《Geophysical Journal International》：High-Resolution Spatiotemporal Monitoring of Secondary Microseisms via Multi-Array Analysis
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本研究针对如何精确监测次级微震（Secondary Microseisms）时空演化这一地球物理难题，通过创新性地联合使用三种不同仪器响应的密集地震台阵（ANTICS、Hi-net和SCSN），建立了基于环境噪声互相关波束成形（CC beamforming）的工作流程。研究成功追踪了2022年秋季至2023年春季北半球次级微震源的空间分布和强度变化，发现其主要由北大西洋和北太平洋的冬季风暴驱动。特别值得关注的是，研究证实了低成本节点地震台阵在次级微震详细监测中的可行性，并展示了多台阵地震数据与海洋学模型结合的巨大潜力，为深入理解地震噪声产生和传播机制提供了新途径。
在地球科学领域，地震背景噪声一直被视为一种干扰信号，直到近几十年科学家们才发现其中蕴藏的宝贵信息。这种无处不在的噪声，特别是被称为"微震"的海洋源信号，已经成为研究地球内部结构和海洋动力学的重要工具。微震主要分为两类：周期10-30秒的初级微震和周期3-10秒的次级微震。后者由于能量更强、分布更广，尤其受到研究者关注。
次级微震的产生机制颇为神奇——当两列方向相反、周期相近的海洋波浪在海面相遇时，会发生非线性相互作用，产生频率为原波浪频率两倍的压力波动。这种波动可以传播到海底，进而转化为地震波传播到全球。然而，精确追踪这些微震源的时空变化一直是个技术难题。传统方法如原始数据波束成形（RA beamforming）容易受到地震事件和局部噪声的干扰，而单台阵观测又存在空间分辨率不足的问题。
为了突破这些限制，由Yajian Gao领衔的国际研究团队在《Geophysical Journal International》上发表了一项创新性研究。他们巧妙地将三种不同类型的地震台阵数据结合起来，包括阿尔巴尼亚的ANTICS节点台阵（包含332个4.5Hz自然频率的地震检波器和50个宽频带台站）、日本Hi-net短周期台阵以及南加州地震台网（SCSN）的宽频带台站。这种多台阵联合分析的策略，使得研究人员能够以前所未有的精度监测北半球次级微震的时空变化。
研究方法的核心是环境噪声互相关波束成形（CC beamforming）技术。与传统的RA beamforming相比，CC beamforming通过先计算台站对之间的互相关函数，有效抑制了非相干瞬态信号的干扰。研究团队还引入了滑动窗口RA beamforming用于ANTICS宽频带数据的连续处理，以记录次级微震的绝对振幅。整个工作流程包括连续数据预处理、环境噪声互相关计算、波束成形以及波束功率反投影到全球地图。
数据处理方面，研究团队针对不同仪器类型采取了差异化策略。对于宽频带台站（SCSN和ANTICS的宽频带子集），他们移除了仪器响应以获得可靠的地面速度数据；而对于Hi-net短周期传感器和ANTICS节点地震检波器，由于在0.1-0.2Hz频段去卷积会放大仪器噪声，因此保持原始计数单位。这种精细化的处理确保了不同数据集之间的可比性。
关键技术方法包括：1）基于三种不同仪器类型地震台阵的环境噪声互相关波束成形技术；2）多台阵联合分析提高源定位分辨率；3）利用WAVEWATCH III（WW3）海洋模型和WMSAN（Wave Model Sources of Ambient Noise）包计算海底等效力；4）通过互相关波束成形和原始数据波束成形分别提取相对和绝对波束功率振幅；5）采用台站响应函数定量评估不同台阵的分辨能力。所有分析均针对2022年秋季至2023年春季的连续波形数据，重点关注5-10秒周期的次级微震信号。
