基于海嘯感應(yīng)電磁場的海嘯監(jiān)測研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

方浩源，吳招才

（自然資源部 第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012）

20 世紀(jì)以來，世界上共發(fā)生過7 次大海嘯，其中以2004 年印尼蘇門答臘地震引發(fā)的海嘯最為嚴(yán)重，給海嘯波及國家?guī)砹司薮蟮娜藛T傷亡與財產(chǎn)損失。海嘯主要是海底地層發(fā)生斷裂造成的海水波動，屬于特長的長波能量傳遞，海嘯波的特點(diǎn)是波速快、波長大及周期長。海嘯波進(jìn)入大陸架時，由于海水深度急劇變淺，波速越來越小，波高驟增，使得海水像堵水墻一樣拍向陸地從而帶來毀滅性危害。對海嘯這種具有突發(fā)性、影響距離遠(yuǎn)、危害大特點(diǎn)的海洋災(zāi)害，人類目前只能通過監(jiān)測、預(yù)警來減少它們帶來的損失。

為減少海嘯帶來的破壞，美國國家海洋和大氣局自1965 年開始啟動建設(shè)了國際海嘯預(yù)警系統(tǒng)，由地震與海嘯監(jiān)測、海嘯預(yù)警中心和信息發(fā)布等構(gòu)成。1995 年，美國國家海洋和大氣管理局太平洋海洋環(huán)境實(shí)驗室（NOAA Pacific Marine Environmental Laboratory，PMEL）開發(fā)并測試了海嘯深海評估與報告（Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis，DART）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將壓力計和聲波傳感器放置于海底，利用壓電現(xiàn)象壓力計產(chǎn)生與其所受到的壓力成正比的電流，通過聲波傳感器將電流信號上傳到海面浮標(biāo)，然后通過衛(wèi)星傳輸、到地面觀測站，以此來實(shí)時監(jiān)測與海嘯相關(guān)的海平面高程變化[1]。該網(wǎng)絡(luò)是目前太平洋區(qū)域正在運(yùn)行的海嘯預(yù)警的主要系統(tǒng)，共6 個站點(diǎn)，包括阿留申群島以南的3 個DART 站、美國俄勒岡州和華盛頓外海的2 個DART 站和1 個赤道站。

這種基于海底壓力計的海平面高程變化測量來進(jìn)行海嘯預(yù)警有幾點(diǎn)不足之處：①需要一定密度的傳感器網(wǎng)絡(luò)分布，圖1 顯示了DART 目前部署的海嘯監(jiān)測浮標(biāo)分布，這對于區(qū)域和局部海嘯事件的預(yù)測來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，印度洋地區(qū)甚至還沒有完整的深海壓力傳感器網(wǎng)絡(luò)；②該傳感器陣列需要較高成本來安裝與維護(hù)，有些國家與地區(qū)無法負(fù)擔(dān)這筆高額費(fèi)用；③由于海嘯監(jiān)測浮標(biāo)的技術(shù)限制，只適合為遠(yuǎn)距離地震產(chǎn)生的長時海嘯提供早期預(yù)警，但對人類造成重大危害的一般都是離岸距離近、傳播速度快的海嘯災(zāi)害[2]。

圖1 當(dāng)前各國部署的DART 系統(tǒng)位置Fig.1 The locations of the currently deployed DART

因此，針對目前基于海底壓力計測量海平面高程變化的海嘯監(jiān)測系統(tǒng)所面臨的問題，利用新技術(shù)發(fā)展和改進(jìn)已有的監(jiān)測系統(tǒng)被廣泛重視。最佳的系統(tǒng)應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)海嘯風(fēng)險區(qū)域的精細(xì)預(yù)警能力提升，包括盡可能提高海嘯預(yù)報的準(zhǔn)確度、延長預(yù)警提前時間、降低預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本等。

長波長、高波速的海嘯在開闊海域與普通海浪并無明顯差異，但海嘯攜帶的巨量高鹽度海水在地球磁場中運(yùn)動時會產(chǎn)生次生電磁場，被稱為海嘯的“運(yùn)動感應(yīng)”(Motional Induction)電磁場，簡稱海嘯感應(yīng)電磁場，所產(chǎn)生的磁場擾動（磁異常）可以被安裝在近地衛(wèi)星或者高空氣球上的磁傳感器捕捉，所產(chǎn)生的變化電場引起的電壓變化可以被安裝在海底的通信光纖電纜等探測到[3]。安裝在海底的高精度電磁計也能夠同時探測到海嘯感應(yīng)電磁場產(chǎn)生的磁異常和電壓變化[4]。通過海底電磁探測方法來監(jiān)測海嘯具有分辨率高、能夠反映海嘯傳播的矢量信息、能夠?qū)崟r監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，許多地區(qū)的海底觀測網(wǎng)都布設(shè)了電磁計，增加了海底地磁觀測站的研究部署計劃。例如利用安裝在法屬波利尼西亞地區(qū)的長期海底地球物理觀測網(wǎng)（在2009 年2 月至2010 年12 月運(yùn)行期間）中電磁計就探測到海嘯引起的海底電磁場變化[5]。

