利用微地震监测地中海地区的极端气象-海洋事件(Medicane Apollo案例研究)

在2021年10月25日至11月5日期间，西西里岛东部，特别是卡塔尼亚、墨西拿和锡拉库萨之间的地区，受到一个低压系统的影响，该低压系统于10月28日获得了称为阿波罗的Medicane(地中海飓风)或热带气旋(TLC)的特征。

当温带低气压与极地急流分离时，有利于药物成因。这种“切断”的特征在地中海上空变得近乎静止，并可以利用大部分来自海洋的热量和湿度来产生有组织的对流¹．无论是在卫星图像上观察，还是考虑到它们的动力学和热力学特征，Medicanes都具有与热带气旋相似的特征。它们的特点是存在一个“眼”，一个靠近地表的最大暖核异常，一个围绕最小压力的强烈旋转，一个带有对流单元的眼壁，雨带从这里延伸，导致海平面上升、风暴潮和海浪可以达到约5米的显著高度²．然而，与热带气旋不同的是，由于地中海的范围有限，它们的主要能量来源，Medicanes的寿命被限制在几天之内。它们也只在很短的一段时间内达到完全的热带特征，而温带特征在它们一生的大部分时间里占主导地位^3.，4．水平范围一般限制在几百公里以内，强度很少超过萨菲尔-辛普森飓风等级的1级²．我们平均每年只观测到1-2次气旋，这些气旋通常在9月至1月形成。在这段时间内，地中海达到最高温度(9月)，并观测到第一个寒冷的高空槽。另一个重要参数是海洋-空气温度梯度^5，6．特别是，当极地急流将冷空气团带到相对温暖的地中海上空时，就会引发强烈的对流不稳定^5，6．

在阿波罗之前，其他Medicanes影响了爱奥尼亚海，如:2017年11月的努马⁷2018年9月下旬，Zorbas^8，9，10以及2020年9月中旬的伊亚诺斯^11，12．

“阿波罗号”于2021年10月25日在利比亚海岸附近形成一个低气压涡旋。在向北移动的过程中，由于地中海的高温，涡旋变得更加强烈，并于10月28日呈现出Medicane的特征。阿波罗药物的影响在卡塔尼亚附近尤为明显，西西里气象局(“西西里地区- SIAS - servizio农业气象”)记录的降雨平均约为200毫米/48小时，在Linguaglossa附近的峰值为448毫米/48小时，SIAS于10月29日在锡拉库萨地区测量到200毫米的降雨。当日测得最高阵风(每小时104公里)，最低气压估计为999百帕¹．根据位于克罗托内的ISPRA浮标记录，海浪活动也显示出明显的增强，波高超过3米。1一个)。

在Medicane过渡之后，西西里地区政府宣布受阿波罗计划影响最大的32个市镇(卡塔尼亚、墨西拿、锡拉库萨和拉古萨省)进入紧急状态。阿波罗造成的损失被量化为200万欧元用于紧急干预，约5000万欧元用于农业、生产活动和基础设施。至于后者，在卡塔尼亚-西拉库萨公路沿线，由于西梅托河的泛滥，以及在港口，由于猛烈的波浪运动，都受到了损害¹³．

药物对海洋状态的影响，特别是剧烈波浪运动的发展，导致能量从海浪转移到固体地球。这种能量传递产生了所谓的微地震，这是地球上最连续、最普遍的地震信号，由大气、水圈和固体地球之间的相互作用引起^14，15．根据震源机制和谱含量，可将该信号分为原生微震(PM)、次生微震(SM)和短周期次生微震(SPSM)。¹⁶．PM表现出与海浪相同的光谱含量，周期在13 ~ 20 s之间，这与海浪冲击海岸线的能量转移有关，表现出低振幅^15，17．SM是由同频相反方向的海浪产生的，其频率约为海浪频率的两倍(对应的周期为5 ~ 10 s)，振幅高于PM^{14，17，18，19}．SPSM周期小于5 s，是由海岸线附近局部波浪运动相互作用产生的^20.．

