崔福庆
韩国海洋科学技术院
bkchoi@kiost.ac.kr
引言
亘古以来，人类对海洋既感到神秘莫测，又感到恐惧。长久以来，我们无从知晓在一望无际的海平面之下，在光线无法穿透的深海黑暗中，正在发生着什么。然而，深邃的海洋中回荡着连绵不绝的声响：穿越数千公里的抹香鲸发出的低沉叫声，汹涌的海浪拍击海底峡谷发出有规律的节奏，雨滴的轻响宛如远方台风的前兆悄然传来，还有地球板块微移时引发的海底地震的细微震动。这些声响绝非单纯的背景音，而是海洋向我们传递的最真挚、最鲜活的讯息，是气候变化的警报、生态系统健康状况的指标、灾害的前兆，更是承载着与国家安全直接相关信息的鲜活记录。
人类早已实现登月，能与地球另一端实时传输高清影像，还构建起连接数十亿台设备的互联网生态系统。而这一切得益于电磁波这一介质的神奇特性。在空气或真空中，电波能够几乎无衰减地直线传播，能以超高速传递海量数据。但一旦进入海洋这一介质，这一全能工具便瞬间失去效用。水分子具有强极性，当电磁波的电场作用于水分子时，分子会剧烈旋转、震动，将能量转化为热量并消散。即便是最强力的雷达或激光雷达信号，在水中也难以传播数十米，光线在约200米深处几乎完全消失。在深海暗层（约1000米以下），视觉探测几乎成为不可能。
也正是在这一背景下，声学科学（Acoustic Science）应运而生。水的密度约为空气的800倍，具有优异的弹性，能以极高的效率传播声波。水中的声速约为空气中的4.3倍（约1500米/秒），且衰减极小，可传播数百至数千公里。在自然界，抹香鲸能通过低频声音与1000多公里外的同伴交流，便是这一原理最鲜活的证明。人类借鉴这一自然原理，研发出“聆听”海洋的全新手段，尤其在2020年代后期，这项技术早已超越军事用途和单纯的水下通信，进化为气候变化的实时诊断工具、灾害早期预警的核心传感器、海洋生态系统的听诊器，乃至全球海洋观测网络的中枢。随着深度学习、光纤技术与人工智能的融合，其精准度得到显著提升，截至2026年，声学科学已不再是单纯的观测技术，而是成为人类生存不可或缺的基础设施。
当下，海洋正在发出气候危机最尖锐的警报，若我们对这一声音置若罔闻，灾难将无可避免。本专栏将围绕我们能从海洋的声音中听到什么、这些声音对我们的未来有着怎样的意义，展开深入的探讨。
1. 海洋中的三维CT：声学层析成像的神奇原理与最新发展动向
让我们想象一下，低频声波在相距数百至数千公里的多个测点间传播，通过其传播时间的细微差异，能以三维形式绘制出整个海洋的温度分布、盐度变化和洋流走向。这就是声学层析成像（Ocean Acoustic Tomography）的本质。如同医用CT利用X射线对人体进行断层扫描，这项技术利用50~500赫兹频段的低频脉冲，对海洋内部结构进行无创重建。
其核心原理在于水下声速极其敏感的可变性。声速c大致可以用以下公式表示：c ≈ 1449 + 4.591T − 0.05304T² + 0.0002374T³ + 1.340（S−35） + 0.0163z + ...