在海嘯電磁監(jiān)測方面，我國不論是從臺站建設(shè)等硬件基礎(chǔ)條件，還是從相應(yīng)理論方法研究和應(yīng)用探討方面都與國際上存在差距。傳統(tǒng)的地震探測與驗潮站測量方法最大的局限性在于它們無法連續(xù)跟蹤海嘯波在大洋中的傳播，但是海嘯感應(yīng)電磁場可以做到。從原理上來說，從地磁信號中計算海嘯波面非常便捷，若付諸實(shí)際應(yīng)用，可以大大改善現(xiàn)有的海嘯預(yù)警系統(tǒng)[6]。海嘯電磁監(jiān)測可以連續(xù)動態(tài)監(jiān)測海嘯傳播，可以較海嘯到達(dá)提前T/4（T為波動周期）時間監(jiān)測到異常信號，還可以判斷海嘯類型。故為進(jìn)一步完善我國重點(diǎn)風(fēng)險區(qū)域海嘯預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測能力，在南海海域布設(shè)包括島礁臺站和海底臺站在內(nèi)的海洋電磁觀測臺網(wǎng)是十分必要的。本文主要為了解海嘯電磁場監(jiān)測預(yù)警海嘯的理論與實(shí)際應(yīng)用方向，結(jié)合我國南海海嘯預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀提供補(bǔ)充電磁監(jiān)測能力的建議。首先，討論了海嘯感應(yīng)電磁場的監(jiān)測原理，即海嘯感應(yīng)電磁場的解析解的推導(dǎo)過程，總結(jié)了海嘯感應(yīng)電磁場中的電壓變化和磁場擾動與海面高程變化的響應(yīng)關(guān)系；其次，分析基于此原理得出的海底電壓測量、海面磁場測量以及海底矢量電磁觀測三種海嘯監(jiān)測方法的特征與應(yīng)用，比較了三者的應(yīng)用特點(diǎn)和現(xiàn)狀，根據(jù)歸納比較結(jié)果指出了海底矢量電磁觀測在海嘯監(jiān)測方面的應(yīng)用優(yōu)勢；最后，討論了南海重點(diǎn)海嘯區(qū)域未來布設(shè)電磁海嘯監(jiān)測臺網(wǎng)的必要性。

1 海嘯感應(yīng)電磁場的原理

通過麥克斯韋方程組和一定的邊界條件，可以定量地求出海嘯感應(yīng)電磁場的磁場垂直分量，以及海嘯感應(yīng)電磁場中的電場在海底的電壓變化與海面高程變化的響應(yīng)關(guān)系[7-8]。理論上，根據(jù)這兩種關(guān)系，通過相應(yīng)的觀測手段就可以實(shí)現(xiàn)海嘯監(jiān)測。

相比數(shù)值模擬方法需要對海嘯進(jìn)行實(shí)際模擬從而對磁場進(jìn)行數(shù)值建模這種成本高、計算時間久的方法，將觀測和模擬中最容易得到的海面高程變化作為海嘯運(yùn)動特征參數(shù)，通過星載磁力計或者海底地磁站測量得到的海嘯運(yùn)動感應(yīng)產(chǎn)生的磁場，使用一些流動約束條件來推導(dǎo)海平面的海嘯感應(yīng)磁場與海面高程變化之間的響應(yīng)關(guān)系（式（1））更為高效。

Larsen[9]推導(dǎo)了海洋中長波和中波（如海嘯）產(chǎn)生的電磁場的理論解析解，該求解在幾十到數(shù)百km 的深度內(nèi)規(guī)定了一層導(dǎo)電地幔，在有限海洋深度中研究電磁場的自感效應(yīng)和互感效應(yīng)。Chave 和Alan[10]利用格林函數(shù)也推導(dǎo)出了相應(yīng)的海嘯感應(yīng)電磁場表達(dá)式。針對與海嘯有關(guān)的海流，Tyler[7]將Larsen[9]的通用公式簡化為：

