用福建連續(xù)重力資料研究臺風(fēng)“麥德姆”活動特征①

鐘繼茂， 關(guān)玉梅， 楊錦玲

(福建省地震局，福建 福州 350003)

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監(jiān)測研究

用福建連續(xù)重力資料研究臺風(fēng)“麥德姆”活動特征①

鐘繼茂， 關(guān)玉梅， 楊錦玲

(福建省地震局，福建 福州 350003)

摘要：福建省地處我國東南沿海，每年5—10月都會受到臺風(fēng)的侵襲，目前建有廈門、漳州、福州三個連續(xù)重力觀測臺站。以2014年第10號強臺風(fēng)“麥德姆”為例，利用重力觀測資料研究：(1)臺風(fēng)引起的地脈動信號的強度和卓越頻率的變化規(guī)律；(2)臺風(fēng)卓越周期與臺風(fēng)強度和移動速度的關(guān)系；(3)連續(xù)重力資料非潮汐信息提取。結(jié)果表明：(1)臺風(fēng)靠近臺站時地脈動信號增強，登陸后迅速減弱，福州臺記錄的信號卓越頻率要比其他臺站高；(2)臺風(fēng)卓越周期與臺風(fēng)強度和臺風(fēng)移動速度的關(guān)系比較復(fù)雜；(3)用現(xiàn)代濾波器能有效濾除長期存在的干擾信號。

關(guān)鍵詞：福建； 重力觀測； 頻譜分析； 地脈動； 卓越頻率； 濾波器； 臺風(fēng)

0引言

福建省地處我國東南沿海，每年5—10月都有數(shù)量不等的臺風(fēng)登陸或從鄰近的臺灣海峽經(jīng)過。為了研究臺風(fēng)這一自然災(zāi)害的發(fā)生機理及其影響，進而對其進行監(jiān)測預(yù)報，金星等[1]利用寬頻帶速度記錄的頻域特征研究了臺風(fēng)生成、發(fā)展、消亡整個過程的波譜特征，得到在臺風(fēng)不同階段卓越周期的變化特點，認為臺風(fēng)信號有效頻帶為0.1～0.3 Hz。鐘繼茂[2]利用福建省連續(xù)重力觀測資料研究了2012年第5號臺風(fēng)“泰利”的卓越頻率等特征，結(jié)果在0.25 Hz左右。郭明瑞等[3]則用連續(xù)重力觀測儀的原始記錄分析研究了2013年2月6-8日圣克魯斯群島6次強震的同震響應(yīng)特征。

本文以2014年第10號強臺風(fēng)“麥德姆”為例，擬研究：(1) 臺風(fēng)引起的地脈動信號的強度和卓越頻率的變化規(guī)律；(2) 臺風(fēng)卓越周期與臺風(fēng)強度和移動速度的關(guān)系；(3) 連續(xù)重力資料非潮汐信息的提取，以期探討臺風(fēng)“麥德姆”活動特征和對連續(xù)重力觀測資料濾波處理方法的改進。

1福建省連續(xù)重力觀測和臺風(fēng)“麥德姆”概況

目前福建省有三個連續(xù)重力觀測臺站，即廈門臺、漳州臺和福州臺，均采用gPhone重力儀，其采樣率為秒采樣，精度為10-8ms-2，分辨率0.01×10-8ms-2。2014年第10號臺風(fēng)“麥德姆”在橫穿臺灣島之后，于7月23日15時30分在福建福清南部高山鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時強度由之前的臺風(fēng)級減弱為強熱帶風(fēng)暴。福建省連續(xù)重力觀測臺站分布和臺風(fēng)“麥德姆”路徑如圖1。

圖1　福建省連續(xù)重力觀測臺站分布和臺風(fēng)　　　“麥德姆”路徑Fig.1　Distribution of continuous gravity stations in Fujian　　　 Province and track of typhoon“Matmo”

2臺風(fēng)“麥德姆”活動特征

2.1離散傅里葉變換中數(shù)據(jù)長度與頻率分辨率的關(guān)系

要區(qū)分頻率軸上的兩個頻率點f1和f2，有效數(shù)據(jù)長度N必須滿足以下關(guān)系式：

(1)

2.2臺風(fēng)信號頻譜特征

為了研究在臺風(fēng)“麥德姆”期間(2014年7月22-25日)三臺重力儀記錄的地脈動信號強度和卓越頻率隨時間的變化過程，編寫了以1小時為時間窗的觀測資料傅里葉變換Matlab程序代碼，頻譜分析結(jié)果見圖2。

從圖2的頻譜幅值曲線可以看出，2014年7月22-25日臺風(fēng)“麥德姆”從趨近到漸遠重力觀測臺站，信號強度從增強到減弱。其中福州臺重力儀記錄到臺風(fēng)于7月23日15-16時在福建福清南部高山鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時信號強度迅速減弱，之后繼續(xù)接近和遠離福州臺，相應(yīng)地，信號又增強和逐漸減弱；而廈門臺和漳州臺只記錄到臺風(fēng)登陸前后信號增強和減弱，因為臺風(fēng)路徑離它們較遠。

