北京地區(qū)山背波監(jiān)測與特征分析

郭泉，呂君

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北京地區(qū)山背波監(jiān)測與特征分析

郭泉1,2，呂君1

(1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

利用北京西北地區(qū)布置的小孔徑大氣次聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用有效來波判斷方法搜尋有效來波，并使用最小方差空間搜索方法定位波源，分析經(jīng)常發(fā)生并對正常觀測造成干擾的一種次聲波—山背波信號的特征規(guī)律：幅度、頻譜、波源位置、波速、來波方向及發(fā)生時間統(tǒng)計規(guī)律。對2013年4~5月的次聲波記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：低于0.02 Hz頻段，各傳感器經(jīng)常性接收到來自于西北山區(qū)方位的次聲波，幅度一般在10~20 Pa，中心頻率處于0.002~0.005 Hz，最小方差法定位結(jié)果顯示信號源大多自北京西山的面向陣列的一側(cè)，方位角統(tǒng)計結(jié)果顯示大多數(shù)在260°~360°、0°~40°，且傳播速度為10~50 m/s，該波的發(fā)生與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速風(fēng)向具有相關(guān)性。

小孔徑陣列；山背波；定位；統(tǒng)計特征

0 引言

2013年4月在北京西北部建立次聲傳感器三點陣并監(jiān)測遠(yuǎn)距離大氣次聲源，該次聲三點陣距離北京西山不到20 km，經(jīng)常性監(jiān)測到一系列頻率低于0.02 Hz的具有較強相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)大于0.9)的次聲波信號，該信號幅度一般小于30 Pa。由于該低頻次聲波經(jīng)常出現(xiàn)，將會影響遠(yuǎn)距離次聲源觀測以及次聲波提取識別，同時降低次聲源定位精度，特別是海嘯次聲波，其頻率在0.006~0.02 Hz[1]，臺風(fēng)的次聲波也接近該頻段[2]，文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)在山地區(qū)域經(jīng)常會出現(xiàn)類似頻率的次聲波，認(rèn)為該波主要為山背波。當(dāng)氣流遇到次聲陣列周邊的山脈，在迎風(fēng)面順著山勢上升越過山脊，重力作用下在背風(fēng)一側(cè)氣流回到原先的水平面，然后氣流由于慣性再次上升，從而形成山背波。山背波不但會對陣列遠(yuǎn)距離波源探測造成影響[4]，大幅度山背波引起的大氣波動還會對飛機(jī)飛行安全造成影響，因此研究其特征具有一定意義。

1 陣列及信號處理方法

1.1 傳感器陣列設(shè)備組成

次聲波監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于北京的次聲傳感器陣列(圖1(a))，距離北部山區(qū)大約20 km，距離西部和南部山區(qū)小于10 km。該陣列共有3個臺站(圖1(b))，臺站之間的距離分別為281、387、516 m。每個臺站包含INSAS2010型次聲傳感器和數(shù)字采集儀，傳感器的3 dB頻帶測量范圍為0.008~40 Hz，滿足對山背波頻率的測量需求。配套的數(shù)字采集儀能夠?qū)D轉(zhuǎn)換后信號通過廣域網(wǎng)傳輸?shù)紽TP服務(wù)器[5]。其中1號傳感器使用了梅花瓣型防風(fēng)管道，用于減弱風(fēng)噪聲對信號觀測的影響[6]。

(a)

(b)

圖1 陣列各傳感器(1,2,3)相對位置(a)以及地理位置(b)

Fig.1 Distribution of sensors (a) and their locations (b)

1.2 有效目標(biāo)信號識別及定位方法

三點陣傳感器之間的信號時延滿足公式(1)，傳感器之間時延為，它們的閉環(huán)和等于零，但實際情況下該閉環(huán)時延和只能趨向于零。對于一段時間內(nèi)信號，滿足如下關(guān)系[7]：

公式(1)可以作為判斷該段時間內(nèi)信號是否到達(dá)的依據(jù)，能夠避免次聲三點陣附近接收到的隨機(jī)信號產(chǎn)生的干擾，而且。

當(dāng)使用上述方法判斷得到有效信號到達(dá)時，可使用公式(1)計算得到三點陣來波方位角計算公式(2)和波速公式(3)：

(3)

上式中，、、、、已在圖1中標(biāo)注。使用最小方差法對陣列的周邊區(qū)域進(jìn)行掃描，確定每組有效信號的波源位置。首先計算出次聲波到達(dá)每個傳感器的時間。

進(jìn)一步計算時延估計方差：

(5)

2 觀測結(jié)果及分析

2.1 典型山背波信號分析及波源定位

在4月27日3時~28日3時這段時間山背波信號幅度較大，因此作為典型信號進(jìn)行觀察和分析。圖2為該段時間的信號波形圖和頻譜圖，能夠發(fā)現(xiàn)大多數(shù)信號的幅度在5~20 Pa，頻譜圖顯示信號頻率分布在0.01 Hz以下的頻段，中心頻率是0.002~ 0.005 Hz。

為了有效利用次聲數(shù)據(jù)以獲得準(zhǔn)確的波源方位角速度，將每路信號(長度為)首先進(jìn)行低通濾波()，設(shè)定樣本信號長度為，以保證取得4個周期以上的信號，信號重疊率為50%，得到樣本信號個數(shù)是：。

圖3是以陣列為中心，東西長50 km，南北長50 km，4月27~28日的有效來波的聲源來自陣列西北部的山區(qū)，主要位于面向傳感器的山坡，少數(shù)聲源來自兩個山脈之間的地區(qū)。

表1 4月27~28日各有效來波時延與坐標(biāo)參數(shù)