式中：bz為海嘯感應(yīng)電磁場的垂直分量；η為海面高程；Fz為地球主磁場的垂直分量；h為海洋層厚度，也稱為深度；c為波速，c=(gh)1/2，其中g(shù)為重力加速度；cs為由Tyler[7]提出的一個縮放速度，cs=c+icd，其中cd=2K/h，為橫向擴(kuò)散速度；K為描述波數(shù)水平變化的矢量。借助該轉(zhuǎn)換公式，可以由海面高程（η）估計海嘯產(chǎn)生的垂直磁場分量（bz），反之亦然。其最大的簡化在于式（1）中括號內(nèi)的項僅取決于環(huán)境參數(shù)，不依賴于特定的波參數(shù)，與具體的波數(shù)k和角頻率ω?zé)o關(guān)。因此該轉(zhuǎn)換公式在實(shí)際應(yīng)用中也最為常見。

Tyler[7]和Sugioka 等[11]都利用全球地磁模型和水深模型研究了該轉(zhuǎn)換公式的振幅和相位的響應(yīng)關(guān)系。從振幅看，對于0.5 m 波高的海嘯，峰值磁異常可達(dá)20 nT 左右，但僅限于磁極附近的深水區(qū)。物理上相位（Phase）表示該過程是否屬于擴(kuò)散狀態(tài)（Diffusive Regime）（phase≈90°）或 通量凍結(jié)狀態(tài)（Frozen-Flux Regime）（phase≈0°）。當(dāng)phase≈0 時，式（1）可簡化為bz/Fz=η/h（即由流動匯聚引起的深度的微小變化均與垂直磁場的微小變化有關(guān)）；在其他相位下，單位海平面高度變化引起的磁場振幅總是小于通量凍結(jié)區(qū)域，并且bz與η 異相[7]。

在2004 年印度洋蘇門答臘特大海嘯發(fā)生以前，對海嘯感應(yīng)電磁場的研究主要集中在不同海嘯速度模型和海底地形模型下的理論解析解推導(dǎo)。Tyler[7]提出了理論解析解最簡單的表達(dá)式，Larsen[9]與Shimizu 和Utada[12]給出了最全面的表達(dá)式，其他幾種表達(dá)式[11,13-14]則介于兩者之間?？偨Y(jié)這些解析解決方案的相關(guān)信息和特點(diǎn)如表1 所示。其后的研究則主要集中于基于海嘯電磁場的具體監(jiān)測方法，以及如何綜合應(yīng)用傳統(tǒng)壓力式浮標(biāo)、GPS 式浮標(biāo)與電磁監(jiān)測站等監(jiān)測手段，建設(shè)更準(zhǔn)確、更快的海嘯監(jiān)測系統(tǒng)。

表1 各種海嘯電磁場解析解相關(guān)信息和特點(diǎn)[3]Table 1 The characteristics of analytical solutions of the tsunami-induced electromagnetic field[3]

2 基于海嘯感應(yīng)電磁場的監(jiān)測方法研究進(jìn)展

2.1 海底電壓測量監(jiān)測方法與應(yīng)用

全世界范圍內(nèi)，通過海底電纜測量海嘯感應(yīng)電磁場產(chǎn)生的電壓變化來監(jiān)測海嘯運(yùn)動特征方面的研究為數(shù)并不多。在此之前，Lilley 等[15]和Meinen 等[16]利用海底電壓測量監(jiān)測水流的方法，認(rèn)識到海底電壓數(shù)據(jù)與水流通量之間的線性關(guān)系，該方法也常用于海峽水流傳輸?shù)谋O(jiān)控與水流通量估算[17-20]。而Thomson 等[21]首次在海底電纜中檢測到海嘯產(chǎn)生的電位，利用海洋長電纜獲得的大尺度位勢資料研究了電位勢對門多西諾角海嘯運(yùn)動誘發(fā)電磁場的響應(yīng)關(guān)系。

Flosadottir 等[22]和Sigray 等[23]探討了海底光纜系統(tǒng)測量海底電場變化的多種方法，提出用靜電計陣列（Electrometers）測量海底電場也可以探測到海嘯引起的電場變化。但是靜電計測量陣列的局限性在于其需要部署在一個有利的位置，且需要有足夠的空間密度，才能監(jiān)測海嘯引起的電場變化。北印度洋等地存在多個為監(jiān)測海底而建立的大型海底電纜系統(tǒng)，這些電纜穿越整個洋底的斷裂系統(tǒng)、俯沖帶等構(gòu)造活動帶，可以大面積地探測海嘯流引起的電場變化，一定程度上彌補(bǔ)了靜電計測量陣列的不足。因此在北印度洋等地利用現(xiàn)有和退役的海底電纜系統(tǒng)測量海底電壓變化來監(jiān)測海嘯是十分有意義的[8]。