空间分辨率比较与互补优势
研究定量评估了三种台阵的阵列响应函数（ARF）。ANTICS节点台阵由于孔径较小，在5秒和8秒周期的-3dB方位角波束宽度分别为36°和20°，而SCSN和Hi-net台阵由于孔径较大，分别达到22°和18°的更优分辨率。尽管ANTICS的方位分辨率相对较低，但其密集的台站间距（3km）提供了卓越的空间相干性，对短波长、低振幅微震特别敏感。这种互补性使得多台阵联合分析能够显著提高北半球风暴监测的空间分辨率。
次级微震源的空间分布特征
通过对2022年11月18日数据的详细分析，研究发现三种台阵的互相关结果呈现出明显的空间分布pattern。ANTICS台阵的波束功率在方位角315°、慢度0.083s/km（8.9s/°）处显示最强信号，表明主要平面波来自西北方向的大西洋。Hi-net台阵的主要信号来自东北方向，而SCSN台阵则显示出西北方向的优势信号和较弱的东北方向信号。通过反投影技术，研究成功将这些波束功率信号定位到具体的地理区域。
多台阵联合反投影结果显示，次级微震源主要分布在北大西洋和北太平洋地区，与WW3模型预测的显著波高和表面谱密度分布高度一致。更重要的是，研究计算的海底等效力（考虑源区效应和地形影响）比传统的波高或表面谱密度更能准确反映观测到的微震源分布。
时间演化与风暴对应关系
研究还以3小时间隔追踪了次级微震源的时空演化。以2022年11月18-20日为例，北大西洋的微震源显示出明显的西向扩展特征，从英国和爱尔兰西海岸逐步扩展到加拿大东海岸。这种演化pattern与WW3模型预测的风暴发展高度吻合，但存在约3小时的延迟，反映了从风暴发展到微震产生的物理过程时间尺度。
波束功率与海洋参数的相关性分析
为了定量评估不同方法的性能，研究从ANTICS数据中提取了北大西洋方向的相对（CC beamforming）和绝对（RA beamforming）波束功率时间序列，并与WW3模型的最大波高和WMSAN计算的海底等效力进行了对比分析。
结果显示，CC beamforming提取的相对波束功率与模型等效力的相关系数（CCC）达到0.77，显著高于RA beamforming的0.61。特别是在冬季北大西洋相对平静的时期（12月末至1月初、1月末至2月初），CC beamforming能更准确地反映这些变化，表明其能更好地抑制非相干的局部或区域噪声。
地中海局部噪声的影响
研究发现RA beamforming性能相对较低的原因可能与地中海局部噪声源有关。沿海台站的功率谱密度（PSD）水平比内陆台站高出15dB（在0.2-1Hz频段甚至达到30dB），而WMSAN模型也预测了地中海和爱奥尼亚海较强的等效力，表明局部地形、浅水共振和风浪活动增加了该频段和慢度范围内的非相干能量。
本研究通过多台阵联合分析，建立了基于环境噪声互相关波束成形的高分辨率次级微震监测工作流程。研究证实，北半球次级微震主要由北大西洋和北太平洋的冬季风暴驱动，其时空演化可以通过三种不同类型的地震台阵以3小时间隔精确追踪。
重要的是，研究发现CC beamforming在追踪远场体波微震能量方面优于传统的RA beamforming，特别是在抑制局部噪声干扰方面表现突出。多台阵联合分析显著提高了源定位的空间分辨率，减少了单台阵观测中的模糊效应。
研究还验证了WMSAN框架在模拟海底等效力方面的物理合理性，建立了从海洋波浪模型到地震观测的定量联系。这不仅深化了我们对次级微震产生机制的理解，也为利用地震台阵作为成本效益高的海洋监测工具提供了理论依据。
这项研究的创新之处在于首次系统性地联合使用节点地震检波器、短周期和宽频带地震台阵进行次级微震监测，证明了低成本节点台阵在这一领域的应用潜力。未来，随着全球地震台网的不断扩展和海洋模型的进一步完善，这种多台阵分析方法有望在全球尺度上实现对海洋风暴的更精确监测，为气候研究和灾害预警提供新的技术手段。
