淺析臺風(fēng)對臨汾侯馬地震臺水管儀、測震儀觀測的影響

馮建琴，董甲弟，張仰輝，楊世英，沈曉松，李惠玲，李　穎

(1.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西　臨汾　041000；2.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺，山西　太原　030025；

3.山西省地震局，山西　太原　030021；4.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西　太原　030025)

淺析臺風(fēng)對臨汾侯馬地震臺水管儀、測震儀觀測的影響

馮建琴1，4，董甲弟1，4，張仰輝1，4，楊世英2，4，沈曉松2，4，李惠玲3，4，李穎3，4

(1.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西臨汾041000；2.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺，山西太原030025；

3.山西省地震局，山西太原030021；4.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西太原030025)

摘要：侯馬地震臺水管儀NS分量的觀測資料，多次出現(xiàn)一些高頻抖動并伴有V字波形，臨汾臺CTC-IE寬帶測震儀在同時段也記錄到長周期的異常波動信號。對比發(fā)現(xiàn)，這些異常與熱帶氣旋臺風(fēng)的形成、近海海面6級以上的大風(fēng)，在時間上有很好的對應(yīng)關(guān)系。通過進(jìn)一步分析得出，水管儀Ⅴ字波形、寬帶地震計的長周期異常波動信號，是由熱帶氣旋臺風(fēng)及近海海面6級以上大風(fēng)引起。

關(guān)鍵詞：異常波動；高頻抖動；熱帶氣旋臺風(fēng)

0引言

近年來，國內(nèi)有不少學(xué)者研究出寬頻帶地震計和傾斜、重力儀均能觀測到震顫擾動信號。據(jù)張雁濱教授對西太平洋熱帶氣旋(熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng))的研究表明，震顫波的強度主要與熱帶氣旋的強度、運動路徑以及氣旋中心到地震觀測臺站的距離這些因素直接相關(guān)；震顫信號的持續(xù)時間與熱帶氣旋的生命過程基本相符，震顫信號的擾動周期集中在3～7秒，強震顫的時間大多為2～3天，特征呈紡錘狀疊加在觀測背景上。大氣科學(xué)專家陳聯(lián)壽院士研究得出，臺風(fēng)登陸是以地面上的風(fēng)場、氣壓場和變壓場特征為主要依據(jù)的，氣壓場特征是在臺風(fēng)登陸地點附近氣壓隨時間的變化曲線呈漏斗型，變壓場特征是登陸前為負(fù)變壓，登陸后為正變壓[1-7]。本文對侯馬、臨汾臺2012—2013年水管、寬帶測震儀的觀測資料與臺風(fēng)的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)研究。

1臺站概況及資料記錄情況

侯馬地震臺(以下簡稱侯馬臺)位于山西南部臨汾與運城盆地交接地帶，紫金山山前斷裂帶的中段，斷裂走向NW，斷面傾角60°左右，垂直斷距約150 m，洞體及出露基巖巖性均為太古代石英角閃片麻巖，洞體位于斷層下盤，巖體完整，洞體覆蓋層厚度大于80 m。觀測基線EW向22.35 m，NS向15.32 m，EW和NS兩方向為正交觀測。該臺始建于1993年8月，2000年年底、2008年3月分別升級為“九五”“十五”數(shù)字化觀測，使用分采樣記錄。該臺洞室觀測條件較好，觀測環(huán)境周圍無明顯的干擾。儀器工作連續(xù)穩(wěn)定，能清晰記錄到固體潮汐的變化，日變和年周期變化規(guī)律明顯，中強地震記錄清晰。

臨汾數(shù)字地震臺位于山西省臨汾市龍祠村北約1 km的山腳下，臺基地處羅云山斷裂帶下盤邊緣，巖層產(chǎn)狀平緩而完整?，F(xiàn)使用儀器為CTS-1E地震計和EDAS24L6數(shù)采儀，采用秒采樣記錄。該臺周圍無明顯的干擾，儀器拾震率高，記錄資料連續(xù)、完整。

2臺風(fēng)活動時間

據(jù)臺風(fēng)信息網(wǎng)記載[8]，馬紹爾群島附近海面上全年幾乎都會有臺風(fēng)發(fā)生。我國南海的中北部海面5月逐漸增多，6-9月發(fā)生的臺風(fēng)最多，10-12月又減少，但多發(fā)生在北緯15度以南的北部海面上，大部分西北太平洋的熱帶氣旋通常在五月至十二月形成。據(jù)太平洋臺風(fēng)季網(wǎng)報道，2012年共發(fā)生34個熱帶氣旋，其中有25個形成臺風(fēng)，氣旋登陸33次。2013年發(fā)生51個熱帶氣旋，33個臺風(fēng)， 11次登陸海南、廣東、臺灣、福建。