由于地磁主場徑向分量的振幅隨緯度增加而增大，電磁感應(yīng)的顯著響應(yīng)關(guān)系也可以在更高的緯度存在[7]，這意味著海底電纜電壓測量可以監(jiān)測世界更多地區(qū)的海洋運(yùn)動。所以利用現(xiàn)有的海底電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以在諸如北太平洋與印度洋等地區(qū)監(jiān)測海嘯引起的電壓變化。例如Fujii[24]研究了太平洋4 條海底電纜在幾秒至直流電周期內(nèi)觀測到的行星尺度的電勢變化。

在實(shí)際海嘯監(jiān)測效果上，Manoj 等[8]調(diào)查了印度洋海底電纜是否能夠通過海嘯產(chǎn)生的電壓變化來監(jiān)測2004 年蘇門答臘海嘯產(chǎn)生的電場，發(fā)現(xiàn)在海底電纜的兩端之間感應(yīng)到了高達(dá)0.5 V 的可觀測電壓，并使用正壓模型基于淺水方程模擬了2004 年12 月26 日印度洋海嘯的傳播，繪制了整個模擬期間由海嘯引起的海洋中水平電場強(qiáng)度變化范圍，如圖2a 和圖2b 所示，其中，南向電場強(qiáng)度分量和東向電場強(qiáng)度分量均為0～10 mV/km，且沿主流區(qū)及海岸和島嶼附近有較強(qiáng)的信號。大洋-大陸邊界電場的增強(qiáng)主要是由橫向電導(dǎo)率對比度大[25]所致。在開闊海域，電場強(qiáng)度在±2 mV/km 以內(nèi)。電場的空間分布由流速和地磁主場徑向分量控制[8]。

從SAFE、SEA-ME-WE 和TATA 三條印度洋地區(qū)的海底通信電纜網(wǎng)絡(luò)中分別選擇對應(yīng)的部分電纜共3 條（A-B、C-D 和E-D），由上述3 條選定電纜的模擬電壓時間序列（圖2d）中可見，海底電纜的電壓幅度在±500 mV范圍內(nèi)，電壓變化的主要周期約為20 min，與Titov 等[26]報道的印度洋海嘯15～60 min 的周期大致一致，平行于地磁赤道的電纜（C-D 和E-D）的電壓變化幅度低于平行于主波運(yùn)動方向的電纜（A-B）。由此驗證了海底電纜電壓測量監(jiān)測海嘯運(yùn)動的可行性，且得到電纜放置位置的選擇會影響海嘯監(jiān)測質(zhì)量的結(jié)論，可以用于進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)測布設(shè)方案。

圖2 模擬得到的2004 年印度洋海嘯傳播情況下3 條海底電纜電壓變化[8]Fig.2 Changes in voltage of 3 subsea cables simulated under the case of Indian Ocean tsunami propagation in 2004[8]

利用海底電纜電壓測量監(jiān)測海嘯的關(guān)鍵是從測得的電纜數(shù)據(jù)中提取出海嘯引起的電信號，其中有2 個問題值得注意：其一是電纜-海洋接觸處的電化學(xué)過程引起的電壓偏差[23]會給數(shù)據(jù)增加噪聲，但通過選擇正確的接觸位置和高質(zhì)量的電極將電纜-海洋接觸中的不穩(wěn)定性降低后，可以達(dá)到1 mV 的測量精度[27-28]；其二是電纜數(shù)據(jù)中還囊括了外部（電離層和磁層）源和其他類型海流（海洋環(huán)流或潮汐流等），它們通過運(yùn)動感應(yīng)也產(chǎn)生電場干擾[29]。對于潮汐變化引起的干擾，可以通過可用的數(shù)值計算方案來估計和消除[7,25]，其引起的與海嘯相關(guān)的電壓變化具有明顯的周期性，通過與不發(fā)生運(yùn)動感應(yīng)的地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可將它們與外部源產(chǎn)生的電場噪聲分開，這一處理方法可參考Larsen[30]。

在現(xiàn)代海嘯監(jiān)測系統(tǒng)中，目前主要依靠帶有可靠遙測系統(tǒng)的海底壓力傳感器陣列來探測海水運(yùn)動，如前文提到的美國DART 系統(tǒng)[1]。由于海嘯傳播速度很快，為提早發(fā)布海嘯預(yù)警，以贏得更長的災(zāi)害防御時間，海嘯監(jiān)測儀需布放在深海區(qū)的海嘯傳播路徑上（就我國而言，可能引起地震海嘯的震源區(qū)距離大陸很遠(yuǎn)）。在這些區(qū)域，海水受海嘯波影響而起伏，水面距海底高度隨之變化，這種變化雖然不大，但可由放置于海底的高精度壓力傳感器測得。這首先是因為海嘯波具有長波（水深相對波長很小，也稱為淺水波）屬性。低頻海嘯波可以到達(dá)深海海底而高頻風(fēng)生波無法到達(dá)，這種現(xiàn)象使深海成為一個理想的低通濾波器，便于在海底進(jìn)行海嘯波測量[31]。但是這種壓力傳感器陣列預(yù)警方式存在受限于傳感器分辨率與精度以及成本維護(hù)等問題。