几项研究表明微地震和海况之间存在相关性^{21，22，23，24}更具体地说，是微地震和气旋活动之间的联系^{20.，25，26，27，28，29，30.，31}．Bromirski²⁵Bromirski等人。^20.强调了SM、SPSM与气旋活动之间的联系。其他作者考虑了SM、SPSM和飓风之间的关系²⁶、台风²⁸还有热带气旋³¹．特别是Gerstoft等人。²⁶利用大规模阵列记录的微地震来追踪卡特里娜飓风的位置。最近，Retailleau和Gualtieri²⁹利用微地震追踪了2006年台风Ioke的路径，Gualtieri等人。²⁷显示了它的光谱振幅如何与热带气旋强度有很强的关系。

此外，也可以分析过去没有直接气象资料的极端气象事件。事实上，Lecocq等人。³²数字化的旧地震图已经证明了它们在提供与海洋风暴相关的微地震信号的有用信息方面的潜力。

尽管对微地震及其与气旋活动的关系进行了广泛的研究，但SM、SPSM和Medicanes之间的关系从未被具体研究过，此类地中海极端气象事件的微地震特征也从未被探索过。因此，我们采用阵列分析和基于振幅的网格搜索两种不同的方法，对Medicane Apollo(2021年10月25日至11月5日)期间记录的微地震进行研究，以跟踪Apollo在其生命周期内的地震位置。

本研究考虑的时间段是2021年10月20日至11月5日。选择这一时期是为了包括Medicane的发展，它在风速、降水强度和海浪高度方面的高潮发生在2021年10月28日至29日，以及随后强度的减弱。

我们考虑了从分析中得到的微震振幅谱图、均方根振幅时间序列和时空分布。

通过分析希腊沿海地区安装的4个台站记录的地震信号的垂直分量，获得了频谱图和RMS振幅时间序列。2a,c)，在意大利中部(图。2b)和西西里岛东部(图。2d).这些谱图强调了大部分能量集中在0.1-1 Hz波段，这部分对应于微震。此外，值得注意的是，EPOZ、PFKS和FSK(三个安装在爱奥尼亚海域附近的站点)显示了阿波罗医学期间的最大能量(图中虚线突出显示)。2)，而安装在第勒尼安海岸线附近的CPOZ在不同的时间间隔内表现出不同的最大振幅。

在RMS振幅时间序列中，我们观察到每个台站和微震带的不同特征。在SM中RMS振幅最高(图2)。2)和SPSM(补充图。1)带，PM中的最低值(补充图。2)带，表明微地震与气旋活动之间的相关性在SM和SPSM带中很明显，而在PM带中不存在，这在文献中已经讨论过^{20.，25，26，27，28，29，30.，31}．与我们在频谱图中看到的类似，如果我们单独考虑每个站点，我们可以观察到，最靠近气旋眼的EPOZ站点显示了最高的RMS振幅值(图2)。2d)，而PFKS和FSK站距离EPOZ较远，但安装在Ionian地区，RMS振幅值较低，模式相似(图2)。2a,c)，而CPOZ在用药期间呈现不同的趋势，均为最小值(图。2b)。

为了绘制微震振幅的时空分布，我们绘制了三个不同频段(PM和SPSM在补充图中)在2天移动窗口上计算的平均均方根振幅。3.，4， SM图3.)．同样在这些图中，我们可以注意到在PM(补充图。3.)波段的RMS振幅时空分布与Apollo无关，而在SM(图;3.)和SPSM(补充图。4)波段，我们观察到RMS振幅与阿波罗位置之间的时空关系。详细地说，在10月26日至29日的地图(代表阿波罗达到最大强度的日期)中，我们可以看到在爱奥尼亚地区(西西里岛东部、西西里岛海峡和希腊西部)安装的台站的RMS振幅的高值集群，突出显示了与气旋位置的良好匹配。