據(jù)中央氣象臺報道，2013年7月5日，一個熱帶擾動在威克島西部海面上生成。7日上午9時30分，日本氣象廳升級為熱帶低壓，8日升級為強熱帶風(fēng)暴，隨后風(fēng)暴中心向偏北方向移動，9日逐漸形成強臺風(fēng)，10日超強臺風(fēng)風(fēng)力達(dá)到最大，為16級，55 m/s七級風(fēng)圈半徑380 km，14日減弱為熱帶風(fēng)暴。蘇力臺風(fēng)持續(xù)時間為7月5—14日，運動路徑為西北西。6月27日至7月19日，產(chǎn)生強熱帶風(fēng)暴溫比亞、臺風(fēng)蘇力、熱帶風(fēng)暴西馬侖，其活動情況如第11頁表1所示。

表1　2013年強熱帶風(fēng)暴溫比亞、臺風(fēng)蘇力、熱帶風(fēng)暴西馬侖基本情況

3臺站水管儀V字形階變出現(xiàn)時間

2012—2013年，侯馬臺水管儀NS分量觀測，經(jīng)常記錄到高頻震動并伴有V字形階變波(見圖1a、1b)，V型階變特征先負(fù)向階跳，后正向階跳恢復(fù)原狀，呈漏斗形。這種階變在冬春季出現(xiàn)時，頻次低、幅度小，夏秋季則頻次高、幅度大，全年的觀測資料均可見。蘇力臺風(fēng)形成期間，侯馬臺水管儀、代縣臺體應(yīng)變均出現(xiàn)V型階變(見圖1c)，北京地震臺、新疆精河臺的水管儀觀測到高頻震顫波(見圖2a、2b)，臨汾臺寬帶測震儀記錄到長周期的異常波動信號(見第12頁圖3)。

圖1　侯馬臺水管儀、代縣臺體應(yīng)變分鐘值曲線Fig.1　Minute point value of water tube tiltmeter in Houma and body strain in Daixian

圖2　北京地震臺、精河地震臺水管儀分鐘值曲線Fig.2　Minute point value of water tube tiltmeter at Beijing and Jinghe Seismic Station

圖3　臨汾臺寬帶測震儀2013年7月5日記錄曲線圖Fig.3　Record curve of broadband seismograph at Linfen Station on 5th July,2013

4資料分析

4.1　震顫波的頻譜特征分析

利用MATLAB軟件，對侯馬臺水管儀2013年6月28日至7月19日的分鐘值，采用快速fourier變換(FFT)進(jìn)行頻譜分析，找出頻譜特征隨時間的變化及信號能量在不同頻率上的分布情況。由圖4看出，在侯馬臺水管儀正常觀測背景上明顯疊加有一些大振幅的低頻成分，且低頻頻率主要集中在0.1～1.3 Hz。由于臨汾臺寬帶測震儀采用的是秒采樣記錄，數(shù)據(jù)量大，故不采用同時段內(nèi)觀測數(shù)據(jù)做頻譜分析，使用2013年7月1日的秒采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，看出，紡錘狀波形主要分布在0.1～1.6 Hz頻率范圍(見圖5)。

圖4　侯馬臺水管儀頻譜特征分析Fig.4　Spectrum of water tube tiltmeter in Houma

圖5　臨汾臺測震頻譜圖Fig.5　Spectrum of seismic record of Linfen Station

4.2　小波分析

小波分析是一種處理信號的時頻分析工具，其多分辨率分析將信號在不同分辨級別分解，能將各種交織在一起的不同頻率組成的混合信號，分解成不同頻帶的子信號[9]，研究中采用Matlab軟件中db4小波進(jìn)行小波分解。

在臺風(fēng)溫比亞、蘇力、西馬侖發(fā)生期間，侯馬臺水管儀NS分量觀測到高頻震顫波，臨汾臺寬帶測震儀觀測到長周期擾動波。通過對侯馬水管儀、臨汾寬帶測震儀觀測曲線作小波細(xì)節(jié)分析(限于篇幅，僅對1階附圖，見第13頁圖6)，可知侯馬臺水管傾斜儀卓越周期在2~4 min紡錘狀波形較為明顯，臨汾臺寬帶測震儀在同頻段內(nèi)記錄到清晰的紡錘狀波形。小波分解曲線圖凸顯出高頻震顫波特征，主要體現(xiàn)在形態(tài)和幅度

上。從圖6可以看出，侯馬、臨汾臺相距幾十千米，但不同觀測儀器對震顫波的記錄卻具有一致性，表現(xiàn)在頻段和形態(tài)均一致。

圖6　臨汾臺寬帶測震、侯馬臺水管小波細(xì)節(jié)分析圖Fig.6　Details of wavelets of broadband seismometer at Linfen Station and of water tube in Houma

4.3　侯馬臺水管儀V型階變特征分析

大氣科學(xué)專家陳聯(lián)壽院士研究得出，臺風(fēng)登陸是指其中心由海洋進(jìn)入陸地上的時間和地點，是以地面上的風(fēng)場、氣壓場和變壓場三者的特征作為主要根據(jù)的。氣壓場特征：由于臺風(fēng)中心氣壓很低，因此在臺風(fēng)登陸地點附近，氣壓隨時間的變化曲線必須具有漏斗形的特征，登陸前氣壓急劇下降，登陸后氣壓急劇上升；變壓場特征：由于臺風(fēng)中心氣壓很低，其外圍氣壓梯度很大，因而臺風(fēng)登陸點附近，變壓場特征十分突出，登陸前為負(fù)變壓，登陸后為正變壓[6-7]。這就是侯馬水管儀NS分量產(chǎn)生V型階變的原因之一，統(tǒng)計2012—2013年V型階變和熱帶氣旋產(chǎn)生的時間，對應(yīng)率在95%以上。