其中，T为温度（℃），S为盐度（psu），z为水深（m）。尤其是，当温度每升高1℃，声速平均增加4.5米/秒，这一特性使其成为能高度灵敏反映海洋温度变化的指标。通过战略性布设多个收发器，并以纳秒为单位测量声波的到达时间，便可反推出对应传播路径上的平均声速。利用声波顺流（与洋流同方向）和逆流（与洋流反方向）的往返时间差Δt ≈ 2v·L/c²（v：洋流速度，L：传播路径长度），便可直接计算出洋流矢量。
[图1] 海洋声学层析成像概念图
CTD（Conductivity-Temperature-Depth）浮标观测仅提供单点数据，而声学层析成像可同时对广阔海域及水体体积进行扫描，大幅提升全球海洋环流模型的精准度。从2025~2026年的研究动向来看，该领域正迎来爆发式发展。
基于深度学习的潜在特征融合框架（Latent Feature Fusion Framework）问世，借助源特征嵌入技术，使水温反演（inversion）的精准度大幅提升（Zhou et al., 2025）。即便在台风天气条件下，镜像层析成像网络也能成功实现对海洋三维扰动的实时提取。更令人关注的发展成果，则是利用地震波（T波）的被动式（passive）层析成像技术。该技术无需发射人工声源，而是以自然地震为声源，进行海洋温度变化监测，能大幅降低成本和对环境的影响。基于圣巴巴拉海峡（Santa Barbara Channel）船舶相对到达时间的不确定性定量研究成果也于2026年公布。
美国国家海洋和大气管理局海洋探索中心（NOAA Ocean Exploration）在2025年项目中，将基于人工智能的自主浮标与定向声学剖面分析相结合，实现了对深海声学环境的实时监测。同时，水下声学传感（hydroacoustic sensing）与高分辨率剖面分析（high-resolution profiling）的融合备受关注，高性价比的多传感器阵列和自动处理技术正逐步取代价格高昂的传统系统。
在韩国海域，这项技术的应用显得尤为迫切。东海（韩国所称的“东海”位于朝鲜半岛东侧，以下同）的深水域（平均水深2000米以上）可利用SOFAR声道（声速最小层）开展远距离观测，黄海的浅滩潮间带地形（平均水深40~50米）则可通过海底固定式浮标，同时监测海岸气象和生态噪音。从南海（韩国所称的“南海”是指朝鲜半岛南部的海域（济州岛附近），以下同）的台风通道特点来看，实时三维热图不再是单纯的科学数据，而是将成为国家灾害应对体系的核心资产。在气候变化导致深海热含量急剧上升的背景下，这项技术有望成为全球海洋变暖最精准的长期追踪工具。
2. 雨滴声传递的天空之泪：听觉气象学创新与实证案例
海上降水量测量数据是气候建模和台风预测的核心变量，这一领域长期以来鲜有研究涉足。卫星仅能提供云层上方的信息，浮标式雨量计则会因海浪和大风的晃动导致测量精度偏低。但海洋能“聆听”降雨。每当雨滴撞击水面，便会产生微小的气泡，气泡震动进而发出声响。这些声响会根据雨滴的大小，留下清晰的频率特征。
微小雨滴（直径≤0.5毫米）会发出10~15千赫兹的高频声波，中等大小雨滴（0.8~2.2毫米）发出2~10千赫兹的中频声波，大型雨滴（>2.2毫米）则会发出1千赫兹以下的强低频声波。水听器（hydrophone）捕捉到1~50千赫兹频段的频谱后，借助机器学习算法，便能以90%以上的可信度推算出降雨强度、累计降雨量和雨滴粒径分布。在2025年的最新研究中，基于1~10千赫兹频段噪音的降雨推算算法在阿拉伯海东南部深海得到实证，与卫星数据相比呈现出高度的相关性。针对热带气旋（tropical cyclone）中雨滴声的探测研究也在积极开展，在未来气候变化导致降雨模式极端化的背景下，这项研究显得尤为重要。2023年的一项研究还提出了通过水下噪音探测热带气旋内部降雨量增加可能性的方法。
