外，Argo觀測網於2000年左右啟動，早期浮標數量較少，觀測密度低，更早時期則沒有任何觀測數據。深層海水溫度實測資料缺乏，嚴重製約了全球海洋溫度變化的研究。

針對該問題，加州理工大學博士後吳文波、助理教授詹中文以及中科院精密測量研究院倪四道研究員聯合物理海洋學家，提出了利用地震T波測量深海溫度變化的新方法，通過T波波速的變化來精確獲取深海海溫變化。研究成果發表在近期Science上。海底地震激發出的彈性波在海底轉化為聲波，經海洋聲道內遠距離傳播後到達海岸附近，再次轉為彈性波，並被地震儀檢測到，因為晚於P波和S波抵達地震臺站，因此也被稱為第三個到達的波（Tertiary Wave），簡稱T波。這裡的海洋聲道（SOFAR，Sound Fixing and Ranging Channel）是指海水淺層由於壓力、鹽度和溫度的綜合作用形成的聲波低速層，表現出波導的性質，可將聲波束縛於其內傳播，由於能量損失很少，可以傳播長達數千千米的超遠距離。

上世紀七十年代，聖地牙哥大學的Walker Munk教授和麻省理工學院的Carl Wunsch教授就已經注意到海洋聲道的波導特性，提出了利用海洋聲波對大洋環境變量進行成像的概念，並對其進行了理論論證。他們在海洋中設置人工源，在百公裡以外的距離接收聲波，通過測量聲波到時，反推海洋溫度及鹽度等變量的空間分布（Munk and Wunsch, 1979）。全球變暖議題的提出及其緊迫性，使得該方法在監測大尺度海溫隨時間變化中得到重要應用。例如，1996年發起的著名海洋天氣聲學測溫計劃（Acoustic Thermometry of Ocean Climate），成功地監測了1996-2006年間北太平洋大尺度溫度變化。該方法監測精度高，可通過大尺度平均效應有效壓制小尺度渦旋擾動因素，成本也低於傳統方法，然而由於環保問題、經費限制以及學科間交流障礙等原因，相關研究一度停滯。

圖1 地震波測量海溫方法的基本原理和研究區域內地震事件與臺站分布情況

吳文波等人提出的方法利用天體地震激發的T波替代了人工震源產生的聲波，繼承了原方法高精度的優點。但由於天然地震的震源位置和發震時刻難以精確測量，無法直接利用絕對到時獲取海水溫度變化。通過利用天然地震中出現的重複地震事件，作者們巧妙克服了這一難點。他們收集了2005-2016年間發生在蘇門答臘地區的4272個天然地震在3000km外印度洋中部迭戈加西亞島上DGAR地震臺T波波形記錄，以及位於馬來西亞、印尼和澳大利亞的KUM、PSI和WRAB三個參考地震臺上的P波和S波記錄（圖1）。蘇門答臘地區是全球著名的地震活躍帶，澳大利亞板塊向巽他次級板塊的碰撞俯衝，產生了大量地震活動，包括2004年9.1級蘇門答臘地震及2005年8.6級尼亞斯地震。DGAR是著名的T波臺站，迭戈加西亞島陡峭的海底地形可有效地將海洋聲道內的聲波轉化為彈性波，這些都為T波研究提供了良好的數據基礎。作者利用波形互相關方法檢測出901個重複地震事件組成的2047個重複地震對。三個參考臺站數據則被用來判定重複地震，同時也可幫助精確測量兩個重複地震事件的相對發震時間，解決了發震時刻難以精確測定的問題。再使用相同的波形互相關方法，就可以準確測量兩個重複地震事件產生的T波到時變化，進而重構出研究期間內T波到時變化的時間序列（圖2）。

圖2 反演重構得到的T波走時異常時間序列與對應的平均海洋溫度變化

作者還利用二維譜元法進行了彈性波場模擬，獲得了T波對海水溫度變化的敏感核函數。結果表明T波到時變化在±0.4s以內，對應的平均海溫變化範圍為±0.08°C,與傳統物理海洋學觀測及大洋環流模式結果高度吻合。不僅如此，T波測量結果還獲取了一些Argo及ECCO模型由於時空解析度低而缺失的海溫變化特徵，尤其是2005年8.6級尼亞斯地震後發生的大量餘震，可提供準單周甚至天尺度時間解析度的平均海溫變化。該項研究揭示了赤道東印度洋的深層海水溫度存在準雙周、半年和年周期等變化，而且新方法測量得到的溫度存在十年的線性增長趨勢，明顯高於Argo和ECCO的研究結果。對於研究中T波採樣到的區域而言，Argo和ECCO給出的估計分別是每10年0.026°C 和 0.039°C，而T波結果為每10年0.044°C，給出的變暖趨勢高出Argo測量結果50%。誤差分析表明T波到時變化主要是由海洋溫度變化引起，鹽度變化及洋流因素遠小於溫度造成的海洋聲速變化，其海洋溫度變化的測量精度可高達0.006°C。

圖3 地震波測海溫方法在全球海洋溫度變化測量應用中的潛力

用地震波給海洋測溫具有諸多優勢，包括對1000-4000 m的深海溫度變化敏感，可以彌補Argo對深層海洋（2000 m以下）採樣的不足；可以作為獨立數據檢測Argo數據產品並指導未來Argo浮標的施放；對Argo觀測網形成前地震數據的利用有望填補早期海溫測量的空白。聯合國全面禁止核試驗條約組織（Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization）在大西洋、印度洋和太平洋都建有水聽器臺陣和T波臺站，積累了近二十年的高質量T波數據，充分挖掘這類歷史數據, 可有效融合互補其它類型的實測數據。除此之外，極地地區擁有大量頻繁發生的海洋聲波源（例如冰震），開展極地海洋聲波觀測可為相關區域海冰研究提供機遇。而未來藉助更先進的光纖水聽器觀測網等設施，可進一步提升該方法的應用潛力。利用地震波測量深海溫度具有環保、高精度、低成本、可追溯歷史變化的優點，為大尺度海洋溫度變化的監測和全球變暖研究提供了新的思路。文中展示了地震波測量海溫方法在赤道印度洋地區應用的可行性及其優勢，在全球更多地區的應用還有待進一步研究。

主要參考文獻

Wu W, Zhan Z, Peng S, et al. Seismic oceanthermometry[J]. Science, 2020, 369(6510): 1510-1515.

Munk W, Wunsch C. Ocean acoustictomography: A scheme for large scale monitoring[J]. Deep Sea Research Part A.Oceanographic Research Papers, 1979, 26(2): 123-161.

ATOCConsortium. Ocean climate change: Comparison of acoustic tomography, satellitealtimetry, and modeling[J]. Science, 1998, 281(5381): 1327-1332.

（撰稿：吳文波/加州理工學院，李娟/地星室）