将我们的光谱分析结果与其他有关飓风、台风和热带气旋的研究结果进行比较，可以观察到一些相似的特征和其他不同的特征。在Lin等人所示的光谱图中。²⁸，可以观察到与我们的谱图相似的趋势。特别是，在他们的研究中，有可能观察到随着台风鲇鱼的发展，SM和SPSM波段的功率谱密度迅速增加，这与我们在分析中得到的结果相似(图1)。2)．关注微震信号的强度，我们可以观察到Lin等在所有三个微震带的强度都有所增加。²⁸而在阿波罗药物的情况下，强度的增加只发生在SM和SPSM波段。这种差异可能是由于阿波罗和鲇鱼的大小不同，热带气旋(台风是在北太平洋和日本发展的一种热带气旋)的直径通常在500至1000公里左右³³而Medicane的平均直径约为100-300公里³⁴．此外，台风鲇鱼已经登陆，在浅海海域，由于波浪运动与海底相互作用，产生了PM，而阿波罗始终远离海岸，在水深大于2000m的区域。正如文献中所描述的^20.，较大的水深会抑制PM的产生，这是产生信号的压力波动振幅衰减的结果，是深度的函数。具体来说，PM的产生只发生在深度小于½λ(其中λ是产生压力波动的海浪波长)的地方。Zhang等人也得到了类似的结果。³¹．在这种情况下，谱图还显示，随着台风的发展，SM和SPSM波段的微震振幅同时迅速增加。

为了追踪阿波罗号的移动，我们使用了两种不同的互补方法:(i)基于地震振幅衰减的网格搜索方法和(ii)阵列分析。这些方法在“数据与方法”一节。

通过网格搜索方法，我们得到了源区域的定位，与观测到的显著波高大于3.5 m的区域一致(图2)。4，5c).特别地，我们可以考虑两个不同的时间间隔:(i) 2021年10月29日至30日(图2)。4f,6a)和ii) 2021年11月2-3日(图;4g-h,6b).我们只考虑这两个特定的时间间隔，因为只有在这两个时间段内R的显著值²(右²> 0.5)达到。在前一阶段，我们得到了与爱奥尼亚海的墨迪坎位置相一致的来源位置，这是阿波罗达到他的高潮的时期;此外，通过每四小时进行一次定位，我们能够跟踪阿波罗的运动。特别是，我们在10月29日04:00获得了第一个重要位置。从这段时间开始，我们可以跟随阿波罗的北移，直到10月29日20:00。6a)而在10月30日的一整天里，我们能够跟随Medicane的南向运动(补充图。5)．用该方法得到的结果与药物的实际位移相一致。的确，阿波罗号于10月25日在利比亚海岸附近发展起来，向北移动到10月29日，并相继向东南移动，失去动力。在后一种情况下，在2021年11月2日至3日期间，我们重点关注了为期两天的间隔(11月2日至3日)，其特征是在伊奥利安群岛附近的第勒尼安地区持续刮风，并因此产生剧烈的海浪运动(图2)。4g-h和6b).在这种情况下，我们还能够确定微震震源区域的位置，根据上述天气数据，微震震源区域位于风成区，位置保持稳定。在表1，总结了定位于这两个特定时间段的微震源的主要特征。如果我们考虑R²值(补充图。6)，我们可以观察到，在2021年10月28日至30日的时间段内，我们得到了整个时间段的最大值，这表明与阿波罗有关的微震源相对于其他震源具有明显的优势。特别是最大R²值为0.65，是根据2021年10月29日上午12:00的定位得到的，与阿波罗达到最大强度的时间一致。这种定位的线性回归显示在补充图中。7．

尽管阿波罗在11月2日至3日仍然存在，但我们可以优化地将这场风暴定位在第勒尼安地区，因为这场风暴在11月初表现出比阿波罗更大的强度，因此，它成为了与Medicane相比的主要来源。

对于这两个特定的时间间隔，我们还估计了指数的平均值b(由几何扩散得到，微震振幅被认为与r^−b,在那里r源站距离和指数b在体波或面波的情况下分别等于1或0.5)，我们得到了一个接近1的值。这一结果与表面波在微地震波场中的优势形成了明显的对比^16，35，36．不排除体波在微地震波场中的贡献，也可以解释为，安装在阿波罗号附近的台站和安装在阿波罗号附近的台站之间的振幅差“过大”，导致对数图中直线拟合地震振幅与震源-台站距离的倾斜度更大。事实上，安装在靠近阿波罗号的陆地地区的监测站很可能会受到当地震源(如风或雨)的影响。这些局部震源增加了这些台站记录的振幅，导致对地震振幅的高估。

值得注意的是，在10月28日至30日期间获得的微震源位置与气旋眼并不完全匹配，而是位于稍南的位置。这可能是由于SM的产生取决于两个特征相似但方向相反的不同波列之间的相互作用^{14，17，18，19}．两个相反方向的波列共存不太可能发生在气旋眼内，而可能发生在气旋的最外围区域。特别是，在这些地区，可能存在由气旋产生的波列，它们与“外部”波列或先前由气旋产生的其他波相互作用²⁹．