歸納上述關(guān)于海底電壓測量監(jiān)測方法的研究與應(yīng)用情況，我們認(rèn)為，用海底電纜電壓測量來監(jiān)測海嘯運(yùn)動的優(yōu)點(diǎn)在于幾乎所有的海洋都有海底電纜，而且海底電纜的電壓測量成本很低；缺點(diǎn)在于缺乏海嘯沿著電纜移動的位置信息[8]。綜合來看，在沒有或者缺少海底壓力原位測量的海洋中使用海底電纜進(jìn)行電壓測量作為海嘯監(jiān)測替代方法具有很大的應(yīng)用前景。并且在可預(yù)見的未來，由于全球互聯(lián)網(wǎng)信號傳播的廣泛使用，利用海底電纜測量海嘯的電磁場信號將進(jìn)入定量化時代，海水中的帶電粒子與地球磁場相互作用，在傳送互聯(lián)網(wǎng)信號的電纜中可以產(chǎn)生高達(dá)500 mV 的電壓。所以，利用海底電纜的電壓測量這一技術(shù)相對簡單的監(jiān)測方法，可以形成定量且低成本的海嘯預(yù)警系統(tǒng)，可以為負(fù)擔(dān)不起其他類型大型傳感器陣列的國家服務(wù)。

2.2 磁場擾動測量監(jiān)測方法與應(yīng)用

根據(jù)海嘯感應(yīng)電磁場的解析解，在考慮到環(huán)境參數(shù)代入的情況下，可以結(jié)合海嘯實(shí)例驗證觀測到的磁場擾動與實(shí)際海平面高程變化之間的響應(yīng)。以衛(wèi)星觀測到的與2004 年12 月26 日印度洋海嘯相關(guān)的海平面變化為例，由圖3 可見海嘯開始2 h 后，沿Jason 1 衛(wèi)星軌跡從(82°E，10°S)延伸至(93°E，20°N)的海面高度異常 η與在海面測得的相應(yīng)垂直磁場分量bz進(jìn)行比較的結(jié)果[7]。

圖3 衛(wèi)星觀測到的海面高程與海平面垂直磁場分量對比Fig.3 Comparison between the changes in sea surface elevation observed by satellite and the vertical magnetic field components measured at the sea surface

從圖3 可以看出，海面測得的垂直磁場分量bz與海嘯產(chǎn)生的海面高程變化趨勢具有一致性，且磁場變化比高程變化幅度大，驗證了磁場擾動監(jiān)測海嘯的可行性。軌道衛(wèi)星除了具有測高功能以外，還可以通過星載磁力計同時直接測量區(qū)域海面的磁場異常，但其存在由于電離層擾動影響、探測高度和探測分辨率等會產(chǎn)生數(shù)據(jù)異常。其中關(guān)于衛(wèi)星探測高度問題，在典型的衛(wèi)星高度約400 km 處，不太可能探測到海嘯產(chǎn)生的磁場，因為海嘯的水平尺度（×102km）比海浪的（×103km）小得多。因此只有近地衛(wèi)星和高空氣球可以測量到海嘯引起的磁場擾動[7]。

前文提到監(jiān)測海嘯運(yùn)動的主流方法是通過測量海底壓力變化來反映水深變化，而Suetsugu 等[5]在對2010 年2 月27 日智利地震的研究分析中，發(fā)現(xiàn)了磁場擾動和海底壓力變化之間的明顯相關(guān)性，兩者都與海嘯海面高程變化成正比。分析海底地震發(fā)生時SOC8 站記錄的海嘯到來時的電磁信號和壓力信號，發(fā)現(xiàn)海底地震出現(xiàn)后海嘯壓力信號與磁場的垂直分量響應(yīng)一致，這充分證實(shí)在反映海嘯產(chǎn)生的海面高程方面，磁場垂直分量擾動與海底壓力變化的響應(yīng)效果是一致的。也就是說，海底的磁場測量可以應(yīng)用于海嘯運(yùn)動監(jiān)測。