從圖2的卓越頻率曲線來看，廈門臺和漳州臺信號卓越頻率隨時間變化特點相近，但與福州臺不同，可能與臺風(fēng)引起的地脈動信號傳播路徑以及介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。由于廈門臺和漳州臺相距較近(50 km)，信號傳播路徑和介質(zhì)性質(zhì)相近，所以卓越頻率隨時間變化特點相近；而廈門臺和福州臺相距較遠(210 km)，信號傳播路徑和介質(zhì)性質(zhì)不同，使得卓越頻率隨時間變化特點也不同。

另一組數(shù)據(jù)也可說明這一問題。福州臺、廈門臺、漳州臺卓越頻率的平均值分別是0.278 4、0.264 4、0.266 1 Hz。廈門臺和漳州臺相近(差0.001 7 Hz)，與福州臺不同(差0.004 0 Hz)，且福州臺高頻成分多于另外兩個臺，這與臺風(fēng)路徑靠近福州臺有關(guān)，距離近，高頻衰減少。

2.3卓越周期規(guī)律統(tǒng)計

卓越周期是卓越頻率的倒數(shù)。卓越頻率是通過頻譜分析得到的信號中所占能量最大的頻率成分，所以卓越周期的變化也可以反映臺風(fēng)信號能量的變化。我們認為卓越周期與臺風(fēng)強度和臺風(fēng)中心移動速度有關(guān)，臺風(fēng)強度和臺風(fēng)中心移動速度等資料可查閱中國天氣網(wǎng)[5]得到，采用文獻[1]的模型：

(2)

式中：a為待定常數(shù)，反映噪聲水平的影響；VD為臺風(fēng)強度(中心風(fēng)速，m/s)，V0體現(xiàn)了臺風(fēng)對卓越周期開始產(chǎn)生影響時的中心風(fēng)速(m/s)，整個第二項反映了臺風(fēng)強度(中心風(fēng)速)對卓越周期的影響；Vr*cosθ為成一定角度的多普勒效應(yīng)影響項，其中Vr為臺風(fēng)移動速度(km/h)，θ為臺風(fēng)移動方向同臺風(fēng)與臺站連線夾角，可由余弦定理確定。

三個臺的擬合結(jié)果列于表1，可見：(1) 參數(shù)b和c的數(shù)值均較小，臺風(fēng)卓越周期較為穩(wěn)定，在3.7 s左右。(2) 參數(shù)b數(shù)值在10-1數(shù)量級，參數(shù)c數(shù)值在10-3數(shù)量級，參數(shù)b要遠大于參數(shù)c，說明臺風(fēng)源的強度對臺風(fēng)振動信號的卓越周期起到了主要控制作用，多普勒效應(yīng)影響較小，但它還是客觀存在的。(3) 參數(shù)b和參數(shù)c既有“+”值又有“-”值，臺風(fēng)卓越周期與臺風(fēng)強度和臺風(fēng)移動速度的關(guān)系比較復(fù)雜，這可能與臺風(fēng)移動路徑曲折和地形復(fù)雜有關(guān)。

圖3　臺風(fēng)期間福建省三個重力觀測臺的原始　　　數(shù)據(jù)及濾波結(jié)果Fig.3　Raw data recorded by the three continuous gravity　　　 stations in Fujian province during the typhoon　　　 “Matmo” and the filtered results

參數(shù)福州臺廈門臺漳州臺a3.5923.7823.758b0.19840.273-0.0706c-0.008996-0.0089210.002399V024.7028.4843.01

3非潮汐信息提取研究

沿海連續(xù)重力觀測受到各種干擾，如臺風(fēng)、地震、潮汐(包括固體潮和海潮)、噪聲(主要是海浪沖擊海岸產(chǎn)生的地脈動)及降雨等。由于這些干擾信號的頻帶交織在一起，用經(jīng)典的濾波方法難以排除，經(jīng)典濾波器輸入信號中有用成分和希望濾除的成分占用不同的頻帶；而現(xiàn)代濾波器如維納濾波器、卡爾曼濾波器等，其輸入信號中有用信號和希望濾除的成分頻帶交疊。為此，我們不把干擾因素分為高頻和低頻，而是分為長期存在的和短期出現(xiàn)的兩大類，長期存在的干擾如儀器零漂、潮汐、噪聲等；短期出現(xiàn)的干擾如地震、臺風(fēng)、降雨、前兆信號等。

圖3是這三個重力觀測臺在“麥德姆”臺風(fēng)期間的原始數(shù)據(jù)和卡爾曼濾波結(jié)果。由圖可見，卡爾曼濾波能較好地濾除長期存在的、比較有規(guī)律的干擾成分，經(jīng)過濾波后不論是低頻的潮汐干擾還是高頻的本底噪聲基本看不到了，只剩下臺風(fēng)信號。正常情況下(沒有地震、臺風(fēng)、降雨等)濾波結(jié)果幾乎是一條直線(圖4)，這樣為我們判斷資料是否正常提供了有利條件。