在阵元分析方面，埃特纳地震永久台网是确定SM带微震源位置的可靠阵元(图2)。7b).事实上，在观测到最大阿波罗强度的日子里，后方位角值指向旋风的位置，其表观速度值为~ 1.0-3.0 km/s(图2)。8a、b)。当阿波罗的活动涉及爱奥尼亚海岸线(图。4a-f)，后方位角值表示卡塔尼亚湾，指向东南(图。8c).或者，当第勒尼安海观测到最高的显著波高时(图。4g,h)，后方位角值旋转指向西北(图。8e)。

阵列分析结果与一些研究结果一致，表明微地震的后方位角和视速度与海浪高度有良好的相关性³⁷或飓风/台风²⁶．特别是后方位角的时间序列突出了SM源与阿波罗位置之间的良好匹配(图2)。8A,c,e)，正如其他关于微震源和气旋活动之间关系的研究所报道的那样^{20.，28，29，31}．这些结果也与Moschella等人的结果一致。²⁴他探索了西西里岛东部海岸线上记录的微地震。虽然他们关注的是不同的频段(SPSM)，但他们通过阵列分析显示了SPSM源是如何位于卡塔尼亚湾和西西里岛北部海岸线的浅水区的，当时分别在爱奥尼亚海和第勒尼安海观察到最高的显著波高。对于SM带估计的地震视速度(图;8b,d,f)， ~ 1.0 ~ 3.0 km/s的值与Moschella等计算的Rayleigh波速一致。²⁴，以及通过调查荷兰东北部海岸线的环境地震噪声检索到的波速值³⁸在新西兰³⁹在墨西哥山谷⁴⁰．

两种应用的定位方法(网格搜索法和阵列分析)可以被认为是互补的，使我们能够独立地比较得到的结果。

一些研究探讨了微震与气旋活动之间的关系，重点是次级微震(SM)、短周期次级微震(SPSM)带与飓风、热带气旋和台风之间的联系。在这项工作中，我们分析了微地震，特别是SM带的微地震与地中海飓风(或称Medicanes)之间的关系，这是以前从未分析过的。为此，我们考虑了2021年10月25日至11月5日发生在爱奥尼亚海的Medicane Apollo，并选择了93个地震台站(78个用于光谱和振幅分析以及网格搜索方法，15个用于阵列分析)来重建这些极端地中海天气事件的微地震特征，并在其生命周期内对Apollo的位置进行地震跟踪。

从我们的频谱分析可以清楚地看出，在SM和SPSM波段(分别为0.1-0.2和0.2-0.4 Hz)，地震信号受到阿波罗的影响，而PM (0.05-0.07 Hz)波段则没有明显变化。阿波罗号和PM带之间没有关系可能是由于阿波罗号体积小，以及阿波罗号总是远离海岸线，在深度(约2000米)大于½λ(其中λ是产生压力波动的海浪波长)的区域。事实上，正如文献中已经描述的那样，由于压力波动的振幅衰减，深度高会抑制PM的产生。

从谱图、RMS振幅时间序列和时空分布来看，我们观测到2021年10月25日至11月5日期间微震信号强度较大。此外，表现出最高微震振幅的台站位于爱奥尼亚海岸线附近(如EPOZ, FSK和PFKS)，而安装在第勒尼安地区的台站则表现出不同的趋势，可能是由其他震源引起的。

我们可以通过两种不同的方法来识别和跟踪药材的位置:一是基于地震振幅衰减的网格搜索法，二是阵列分析。事实上，定位结果与Medicane的真实位置一致，并使我们能够跟踪阿波罗号达到高潮时(2021年10月28日至30日)的运动。

这项工作代表了通过微地震研究和监测这些极端地中海天气事件的第一种方法。它还展示了地震数据如何在集成不同类型仪器(如波计浮标、雷达高频、地球同步卫星和地震仪)的创新海况监测系统的开发中发挥重要作用。特别是，后者可以弥补波长计浮标数据的缺乏，这些浮标往往受到仪器损坏的影响。