此外，Titov 等[26]通過模擬海嘯得到的最大海平面高度預(yù)測了其引起的磁場擾動的最大振幅（圖4），再將預(yù)期值與海嘯發(fā)生期間磁場實(shí)測值進(jìn)行比較，驗證了響應(yīng)關(guān)系的準(zhǔn)確性。如圖4 所示，根據(jù)對2004 年12 月26 日印度洋海嘯模擬得到的最大海面高度來算得的海嘯流產(chǎn)生的垂直磁場分量的最大振幅?？芍M得到的振幅約為3 nT，與圖3 的海面觀測結(jié)果一致，但是磁赤道附近（8°～9°N 區(qū)域）的振幅很小。因此認(rèn)為利用磁場振幅對海嘯進(jìn)行估計在這2 個區(qū)域是無效的：①靠近磁赤道，這里的磁場無論如何都很??；②靠近海岸線（約300 km）[7]。

圖4 2004年12月26日印度洋海嘯引起的磁場擾動的最大振幅預(yù)測值[26]Fig.4 The expected value of the maximum amplitude of the magnetic field disturbance caused by tsunami on December 26, 2004 [26]

實(shí)際海嘯引起的磁場擾動信號分別與衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)、海底壓力數(shù)據(jù)、海嘯模擬數(shù)據(jù)三方面得到的海嘯高度進(jìn)行比較驗證，結(jié)果都證實(shí)了海嘯引起的磁場擾動與海嘯海面高程變化的響應(yīng)關(guān)系[3]。當(dāng)然響應(yīng)關(guān)系隨著海水深度不同，其表達(dá)式也會有所不同，Sugioka 等[11]就研究了在不同海域深度下的磁場響應(yīng)函數(shù)，未來在不同深度海域都能精確監(jiān)測到海嘯的運(yùn)動將成為可能。

在實(shí)際應(yīng)用方面，磁場擾動測量的監(jiān)測方法一般可以通過近地衛(wèi)星測得磁數(shù)據(jù)，然而衛(wèi)星觀測監(jiān)測范圍大，在靠近磁赤道和海岸線區(qū)域該方法監(jiān)測效果卻不佳。結(jié)合以上特點(diǎn)，可以認(rèn)為磁場擾動測量監(jiān)測方法更適用于監(jiān)測在具有極低波高的大洋中的海嘯，用于監(jiān)測系統(tǒng)早期鎖定可疑海嘯并及時分析其對陸地的危害性。

2.3 海底矢量電磁觀測監(jiān)測方法與應(yīng)用

過去15 a 中，隨著技術(shù)的發(fā)展和其他相關(guān)應(yīng)用需求的增加，更多先進(jìn)電磁儀被布設(shè)到海底。在太陽活動相對平靜期發(fā)生的大海嘯（如2006—2007 年的千島地震、2010 年智利地震和2011 年的東北地震分別造成的千島海嘯、智利海嘯和東北海嘯）所引發(fā)的感應(yīng)電磁場觀測記錄也逐漸增多，這為用海底電磁儀組成陣列全天候、全天時精確監(jiān)測海嘯運(yùn)動提供了硬件基礎(chǔ)。

相關(guān)研究方面，Toh 等[4]利用西北太平洋的一個海底地磁觀測站監(jiān)測到的千島海溝兩次地震引起的海嘯磁場分量信息發(fā)表了第一份詳細(xì)的海嘯感應(yīng)電磁場的研究報告，得到單點(diǎn)海底電磁傳感器既可以監(jiān)測海嘯傳播方向，也可以監(jiān)測海嘯波高的結(jié)論。在監(jiān)測效果方面，Schnepf 等[32]利用一種新的交叉小波分析方法處理磁信號，通過參考點(diǎn)的水平磁場降低了噪聲，突出海嘯磁信號。應(yīng)用該方法處理2007 年千島海嘯、2010 年智利海嘯和2011 年東北海嘯以及薩摩亞海嘯期間獲得的磁性數(shù)據(jù)，成功提取出了海嘯磁信號的時頻特征。目前該方法的唯一缺點(diǎn)是去噪后不能通過交叉小波分析再現(xiàn)時間序列，導(dǎo)致原始時間序列中的相位信息丟失[3,32]。在布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、綜合應(yīng)用于海嘯監(jiān)測系統(tǒng)方面，Suetsugu 等[5]和Sugioka 等[11]首次報道了2010 年智利海嘯期間處于運(yùn)行狀態(tài)的TIARES（The network for Tomographic Investigation by seafloor Array Experiment for the Society hotspot，面向社會熱點(diǎn)的海底陣列層析成像探測網(wǎng)絡(luò)）的海底水壓和電磁信號觀測結(jié)果。由于高頻率的外部信號不能傳播到海底，因此海底儀器測得的電磁信號大都是清晰的，這對實(shí)時推斷海嘯傳播的動態(tài)特性很有幫助[3]。例如Zhang 等[33-34]報道的正常大洋地幔（Normal Oceanic Mantle）項目在北太平洋安裝了一系列海底儀器形成監(jiān)測網(wǎng)[35]，能夠準(zhǔn)確確定該地區(qū)的海嘯傳播方向。

