NASA衛(wèi)星首次高分辨率捕捉巨型太平洋海嘯全貌

美國宇航局（NASA）用于觀測海面高度的“水面與海洋地形表面高度衛(wèi)星”（SWOT）在今年7月底堪察加半島外海發(fā)生強(qiáng)震時(shí)，意外獲得了一次前所未有的高分辨率巨大海嘯觀測，為科學(xué)界提供了首次來自太空的精細(xì)海嘯全景圖像。

研究人員在最新發(fā)表于《The Seismic Record》期刊的論文中指出，這次觀測揭示出海嘯波在太平洋盆地內(nèi)傳播和相互作用的復(fù)雜細(xì)節(jié)，挑戰(zhàn)了長期以來關(guān)于大型海嘯“幾乎不發(fā)生色散、形態(tài)基本保持完整”的傳統(tǒng)認(rèn)識。

7月29日，庫頁島—堪察加俯沖帶發(fā)生矩震級8.8級強(qiáng)烈地震，是自1900年以來全球記錄到的第六大地震，并在太平洋上激發(fā)了一次橫跨大洋的海嘯。 冰島大學(xué)的Angel Ruiz-Angulo及其團(tuán)隊(duì)將SWOT獲取的海面高度數(shù)據(jù)，與布設(shè)在海嘯路徑上的深海海嘯觀測浮標(biāo)（DART）記錄結(jié)合分析，重建了這次事件的波動過程。 SWOT的觀測顯示，海嘯在太平洋盆地內(nèi)呈現(xiàn)出精細(xì)而復(fù)雜的波動結(jié)構(gòu)，多個(gè)波列在空間上交織疊加，遠(yuǎn)超以往僅靠少數(shù)浮標(biāo)和傳統(tǒng)高度計(jì)“沿一條細(xì)線掠過”時(shí)所能看到的有限信息。

SWOT衛(wèi)星由NASA與法國國家太空研究中心聯(lián)合研制，于2022年12月發(fā)射，最初目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對地球表面水體（包括海洋、湖泊與河流）的全球高精度測量。 通過寬達(dá)約120公里的觀測條帶和高空間分辨率數(shù)據(jù)，SWOT能夠在短時(shí)間內(nèi)捕捉大范圍海域的海面高度微小起伏，此前主要應(yīng)用于研究海洋渦旋等精細(xì)動力過程。 Ruiz-Angulo表示，團(tuán)隊(duì)原本只是利用SWOT數(shù)據(jù)研究小尺度海洋結(jié)構(gòu)，并未預(yù)料到能“碰巧”抓住一次大規(guī)模海嘯事件，從而為海嘯研究打開一個(gè)全新的觀測窗口。

傳統(tǒng)海嘯理論中，由于大海嘯的波長遠(yuǎn)大于海洋深度，此類波通常被視為“非色散”重力波，即在傳播過程中整體波形基本保持，不會明顯分解成前導(dǎo)波和后續(xù)波列。 然而，SWOT這次獲得的數(shù)據(jù)卻呈現(xiàn)出顯著的色散特征：在主波峰之后，存在一系列尾隨波列，其傳播和能量分布與考慮色散效應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果更加吻合。 研究團(tuán)隊(duì)據(jù)此認(rèn)為，現(xiàn)有將大型海嘯簡單視作非色散波的假設(shè)并不完備，有必要在預(yù)報(bào)和模擬模型中進(jìn)一步納入色散相關(guān)的動力學(xué)機(jī)制。

在對觀測與模擬進(jìn)行比對時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)，利用地震波及地表形變數(shù)據(jù)構(gòu)建的早期海嘯源模型，與部分DART潮位站實(shí)測記錄并不完全一致：模型預(yù)報(bào)的海嘯抵達(dá)時(shí)間在兩個(gè)觀測點(diǎn)分別出現(xiàn)偏早和偏晚的情況。 團(tuán)隊(duì)隨后以DART數(shù)據(jù)為約束開展反演分析，重新評估地震破裂區(qū)域的空間范圍，結(jié)果顯示，這次堪察加地震的破裂帶向南側(cè)延伸更遠(yuǎn)，總破裂長度約達(dá)400公里，而此前模型給出的估計(jì)約為300公里。

研究合作者Diego Melgar指出，自2011年日本東北海域9.0級地震以來，科學(xué)界愈發(fā)認(rèn)識到海嘯數(shù)據(jù)在約束淺層滑動分布方面的重要價(jià)值。 不過，由于對海嘯傳播進(jìn)行流體動力學(xué)建模與對固體地球進(jìn)行地震波傳播模擬在技術(shù)上差異巨大，將兩類數(shù)據(jù)系統(tǒng)性整合至同一反演框架仍非業(yè)界常規(guī)做法。 這次SWOT與DART聯(lián)合分析再次表明，充分融合多源觀測數(shù)據(jù)，有助于更準(zhǔn)確刻畫大地震破裂過程和由此觸發(fā)的海嘯特征。

庫頁島—堪察加俯沖帶曾在1952年發(fā)生過一次矩震級9.0的大地震，引發(fā)巨大的太平洋海嘯，并直接推動了后續(xù)面向整個(gè)太平洋區(qū)域的國際預(yù)警體系建設(shè)，這套體系也在2025年事件中再次發(fā)揮了作用。 Ruiz-Angulo表示，如果未來能夠在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中常態(tài)化使用類似SWOT這樣的高分辨率衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，有望顯著提升實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)海嘯預(yù)警的精度與可靠性。 論文作者認(rèn)為，這次“偶然捕捉”的巨大海嘯，為論證衛(wèi)星高度計(jì)在海嘯監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用價(jià)值提供了強(qiáng)有力的實(shí)證依據(jù)。

編譯自/ScitechDaily