将该技术应用于韩国海域时，黄海可通过固定式水听器，同时监测潮间带的生态噪音（贝类活动、螃蟹的声响等），东海则可在50~100米深处安装浮标式水听器，利用海洋中层声道开展远距离观测。当遭遇“轩岚诺”、“黑格比”这类强台风袭击时，该技术能捕捉到卫星和雷达难以获取的实时降雨数据，帮助我们提前把握防灾救灾的黄金窗口期。雨滴的声响，就此成为计量降雨量、拯救生命的重要依据。这项技术将超越单纯的气象观测，成为及早捕捉气候变化引发的极端降雨增多迹象的生存策略。
[图2] 雨滴撞击水面时产生的水下气泡声波波形
3. 海底的巨型神经网络：智能光缆与DAS的最新进化以及全球应用
全球铺设的海底光缆总长超过150万公里，是现代文明的血管与中枢神经系统。如今，这些光缆早已突破单纯的数据传输功能局限，蜕变为“地球的感知器官”。
SMART（Submarine Multi-purpose Acoustic Real-time Telecommunications，海底多用途声学实时通信）光缆在每个中继器中都内置了水温、水压、加速度和地震传感器，可实时传输海底数据。与DAS（Distributed Acoustic Sensing, 分布式声学传感）技术结合后，光纤本身便成为数千公里长的连续微型传感器阵列。当外部震动（地震波、船舶和潜艇的噪音、鲸鱼的叫声、海浪和锚的撞击声）使光纤发生微小形变时，通过分析激光的瑞利背向散射（Rayleigh backscattering）的相位变化，便能精准判断震动的位置、强度和性质。
2025~2026年，DAS技术的应用范围持续拓展。在北海、南中国海、俄勒冈海岸等海域，该技术已成功应用于船舶追踪和地震监测。与船舶自动识别系统数据相比，展现出更优异的性能。可突破中继器限制、实现100公里以上长距离探测的技术备受关注，2025年在普吉特湾为监测虎鲸而开展的试验部署也取得了成功。2025年，在北中国海开展的29公里光缆试验中，通过连续32天的分布式声学传感数据，实现了对海洋声学环境的持续监测。与人工智能结合后，该技术实现了船舶信号的自动识别和位置推算，在探测海底地震时，能比陆基监测系统提前10~60秒捕捉到信号，有效延长海啸预警时间。诺基亚贝尔实验室（Nokia Bell Labs）的研究项目将4400公里的光缆扩展为44000个地震观测站，成功捕捉到8.8级地震和海啸波。
丹麦2026年开展的试点研究，验证了利用分布式声学传感技术监测低频水下噪音的可行性。2025年结束的EU FOCUS项目，提出了将DAS与BOTDR相结合，将海底转化为实时观测站的愿景。在2025年全球海洋观测系统的报告中，海底多用途声学实时通信光缆被正式纳入新兴观测网络，Tamtam（瓦努阿图-新喀里多尼亚）与Atlantic CAM项目正朝着2027年投入服务的目标推进。
韩国是连接韩、中、日三国的核心光缆枢纽，若能推动SMART与DAS的国产化，并依托联合国教科文组织、世界气象组织、国际电信联盟联合任务组等平台深化国际合作，积极参与全球海洋神经网络建设，韩国有望在国家安全、灾害应对和生态保护领域展现全新的领导力。该技术还将在光缆保护（锚泊拖拽探测）、非法捕捞监测、濒危鲸鱼迁徙追踪等多个领域创造价值。
[图3] 韩国海底光缆通信网络连接
[图4] 改良海底光缆连接部的智能光缆设计
4. 气候危机下海洋的警报、我们的责任以及长远未来展望