Toh 等[4]利用2006 年和2007 年兩次千島地震海嘯實(shí)測數(shù)據(jù)研究了海底矢量電磁監(jiān)測能力，圖5 和圖6分別顯示了2 次海嘯抵達(dá)時間區(qū)間內(nèi)垂直向下地磁分量（bz）和2 個水平地磁分量（bx，by），以及由粒子速度估計疊加的預(yù)測海嘯高度。因此認(rèn)為：①可以通過一個地磁監(jiān)測站單點(diǎn)監(jiān)測海嘯傳播方向；②可以通過觀測總是在實(shí)際海嘯到達(dá)前出現(xiàn)的磁場垂直分量雙極峰預(yù)警海嘯，理論上可以提前T/4 的時間；③可以通過水平電磁分量波峰的正負(fù)來判斷海嘯類型。

圖5 2006 年千島地震海嘯引起的磁場3 部分 分量 變化[4]Fig.5 The variations of three-part components of the magnetic field induced by a seismic tsunami at Qiandao Island in 2006[4]

圖6 2007 年千島地震海嘯引起的磁場3 部分分量變化[4]Fig.6 The variations of three-part components of the magnetic field induced by a seismic tsunami at Qiandao Island in 2007[4]

上述是單點(diǎn)電磁觀測，在實(shí)際監(jiān)測系統(tǒng)中一般都是通過完整的電磁觀測陣列來監(jiān)測海嘯運(yùn)動有效信息的。Sugioka 等[11]利用安裝在法屬波利尼西亞地區(qū)的長期海底地球物理觀測網(wǎng)的電磁計和壓力計監(jiān)測到了海嘯引起的海底電磁場和水深擾動，并根據(jù)到達(dá)各觀測站的時間推斷出每隔10 min 的海嘯波陣面，結(jié)果表明2010 年智利地震海嘯向約44°NW 的方向以約210 m/s 的速度傳播。利用2 個水平磁分量以及所有臺站的1個水平電分量和垂直磁分量的2 對波形等電磁數(shù)據(jù)推斷出的傳播矢量與上述波陣面估計結(jié)果一致。

基于海嘯電磁感應(yīng)場理論的3 種海嘯監(jiān)測方法給當(dāng)前主流的基于壓力變化的海嘯監(jiān)測方法提供了有效補(bǔ)充。對實(shí)際應(yīng)用過程中電場、磁場和矢量電磁監(jiān)測優(yōu)劣點(diǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 3 種海嘯電磁監(jiān)測方法的對比Table 2 Comparison of the three methods for monitoring the tsunami-induced electromagnetic field

在電磁測量儀器方面，海底電磁計的分辨率極限為0.01 nT，在除赤道線(從理論上考慮)以外地區(qū)足以分辨對應(yīng)于Bz/g＞1的厘米級高度的海嘯[11]。在先進(jìn)電磁儀不斷布設(shè)的基礎(chǔ)上，歸納2 次千島地震海嘯中矢量電磁觀測監(jiān)測方法表現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)有：能有效預(yù)測最大海嘯波到來（垂直分量的雙極峰），能判斷海嘯類型（水平分量波峰），且矢量電磁觀測網(wǎng)還可以實(shí)時監(jiān)測海嘯運(yùn)動方向。所以現(xiàn)階段應(yīng)加快海底電磁監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)與研究，將其整合到現(xiàn)有的單一壓力浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)中，形成海嘯電磁監(jiān)測系統(tǒng)，將能大幅提高海嘯預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測能力。

海嘯電磁監(jiān)測系統(tǒng)每個單元主要由3 種傳感器構(gòu)成，分別是測量海底磁場分量的海底電磁儀、測量海面高程變化的壓力計和傳輸信號的傳輸器。日本海洋地球科學(xué)技術(shù)局（Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, JAMSTEC）開發(fā)了一種名為Vector TsunaMeter（VTM）的海底電磁儀器，并將其應(yīng)用于海嘯預(yù)警系統(tǒng)[36-37]。VTM 包括用于磁場3 分量測量的磁通門磁力計、海底壓力測量的差壓計（Differential Pressure Gauge，

