全球变暖是人类实现可持续发展所面临的最为紧迫的挑战之一。大气中二氧化碳等温室气体浓度的上升，打破了气候系统中的能量平衡，在地球系统中产生了额外热量，导致温度上升。海洋的容积巨大，比热容高，存储和吸收了全球变暖90%以上的热量。作为地球气候系统的调节器，海洋很大程度上决定了全球变暖的步调。因此，准确测量全球海洋温度变化成为认识全球变暖及其影响的关键。
现今常用的测量海洋温度的仪器和方法包括XBT抛弃式探温仪、船载CTD温盐深观测仪、Argo全球海洋观测网以及卫星测量方式。其中，Argo观测网由4000多个散布于全球海洋的卫星跟踪浮标组成，单个浮标每10天对海洋顶层2000米进行温度测量，获得的数据远远超过船载测量以及其它仪器设备观测的总和，是研究全球海洋温度变化最重要的数据来源。Argo观测网的实施极大地提高了全球海洋温度监测能力，但仍存在诸多局限性：Argo只能采样2000米以上的海水，对于占全球海洋体积一半以上的深海则无能为力；海洋中存在大量小尺度（百公里级）涡旋，Argo观测网密度不足以分辨这类复杂的动力学过程，进而可能导致整体观测模型的偏差；此外，Argo观测网于2000年左右启动，早期浮标数量较少，观测密度低，更早时期则没有任何观测数据。深层海水温度实测资料缺乏，严重制约了全球海洋温度变化的研究。
针对该问题，加州理工大学博士后吴文波、助理教授詹中文以及中科院精密测量研究院倪四道研究员联合物理海洋学家，提出了利用地震T波测量深海温度变化的新方法，通过T波波速的变化来精确获取深海海温变化。研究成果发表在近期Science上。海底地震激发出的弹性波在海底转化为声波，经海洋声道内远距离传播后到达海岸附近，再次转为弹性波，并被地震仪检测到，因为晚于P波和S波抵达地震台站，因此也被称为第三个到达的波（Tertiary Wave），简称T波。这里的海洋声道（SOFAR，Sound Fixing and Ranging Channel）是指海水浅层由于压力、盐度和温度的综合作用形成的声波低速层，表现出波导的性质，可将声波束缚于其内传播，由于能量损失很少，可以传播长达数千千米的超远距离。
上世纪七十年代，圣地亚哥大学的Walker Munk教授和麻省理工学院的Carl Wunsch教授就已经注意到海洋声道的波导特性，提出了利用海洋声波对大洋环境变量进行成像的概念，并对其进行了理论论证。他们在海洋中设置人工源，在百公里以外的距离接收声波，通过测量声波到时，反推海洋温度及盐度等变量的空间分布（Munk and Wunsch, 1979）。全球变暖议题的提出及其紧迫性，使得该方法在监测大尺度海温随时间变化中得到重要应用。例如，1996年发起的著名海洋天气声学测温计划（Acoustic Thermometry of Ocean Climate），成功地监测了1996-2006年间北太平洋大尺度温度变化。该方法监测精度高，可通过大尺度平均效应有效压制小尺度涡旋扰动因素，成本也低于传统方法，然而由于环保问题、经费限制以及学科间交流障碍等原因，相关研究一度停滞。
图1 地震波测量海温方法的基本原理和研究区域内地震事件与台站分布情况
吴文波等人提出的方法利用天体地震激发的T波替代了人工震源产生的声波，继承了原方法高精度的优点。但由于天然地震的震源位置和发震时刻难以精确测量，无法直接利用绝对到时获取海水温度变化。通过利用天然地震中出现的重复地震事件，作者们巧妙克服了这一难点。他们收集了2005-2016年间发生在苏门答腊地区的4272个天然地震在3000km外印度洋中部迭戈加西亚岛上DGAR地震台T波波形记录，以及位于马来西亚、印尼和澳大利亚的KUM、PSI和WRAB三个参考地震台上的P波和S波记录（图1）。苏门答腊地区是全球著名的地震活跃带，澳大利亚板块向巽他次级板块的碰撞俯冲，产生了大量地震活动，包括2004年9.1级苏门答腊地震及2005年8.6级尼亚斯地震。DGAR是著名的T波台站，迭戈加西亚岛陡峭的海底地形可有效地将海洋声道内的声波转化为弹性波，这些都为T波研究提供了良好的数据基础。作者利用波形互相关方法检测出901个重复地震事件组成的2047个重复地震对。三个参考台站数据则被用来判定重复地震，同时也可帮助精确测量两个重复地震事件的相对发震时间，解决了发震时刻难以精确测定的问题。再使用相同的波形互相关方法，就可以准确测量两个重复地震事件产生的T波到时变化，进而重构出研究期间内T波到时变化的时间序列（图2）。