最后，由于地震仪是首批安装的地球物理仪器之一，微地震可以让我们分析过去的极端天气事件，以比较这些气象现象在气候变化情景下的强度。

地震数据

我们选取了78个地震台站(图;1a)沿意大利沿海地区(从意大利中部向南)、沿希腊沿海地区和西西里海峡(利诺萨、潘泰莱里亚和马耳他)安装(补充表)1)．此外，为了进行阵列分析，在Etnean地区安装了15个观测站(图。1(补充表2)。所选地震台站具有特定的特点:(i)安装在沿海地区，(ii)配备3分量宽频地震传感器。

海况数据

为了获得有关海况的信息，使用了哥白尼海洋环境监测服务局生产的“MEDSEA_HINDCAST_WAV_006_012”产品，以及四个海洋浮标测量的有效波高(图2)。1一个)。

前者包含地中海海浪预报系统的后程图，基于第三代波浪模型WAM Cycle 4.5.4⁴¹．特别地，每小时的显著波高数据被用来重建阿波罗药物期间的海浪状态(图。2)．

至于后者，图。1报告四个定向波浮标的位置。希腊海岸线上有两个定向波浮标(WMO代码68422和61277)，其中一个浮标是Crotone⁴²它位于意大利南部，最后一个(马耳他)位于戈佐岛北部。

在分析周期内，显著波高数据如图所示。5．数字5a表示68422浮标的显著波高，表明Medicane在该点未观测到，61277浮标也未观测到显著波高(图422)。5b)，尽管它的时间模式与Crotone浮标的时间模式相似，其中Medicane通道导致的显著波高增加是清晰可见的(图。5c).特别是Crotone浮标，2021年10月29日18时30分显著波高达到3 m，平均方向为东南，峰值周期为8.83 s，平均周期为7.72 s，气压值为1016.2 hPa。此外，马耳他浮标显示出与考虑的时间间隔相对应的显著波高的增加。5d).特别是在马耳他浮标上，2021年10月28日09:00显著波高达到2.50 m，平均方向为东南，峰值周期为7 s，平均周期为5.85 s。

光谱分析

对地震资料进行了仪器响应校正，并先后进行了频谱和振幅分析。前者采用韦尔奇法计算地震信号的小时谱⁴³Windows为81.92秒。收集所有每小时的光谱，并将其可视化为频谱图，x轴为时间，y轴为频率，log为对数₁₀的功率谱密度(PSD)。图中所示为四个站的垂直分量谱图。2作为例子。关于振幅，我们计算了以下频段的每小时RMS(均方根)振幅时间序列:0.2-0.4 Hz (SPSM，补充图。1)， 0.1-0.2 Hz (SM，图;2)和0.05-0.07 Hz (PM，补充图;2)．

为了显示研究期间RMS振幅的时空分布，我们绘制了三个不同频段在2天移动窗口上计算的平均RMS振幅(图1)。3.和补充图。3.，4)．每个点代表一个地震站，点的颜色与该位置对应的均方根振幅相关，如颜色条中所示。值得注意的是，每个颜色条显示了不同的RMS振幅范围，突出了三个考虑的微地震频带(PM、SM和SPSM)对气旋活动的不同响应。3.和补充图。3.，4)．

跟踪阿波罗位置

由于微地震信号是连续的，因此不可能应用基于第一阶段到达的常规技术来定位地震事件的震源。为此，我们采用了两种不同的方法:(i)基于地震振幅衰减的网格搜索方法，以及(ii)阵列分析。