圖4　正常情況下福州臺原始數(shù)據(jù)和濾波結(jié)果Fig.4　Original data and the filtered result from　　　 Fuzhou station under normal circumstances

對于短期出現(xiàn)的干擾信號的排除，有待進一步研究，但至少目前我們可以根據(jù)地震同震響應(yīng)、臺風(fēng)報道和天氣情況等加以識別。

4結(jié)論

(1) 用秒采樣重力觀測資料研究臺風(fēng)引起的地脈動信號的強度和卓越頻率隨時間的變化規(guī)律時，以1小時為時間窗的數(shù)據(jù)長度滿足傅里葉變換頻率分辨率要求。

(2) 福建省三個連續(xù)重力觀測臺站都記錄到臺風(fēng)由近及遠時信號強度由強變?nèi)醯倪^程，且臺風(fēng)登陸時迅速減弱，這與實際情況相符；離臺風(fēng)路徑近的臺站記錄的信號卓越頻率高，這可能與信號傳播路徑和介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，距離近，則高頻衰減少。

(3) 臺風(fēng)卓越周期與臺風(fēng)強度和臺風(fēng)移動速度的關(guān)系比較復(fù)雜，但較為穩(wěn)定，在3.7 s左右。

(4) 沿海連續(xù)重力觀測受到干擾可分為長期存在干擾和短期出現(xiàn)干擾兩大類，卡爾曼濾波能較好地濾除長期存在的、比較有規(guī)律的干擾成分。正常情況下濾波結(jié)果幾乎是一條直線。

參考文獻(References)

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JIN Xing，KANG Lan-chi.Research on Typhoon Using Frequence Character of Broadband Velocity Record[J].Journal of Natural Disasters，2007，16(4)：27-35.(in Chinese)

[2]鐘繼茂.福建省連續(xù)重力觀測資料分析[J].大地測量與地球動力學(xué)，2013，33(增刊Ⅰ)：53-56.

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[3]郭明瑞，郭昱琴，胡久常，等.瓊中地震臺重力儀記錄同震響應(yīng)特征分析[J].地震工程學(xué)報，2013，35(3)：698-701.

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LUO Jun-hui，LUO Yong-jiang，BAI Yi-chen，et al.Application of MATLAB7.0 to Digital Signal Processing[M].Beijing：China Machine Press，2005.(in Chinese)

[5]http://www.weather.com.cn/

Research on the Characteristics of Typhoon “Matmo”

Using Continuous Gravity Data from Fujian Province

ZHONG Ji-mao, GUAN Yu-mei, YANG Jin-ling

(EarthquakeAdministrationofFujianProvince,Fuzhou,Fujian350003,China)

Abstract：Fujian Province is located on the southeast coast of China, and is affected by a number of typhoons between May and October every year. At present, there are three continuous gravity observation stations in Fujian Province (Xiamen, Zhangzhou, and Fuzhou stations) and gPhone gravity meters are used at these stations. The tenth strong typhoon of 2014, which was named “Matmo”, crossed the island of Taiwan, landed at the southern coastal town of Gaoshan, Fuqing City, Fujian Province, on July 23 at 15∶30, and then weakened into a severe tropical storm. Taking this typhoon as an example, we used the continuous gravity data to study: (1) the rules governing changes in the strength and predominant frequency of the microtremor signal caused by the typhoon; (2) the relationship between the typhoon’s predominant period and its strength and moving speed; and (3) extraction of non-tidal information from the continuous gravity data. The results were as follows： (1) The amplitude of the signal that was recorded by the three stations changed from strong to weak as typhoon “Matmo” moved from close by to far away, and weakened rapidly after landing. This result was consistent with the actual situation. The predominant frequencies with time changed similarly because Xiamen station is relatively close to Zhangzhou station. The closer the distances are, the higher the frequencies are: this may be associated with the signal propagation path and the nature of the medium. (2) The relationship between the typhoon’s predominant period and its strength and moving speed is complex, which may be related to the twisting path and complex terrain. (3) The coastal continuous gravity observation interference can be divided into two categories: long-term and short-term. A Kalman filter can effectively remove the long-standing, more regular interference components. Under normal circumstances the filtering result is almost a straight line, which is useful for judging whether the data are normal.

Key words：Fujian Piovince; gravity observation; spectrum analysis; microtremor; predominant frequency; filter; typhoon

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.04.1090

中圖分類號:P444； P315.728

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號:1000-0844(2015)04-1090-05

作者簡介：鐘繼茂(1964-)，男，江西瑞金人，碩士，高級工程師，主要從事地殼形變觀測資料分析處理與地震預(yù)報研究。E-mail:zjm85403@163.com。

基金項目：福建省地震局青年科技基金(Y201305)；福建省地震局科技基金專項(SF201516)

收稿日期：①2014-11-07