图2 反演重构得到的T波走时异常时间序列与对应的平均海洋温度变化
作者还利用二维谱元法进行了弹性波场模拟，获得了T波对海水温度变化的敏感核函数。结果表明T波到时变化在±0.4s以内，对应的平均海温变化范围为±0.08°C,与传统物理海洋学观测及大洋环流模式结果高度吻合。不仅如此，T波测量结果还获取了一些Argo及ECCO模型由于时空分辨率低而缺失的海温变化特征，尤其是2005年8.6级尼亚斯地震后发生的大量余震，可提供准单周甚至天尺度时间分辨率的平均海温变化。该项研究揭示了赤道东印度洋的深层海水温度存在准双周、半年和年周期等变化，而且新方法测量得到的温度存在十年的线性增长趋势，明显高于Argo和ECCO的研究结果。对于研究中T波采样到的区域而言，Argo和ECCO给出的估计分别是每10年0.026°C 和 0.039°C，而T波结果为每10年0.044°C，给出的变暖趋势高出Argo测量结果50%。误差分析表明T波到时变化主要是由海洋温度变化引起，盐度变化及洋流因素远小于温度造成的海洋声速变化，其海洋温度变化的测量精度可高达0.006°C。
图3 地震波测海温方法在全球海洋温度变化测量应用中的潜力
用地震波给海洋测温具有诸多优势，包括对1000-4000 m的深海温度变化敏感，可以弥补Argo对深层海洋（2000 m以下）采样的不足；可以作为独立数据检测Argo数据产品并指导未来Argo浮标的施放；对Argo观测网形成前地震数据的利用有望填补早期海温测量的空白。联合国全面禁止核试验条约组织（Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization）在大西洋、印度洋和太平洋都建有水听器台阵和T波台站，积累了近二十年的高质量T波数据，充分挖掘这类历史数据, 可有效融合互补其它类型的实测数据。除此之外，极地地区拥有大量频繁发生的海洋声波源（例如冰震），开展极地海洋声波观测可为相关区域海冰研究提供机遇。而未来借助更先进的光纤水听器观测网等设施，可进一步提升该方法的应用潜力。利用地震波测量深海温度具有环保、高精度、低成本、可追溯历史变化的优点，为大尺度海洋温度变化的监测和全球变暖研究提供了新的思路。文中展示了地震波测量海温方法在赤道印度洋地区应用的可行性及其优势，在全球更多地区的应用还有待进一步研究。
主要参考文献
- Wu W, Zhan Z, Peng S, et al. Seismic ocean thermometry[J]. Science, 2020, 369(6510): 1510-1515.（链接）
- Munk W, Wunsch C. Ocean acoustic tomography: A scheme for large scale monitoring[J]. Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, 1979, 26(2): 123-161.（链接）
- ATOC Consortium. Ocean climate change: Comparison of acoustic tomography, satellite altimetry, and modeling[J]. Science, 1998, 281(5381): 1327-1332.（链接）
（撰稿：吴文波/加州理工学院，李娟/地星室）