5討論與結(jié)論

(1) V型階變出現(xiàn)期間，首先進(jìn)行觀測儀器、觀測環(huán)境、溫度氣壓等相關(guān)分析及逐一排查，發(fā)現(xiàn)與這些因素?zé)o明顯關(guān)聯(lián)。

(2) 侯馬臺水管儀2012—2013年觀測資料中有很多震顫信號伴V型階變，在時間上與臺風(fēng)發(fā)生的時

間有很好的對應(yīng)關(guān)系，對應(yīng)率在95%以上。

(3) 對2013年臺風(fēng)(溫比亞、蘇力、西馬侖)發(fā)生期間的侯馬水管儀、臨汾寬帶測震儀觀測資料作頻譜分析，發(fā)現(xiàn)水管儀大振幅震顫波的低頻成分，頻率主要集中在0.1～1.3 Hz，寬帶測震儀的紡錘狀波形集中在0.1～1.6 Hz。

(4) 對臺風(fēng)期間的侯馬水管儀、臨汾寬帶測震儀的觀測資料作小波細(xì)節(jié)分析，發(fā)現(xiàn)兩儀器在同頻段內(nèi)均記錄到紡錘狀的震顫波，形態(tài)和持續(xù)時間一致，1階后紡錘狀波形明顯疊加在觀測背景上。

(5) V型階變形狀符合大氣科學(xué)專家陳聯(lián)壽院士研究得出的臺風(fēng)登陸的氣壓場和變壓場特征。

(6) 寬頻帶地震計記錄到特殊頻率的異常波動現(xiàn)象，與水管儀、體應(yīng)變“V字形”階變現(xiàn)象又相互印證，進(jìn)一步增強觀測結(jié)果的可信度。根據(jù)多次臺風(fēng)事件發(fā)生時間與V型階變相吻合的事實得出，侯馬水管儀的V型階變?yōu)闅庑▌?臺風(fēng))所致。

在文章的編寫過程中，得到《大地測量與地球動力學(xué)》評審專家薛宏基、呂品姬老師和山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺孟彩菊高工的大力指導(dǎo)與幫助，在此深表感謝！

參考文獻(xiàn)：

[1]張雁濱，蔣駿，李勝樂，等.數(shù)字地震觀測中由臺風(fēng)產(chǎn)生的震顫信號分析[J].國際地震動態(tài),2008,11(37):37.

[2]張雁濱，蔣駿，廖盈春，等.寬頻地震計及傾斜、重力儀對長周期波動信號的綜合觀測[J].地震學(xué)報，2008，30(6)：626-633.

[3]張雁濱，蔣駿，呂永清，等.寬頻地震觀測中強震前的異常波動信號探究[J].國際地震動態(tài)，2008，11(359)：37.

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[5]胡小剛，郝曉光.強臺風(fēng)對汶川地震和昆侖山大地震“震前擾動”影響的分析[J].地球物理學(xué)報，2010，52(5)：1 363-1 375.

[6]陳聯(lián)壽，丁一.西太平洋臺風(fēng)概論[M].北京：科學(xué)出版社，1979.

[7]維基百科.自由的百科全書[DB/OL],2001.http://zh.wikipedia.org.

[8]臺風(fēng)信息網(wǎng)，2013.http://www.zjtyphoon.com.

[9]張雁濱，蔣駿，李勝樂，等.熱帶氣旋引起的震顫波[J].地球物理學(xué)報，2010,53(2):335-341.

(英文摘要

Influence of Typhoon on Observation Data of Water Tube Tiltmeter and Seismograph at Houma Seismic Station in Linfen

FENG Jian-qin1,4, DONG Jia-di1,4, ZHANG Yang-hui1,4, YANG Shi-ying2,4, SHEN Xiao-song2,4, LI Hui-ling3,4, LI Ying3,4

(1.Linfen Central Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province, Linfen, Shanxi 041000, China;2.Taiyuan Referential Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030025, China;3.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China;4.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China)

Abstract:Observation data of NS component of water tube tiltmeter at Houma Station appeared high frequency vibrations with V waveform many times. Meanwhile the CTC-IE broadband seismograph at Linfen Station recorded long period abnormal fluctuation signal. It is found that these anomalies well correlated with tropical cyclones and level 6 offshore winds. The V waveform of water tube tiltmeter and long period abnormal fluctuation signal of broadband seismograph are caused by tropical cyclones and level 6 offshore winds.

Key words:Abnormal fluctuation; High frequency vibration; Tropical cyclone

作者簡介：第一馮建琴(1964—)，女，山西省五臺人。2005年畢業(yè)于防災(zāi)技術(shù)高等?？茖W(xué)校，工程師。

基金項目：山西省地震局科研項目(SBK-1329)。

收稿日期：2015-03-05

中圖分類號：P315.73

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-6265(2015)03-0010-04