地震传感器可以帮助预测飓风的增强情况

斯坦福的研究人员证明，主要用于理解地震的仪器能够捕捉飓风的关键细节，帮助气象学家更好地预测风暴的演变和增强。

一项于8月6日发表在《科学》杂志的新研究展示了如何通过探测地球运动的专用麦克风和地震仪揭示飓风的内部运作。这一发现是在2012年艾萨克飓风袭击路易斯安那海岸后出现的，当时它飞越了地球物理学家为另一个项目安装传感器的区域。

“我们找到了一种新的有效方法，可以从地震和声学传感器收集有关飓风的有价值信息，”首席研究作者庆吉说，他当时是斯坦福大学埃里克·邓纳姆实验室的博士生。“地球物理数据可以更全面地理解大风暴。”

研究指出，地震仪能探测地面运动，能够精确定位飓风登陆的时间。通过“听到”人类听不到的低频声波，次声波麦克风还可以监测大气压力——这是监测飓风状况随时间变化的另一种有用指标。

这些发现不仅限于飓风，还涵盖其他类型的风暴和更广泛的大气科学，提供了一种创新的方式来研究产生强风的天气现象。

邓纳姆说：“你可能不会认为地球物理学和大气科学这两个领域之间有仪器联系，但多亏了这项研究，我们证明了两者可以相互影响，”邓纳姆说，他是该研究的高级作者，也是斯坦福多尔可持续发展学院的地球物理学教授。

飓风的工作原理

作为地球上最大的风暴，飓风通常直径达300–400英里（480–640公里），行进数千英里，并从温暖的海水中汲取能量。一场飓风环绕着一个平静、低压的风眼，该风眼被一带强烈的风雨包围，被称为眼墙。雨带像辐条一样从眼墙向外螺旋延伸，形成雷暴。登陆时，风暴以狂风、降雨和暴风潮猛烈冲击地面。

邓纳姆说：“飓风在地球上制造气压波动，推动地面向下，拉起地面并产生地震信号。”

在飓风靠近地面的部分，风、热和水分混合形成所谓的边界层。测量边界层的湍流对于预测风暴强度和行为至关重要，因为它是决定飓风增强还是减弱的关键因素。

为了获取边界层数据，政府机构会派飞机进入风暴中投放降落伞传感器，并评估海洋浮标、风力测量塔和雷达的读数。然而，这些工具也有局限性。浮标和风力测量塔只能捕捉近海面读数，而雷达只能提供边界层的快照。而且这些飞行可能会让飞行员处于危险之中。

一次偶然的地震研究

作为一个极少发生地震的地区，2012年飓风艾萨克袭击时，路易斯安那州几乎没有安装的地震传感器。但这场一级风暴恰巧经过了安装有地震传感器和次声麦克风的站点，这些站点是为地球内部测绘地球物理项目而设立的。

“我们确实有点幸运，站点靠近飓风路径，”季说。

在对这些站点和艾萨克飓风的先前研究中，Ji和Dunham推翻了普遍假设，即这些仪器会被风暴在数百公里范围内产生的重叠地震波淹没。他们发现，地震仪对周围特定边界层条件的敏感，而非远距离地震波的嘈杂冲击。

邓纳姆说：“我们看到地震仪测量的现象主要受几公里尺度的局部湍流影响。”“这让我们把注意力转向了边界层湍流过程。”

基于这一初步成果，Ji和Dunham与Ipshita Dey（24年地球系统科学博士）合作，后者在斯坦福大学地球系统科学前助理教授Morgan O'Neill的实验室研究边界层。

“青想看看他在地震测量中看到的信号是否可能来自我在飓风内部边界层风中探测的那些小尺度特征，”德伊说。“这次合作让我们的研究更上一层楼。”

研究人员增加了人类无法听到的低频声波读数，称为次声记录。数据提供了边界层湍流压力波动的连续测量。综合数据集清晰显示，飓风艾萨克平静的风眼经过特定站点，之前和之后都伴随着强烈的眼墙。

研究人员随后将该数据集与常规获得的风暴边界层数据进行比较，发现高度一致。

“我们的研究证明了这种方法的有效性，以及它为以不同方式利用这类数据提供了机会，”Ji说。

斯坦福的研究人员计划将研究范围扩展到其他飓风。飓风艾萨克以一级飓风登陆。大约100秒内，飓风将地面移动了几分之一毫米，相当于一个微小的地震，弱到人们感觉不到。更强的风暴，如1992年的五级飓风安德鲁和2018年的迈克尔飓风，应能产生更强信号和更可靠的数据。

“我们可以增加传感器，使这些站点多功能，满足地震监测需求，同时为大气研究提供有用数据，”季说。

这样做可以帮助全球研究人员更好地理解飓风及其他强风暴，可能为基础设施、疏散、公众信息传递、风暴准备及其他保护社区的决策提供参考。

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