DPG）和將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶Ｃ娴穆晫W(xué)調(diào)制解調(diào)器。因此，該儀器在通過DPG 檢測海面高程變化的同時，可以利用矢量磁觀測監(jiān)測海嘯的傳播方向。VTM 還可以與位于海面的自主波浪滑翔機(jī)進(jìn)行通信，并通過衛(wèi)星將實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)疥懙卣?。Hamano 等[38-39]報道了2013 年2 月6 日所羅門群島海嘯（Mw 8.0 地震引發(fā)）發(fā)生時，安裝在菲律賓海中的VTM 成功檢測到了海嘯電磁信號。

3 我國南海海嘯電磁監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展

我國南海地處環(huán)太平洋地震帶和喜馬拉雅地震帶的多地震區(qū)環(huán)繞下，海底地震有發(fā)展成為海嘯危害的可能。南海尤其是馬尼拉海溝是可能的海嘯危險區(qū)，在開展相應(yīng)的海嘯風(fēng)險區(qū)域分析后，在重點(diǎn)區(qū)域建立完整的海嘯預(yù)警機(jī)制是十分必要的。國際上主要的海嘯監(jiān)測手段有驗潮站、壓力式浮標(biāo)、GPS 浮標(biāo)和衛(wèi)星監(jiān)測。而我國目前僅能通過驗潮站和地震臺網(wǎng)來監(jiān)測海嘯，相應(yīng)海嘯預(yù)警的準(zhǔn)確度和及時性都與國際水平存在差距[40]。目前南海地震海嘯預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)由地震與海嘯監(jiān)測系統(tǒng)、海嘯數(shù)值模擬計算系統(tǒng)、預(yù)警信息服務(wù)系統(tǒng)組成[41]。

南海海嘯預(yù)警系統(tǒng)中電磁監(jiān)測站的設(shè)置幾乎為空白，主要依靠偏理論的數(shù)值模擬計算系統(tǒng)，主要是因為有關(guān)南海海嘯預(yù)警國內(nèi)學(xué)者在數(shù)值模擬方面研究較多，大多基于海洋動力學(xué)原理，在有效結(jié)合海水運(yùn)動的感應(yīng)電磁場監(jiān)測方面存在空白。建設(shè)海洋電磁觀測臺網(wǎng)不僅可以有效提升我國海嘯預(yù)警監(jiān)測實(shí)力，還可以滿足地球科學(xué)研究的需要、填補(bǔ)相關(guān)空白和維護(hù)國家海洋權(quán)益以及更好地履行國際責(zé)任。在海洋電磁觀測臺網(wǎng)方面，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)薄弱。日本分別于2001 年8 月和2006 年6 月，在西太平洋水深5 580 m 處和西菲律賓盆地（West Philippine Basin, WPB）水深5 690 m 處布設(shè)了2 個海底地磁非實(shí)時觀測站[42]。我國目前在海洋地磁探測網(wǎng)的建設(shè)上與國外有較大差距。

4 結(jié)論

本文介紹了海嘯感應(yīng)電磁場監(jiān)測海嘯的原理，即其解析解的推導(dǎo)，以及基于這一原理的3 種海嘯監(jiān)測方法（海底電壓測量、磁場擾動測量、海底矢量電磁測量）的研究進(jìn)展與相關(guān)應(yīng)用，總結(jié)了三者各自的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀和完整的海嘯電磁監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢。最后簡要介紹了在我國南海海嘯風(fēng)險區(qū)域布設(shè)海底電磁觀測臺網(wǎng)，利用矢量電磁觀測手段補(bǔ)強(qiáng)我國海嘯監(jiān)測預(yù)警能力的必要性。得到以下主要結(jié)論。

1） 海嘯作為一種海水運(yùn)動切割地磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場，與相應(yīng)的海面高程變化具有響應(yīng)關(guān)系，通過分析海嘯感應(yīng)電磁場的解析解可以獲得這一關(guān)系。

2）利用海嘯產(chǎn)生的磁場擾動與電壓變化都可以預(yù)測海嘯的運(yùn)動特征，利用海底電纜監(jiān)測海嘯電磁場信號進(jìn)而預(yù)警海嘯運(yùn)動具有可行性。

3）海底矢量電磁觀測可以同時觀測磁場分量和電場分量，并且具有矢量測量海嘯傳播方向的能力，因此電磁分量測量可以補(bǔ)充由海底壓力計單一推斷的海面變化數(shù)據(jù)。就海嘯預(yù)報的準(zhǔn)確性而言，將矢量電磁觀測整合到現(xiàn)代標(biāo)量觀測系統(tǒng)中，將代表海嘯預(yù)警系統(tǒng)性能的大幅提高。

4）在我國目前海洋地磁測量發(fā)展水平下，在南海等重點(diǎn)區(qū)域建設(shè)符合實(shí)際情況的海底矢量地磁觀測網(wǎng)絡(luò)十分有必要，也是未來技術(shù)發(fā)展的趨勢。