在海洋中，水面以下100米的水域内光合作用旺盛，这是因为该水域能接收来自海面的阳光照射。但在超过这一深度的水域，光线几乎完全消失，光合作用也难以进行。这意味着深海孕育着与陆地和浅海截然不同的生态系统。韩国的黄海和南海平均水深在100米以内，而东海则有多处水域水深超过2000米。因此，东海的深海暗层一片漆黑，即便发出人工光源，其传播距离也最多不超过100米。但即便在这样漆黑的深海，仍有大量海洋生物生存，那么这些生物是如何感知周边环境并相互交流的呢？
答案在声音。水的弹性极佳，具备将声音传播至远方的特性。研究发现，许多水下生物正是通过发出声音、相互交流，很好地适应了海洋环境。鲸类能下潜至深海，并发出极低频率的声音，这类声音甚至能传播数百公里。由此可见，海洋中的声音对水下生态系统有着深远的影响。近期有研究表明，海洋中的声音与气候变化存在关联，即全球气候变化会增强水下声音的传播能力。分析认为，气候变化导致海洋水温升高，而水温的上升又会加快水下声音的传播速度。也有报告指出，气候变化可能会导致以极地为中心的海底地震活动发生频率增加。陆地上的冰盖融化后，地壳会向上抬升，而这种地壳运动便会引发地震。进而可能引发海底滑坡，甚至海啸。考虑到海啸的巨大破坏范围，韩国也到了必须关注气候变化与地震之间关联的时刻。
此外，通过分析海底地震发生时的水下声音，还能掌握海洋的水温变化。由此可见，水下声音堪称反映全球气候变化态势的镜子。韩国国内研究团队近期对韩国周边海域的水下声音进行了十多年的观测和统计分析，发现水下声音与潮汐、洋流的变化存在紧密关联。也就是说，通过观测水下声音的长期变化，便能预测韩国周边海域的潮汐和洋流变化。近年来，关于全球气候对生态系统影响的研究领域，正步入“气候适应时代”。越来越多的学者认为，人类难以通过科学活动和努力彻底改变气候变化的发展态势，如今相关研究已进入探索气候变化适应方法的时代。而关于水下声音的研究，有望提供这个时代所需的解决方案。
气候变化会引发一系列连锁反应：水温上升→声速加快→声波折射路径改变→通信和探测性能下降。冰川融化导致冰川均衡调整状态被打破，海底地震和滑坡的发生频率增加，而所有这些信号，都会比陆基监测更早、更清晰地体现在水下声音中。
为此，本文提出三大核心政策方向。
第一，将海洋声学层析成像技术推广至朝鲜半岛全海域，构建实时三维热图，并引入人工智能反演算法，最大限度提升监测精准度。
第二，推动海底多用途声学实时通信光缆和分布式声学传感技术的国产化，加强国际合作，在全球海洋观测网络建设中发挥主导作用。以纳入全球海洋观测系统为基础，引领亚太地区相关项目。
第三，搭建人工智能声学数据处理平台，对声学浮标和DAS所产生的声学大数据进行处理，推动其在科研、政策及民间领域的应用。重点放在声源识别与分类系统的升级以及数据的开放式共享。
海洋不再沉寂。若我们对其发出的警报置若罔闻，这些低吟与轰鸣声音终将化为灾难。但如果我们以声学科学这一精密的听诊器去聆听海洋的声音，便能与海洋对话，擘画可持续发展的未来。海洋科学家应成为在数据的浪潮中解读声音真相的守望者，以及开启未来的翻译官。站在2026年的时间节点上，海洋发出的讯息已然清晰：此刻若不聆听，转瞬便是错失；但若能立即侧耳倾听，我们便依然握有通向希望的时间。
结语
过去，海洋对人类而言是一片无法解读的静谧之地。而声学科学打破了这份隔阂，为人类开启了与海洋沟通的全新听觉之门。如今，利用海洋声学层析成像诊断海洋的“血脉”与热量、通过雨滴声计量降雨量、借助海底光缆感知地球的脉搏，这些已不再是选择，而是关乎人类生存的必备科学手段。
海洋正向人类发出气候危机中最强烈、最尖锐的警报。唯有以声学科学这一精密的‘听诊器’聆听海洋的警报，我们才能真正守护海洋的可持续发展，保障人类的安全。海洋科学家应成为在数据的浪潮中解读声音真相的守望者，以及开启未来的翻译官。