网格搜索法

我们使用了上述78个台站记录的地震信号(图2)。1a)通过使用网格搜索方法跟踪阿波罗号在其生命周期内的位置(图。6)．这种基于地震振幅衰减的方法已经被用于追踪埃特纳火山地震的来源^44，45．在这种方法中，我们假设地震波在均匀介质中传播(有关该方法的进一步细节，请参阅Cannata等人。⁴⁶)．此外，由于几何传播，微震振幅被认为与r^−b,在那里r源站距离和指数b在体波或面波的情况下，应分别等于1或0.5。后一个参数在定位过程中不受约束。为了考虑本征衰减，在0-0.25 × 10范围内考虑频率相关的吸收系数α³公里⁻¹⁴⁷．由于微震源位于固体地球表面，因此搜索是在与地球表面大致重合的平面二维网格上进行的。这与在火山上进行的搜索不同，在火山上进行3D网格搜索也可以定位深震源。我们进行网格搜索的区域面积为1716 km × 1366 km(最大经度29°;最小经度:9°;最大纬度:42.48°;最小纬度:30.18°)，间距为0.05°。正如Cannata等人所示。⁴⁶以及其他作者使用类似的基于网格搜索的方法(例如Battaglia et Aki⁴⁸在Piton de la Fournaise火山或Kumagai等人使用这种方法来定位喷发震颤源。⁴⁹将该方法应用于通古拉瓦火山爆发时的上升震源定位，网格间距的选择在良好的空间分辨率和合理的计算时间之间折衷。根据线性回归拟合的优度(以下简称R²)为上述二维(2D)网格的每个节点获取。其中，源位于所有R²值与最大R的差异不超过1%²价值。为了评估定位结果的可靠性，我们采用了一种方法来评估检索到的最大R的统计显著性²价值。特别地，我们通过在站点之间随机变换RMS振幅值进行了2142次运行。然后，我们计算了R的2142个值中的第99个百分位数²得到0.49。因此，我们只考虑具有R的源位置是可靠的²值大于0.49(补充图;8)．

所考虑的方法显示了在特定情况下可以显著影响源位置的各种限制。特别地，第一个极限涉及在同一频率范围内表现出相似强度的多个源的存在。在这种情况下，受约束的震源位置会移向位于真实震源位置之间的位置⁴⁸还有R²大大减少。在我们的例子中，我们忽略了显示R的局部化²值小于0.49，以避免这样的问题。另一个需要考虑的限制是，在这种方法中，我们将微震震源视为点状震源，而在本案例研究中考虑的微震是在地中海的广阔区域内整合的。在这种情况下，点状源被定位为扩展源的重心点。

阵列分析

为了追踪阿波罗医药的位置，属于埃特纳山地震永久台网的15个台站被用作一个大致圆形的阵列(图2)。1b).通过阵列分析测量到达微震信号的视速度和背方位角⁵⁰．大多数阵列技术基于感兴趣信号的传感器源距离和波长之间的关系，假设波前在阵列上的平面传播⁵¹．阵列分析的分辨率取决于阵列的几何形状/大小和地震信号的波长⁵¹．关于阵列配置，必须满足三个条件:(i)阵列的孔径应大于我们要分析的信号波长的四分之一⁵²；(ii)为避免空间混叠，信号的波长至少应与阵列间距相当⁵³；(iii)阵列接收器与信号源之间的距离必须大于一个波长⁵¹．

阵列响应函数(ARF)是一个很好的工具来规划阵列几何需要调查微地震信号。利用波束模式函数计算了PM、SM和SPSM频段的ARFs⁵⁴垂直入射平面波(图;7)．这样的arf表明，大致圆形阵列只有在SM情况下有良好的响应(图。7b).事实上，考虑地壳最初km处s波的速度(Vs)等于~ 2 km/s⁵⁵， SM的波长(10 ~ 20 km)与阵列的孔径(~ 16 km)和间距(~ 6 km)具有可比性，符合前文(i)和(ii)条件。此外，假设微震源位于距离阵列中心约20公里和45公里的最小距离(分别距离爱奥尼亚海和第勒尼安海)，埃特纳圆形阵列应该能够在平面波前假设下定位微震源(条件(iii))。

在这项工作中，我们使用f-k(频率波数)分析微地震信号⁵⁰．该方法由谱域波束形成方法组成，在慢度网格搜索中寻求使所有阵列迹线之和的振幅最大化的后方位角和表观速度值。f-k分析的结果是功率谱密度作为慢度的函数。为了将阵列分析应用于微地震，对地震信号进行了以下处理步骤:(1)降噪去趋势;(ii)微震特定频带内滤波;(iii) 60秒长的锥形窗的分段;(iv)排除STA/LTA技术探测到的地震-火山振幅瞬变(即火山-构造地震、长周期事件、甚长周期事件)窗口⁵⁶；(v)对每个窗口进行f-k分析，使用慢度网格搜索(在慢度向量的东部和北部分量从−1到1 s/km)，间隔为0.05 s/km。结果示例如图所示。8．