海洋地球物理学家——地震方法监测海洋温度变化

science bulletin (科学通报）2020年8月发表的文章“ Combating climate change in a post-Covid-19 ear"指出气候变化会是后疫情时代另一种更为严重的全球危机。比尔盖茨预测到2060年，气候变化可能和疫情一样致命。气候变化会导致环境变化，迫使动物迁徙，导致动物之间的疾病传播到人类。气候变化会导致环境恶化，地质灾害增加。而全球变暖导致冰川冻土融化可能会释放出古老的病毒。因此，监测全球变暖是一项非常重要的工作。而海洋温度变化是一个非常重要的指标。

利用Argo浮标数据监测海水温度是目前最成熟的方法，但该方法存在两个比较明显的缺陷，（1)监测深度小于2000米；（2）难以进入冰覆盖的海域。2020年9月18日science的发表的一篇文章“seismic ocean thermometry"提出利用天然地震激发引起的T波的走时差来估算海水温度的趋势。这一方法与Munk和Wunsch 在1979年提出的大规模声学监测类似。因为地震波或者声波传播的时间与波在海水中的传播速度有关，而海水中传播速度又和温度有关，所以，时间信息里边包含了温度的信息。按Munk和Wunsch的设想，采用层析的方法来获得海水层的声速剖面，从而监测温度变化。这主要体现的是一种空间变化。而“seismic ocean thermometry”这篇文章则是基于随时间变化的旅行时差来获得随时间变化的温度差。基本原理是，利用重复的T波达到地震检波器的时间差来估算海水温度的变化（如图1所示）。理论上，不同时期从同一位置出发的T波，其达到同一地震检波器的旅行时是不变的，但由于温度变化导致速度变化，则旅行时发生变化。文中展示了三个不同尺度的变化，分别是12个月，6个月，10天。图2显示了年际变化。

图1  利用同一地点不同时刻产生的T波达到检波器的时间差估算温度变化

图2 2005-2015年海水温度异常

作者提到，只所用地震海洋温度计，而不是地震温度层析，就是因为目前的数据较少。可以想象，如果检波器很多，重复的Twave也很多，完全就可以用seismic tomography方法来监测海洋温度的时空变化。很显然，这种利用地震波的旅行时估算温度变化属于反问题，属于海洋地球物理学家可以有所作为的领域。