2.2 2013年4~5月山背波特征統(tǒng)計分析

2.1節(jié)分析了短時間的典型山背波信號的特征和波源位置，但是還需要對長時間的信號的特征規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計，以獲得更具代表性的結(jié)果。因此對2013年4~5月的連續(xù)2個月次聲陣的3路信號，使用2.1節(jié)中的處理方法，計算有效來波的方位角、相關(guān)系數(shù)和波速，并進(jìn)行統(tǒng)計分析，以獲得長時間的特征統(tǒng)計規(guī)律。圖4為計算獲得信號的信號時間-方位角-波速計算結(jié)果，在2個月的次聲波記錄中，大多數(shù)時間內(nèi)都能夠接收到0.02 Hz以下的有效來波，而且波速主要100 m/s以下，而且形成了4個時間段的主要波群(紅色方框)：4月6~18日，4月26~28日，5月12~14日，5月18~26日。3路有效來波信號的相關(guān)系數(shù)大多在0.9以上，顯示這些信號并不是單個傳感器受到干擾產(chǎn)生的。

圖5中為計算獲得信號方位角的統(tǒng)計直方圖，超過90%的信號來波方位角主要在0°~40°，260°~360°范圍內(nèi)，而很少分布在其他方向，其中4月份在0°~40°、260°~360°范圍內(nèi)的有效來波次數(shù)多于5月份，而5月份在其他方位角范圍(120°~ 260°)內(nèi)的有效來波次數(shù)也多于4月份。根據(jù)速度統(tǒng)計計算(圖6)，在0°~50°、260°~360°范圍的有占總次數(shù)93%的有效來波的速度小于50 m/s。

2.3 計算與統(tǒng)計特征分析

對2013年4~5月的陣列信號進(jìn)行信號特征統(tǒng)計分析顯示，山背波主要分布在陣列方位角0°~40°、260°~360°的范圍，傳感器陣列周邊主要的山脈都分布在該方位角范圍，根據(jù)2.1節(jié)的典型信號定位結(jié)果，波源來自于陣列西北方20~40 km的山脈區(qū)域，不是來自于其他更遠(yuǎn)的位置，因此能夠說明該山背波的波源是北京西山，大多數(shù)有效來波的波速小于50 m/s，因此從波速和波源位置驗證了該波是由于山地地形而產(chǎn)生的山背波，不是遠(yuǎn)距離次聲源產(chǎn)生的。

山背波的隨時間的發(fā)生規(guī)律如圖5所示，4月份從西北部山脈方向來波次數(shù)多于其他幾個月，而其他幾個月則在東南和西南方向(100°~200°)略高于4月份。因此對北京市4~5月份風(fēng)力風(fēng)向進(jìn)行對比，如圖7所示，該圖記錄了2個月期間每天的最高風(fēng)力和主要風(fēng)向情況，2013年4月份風(fēng)向主要為偏北風(fēng)，因此陣列北方山脈出現(xiàn)山背波的次數(shù)要高于5月，而5月的北風(fēng)減少而偏南風(fēng)的次數(shù)逐漸增多，因此陣列西南方的山脈出現(xiàn)山背波的次數(shù)要高于4月份，并且風(fēng)向有利于來自南方次聲波的大氣傳播，另外從圖7與圖4的對比顯示出風(fēng)力風(fēng)向與接收到的有效來波的次數(shù)呈現(xiàn)較好的對應(yīng)關(guān)系：如圖5中紅色虛線方框所示，4月6~18日，4月26~28日，5月12~14日，5月18~20日有持續(xù)較強的北風(fēng)和連續(xù)的來自西北方向有效來波信號。

3 結(jié)論

本文利用安裝在北京西北部山區(qū)的次聲傳感器三點陣，對大氣次聲波進(jìn)行2個月的觀測。對該段時間內(nèi)的次聲信號特征進(jìn)行統(tǒng)計和分析：陣列周邊的山脈產(chǎn)生的山背波幅度大多在5~20 Pa，中心頻率為0.002~0.005 Hz，波速小于50 m/s，最小方差法定位結(jié)果顯示主要來自于方位角0°~40°、260°~360°的范圍的北京西北方向的山區(qū)，來自于山脈面向傳感器的一側(cè)和兩個山脈之間的平原。由于4~5月份跨越春夏兩季，4月與5月的主要風(fēng)向的變化，使得不同時間內(nèi)山背波來波方位角分布也隨之變化，風(fēng)力較強的時間段，山背波出現(xiàn)的次數(shù)也較多。該陣列觀察到較多山背波的主要原因是布置在三面環(huán)山的位置，很多時間都能接收到山背波，因此在日常大氣次聲波監(jiān)測中，根據(jù)山背波的特征，剔除山背波的影響，能夠找到遠(yuǎn)距離次聲源的信號，另一方面通過次聲陣列監(jiān)測山背波，能夠及時發(fā)現(xiàn)其發(fā)生時間和位置，為其可能產(chǎn)生的不利影響提供監(jiān)測依據(jù)。

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Detection and characteristic analysis of mountain wave occurred around Beijing area by using infrasound microphone array

GUO Quan1,2, Lü Jun1

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences,Beijing, 100190, China;2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing, 100049,China)

The characteristics of mountain wave occurred in the Western hill of Beijing by using small aperture infrasound array, including amplitude, spectrum, azimuth of arrival wave, wave source location and statistical law, are studied in this paper, also the problems about the detection threshold and the least squares localization of the mountain wave are considered. The infrasound recordings over two month from 2013/04 to 05 are analyzed, and the result shows that the low frequency infrasonic wave from northwest mountain area is usually detected by the array, whose amplitude is 10~20 Pa and centre frequency is 0.002-0.005 Hz. The wave is mostly from hillside face to the array, and the azimuths of arrival wave are nearly 260-360 and 0-40 degrees respectively, moreover, the wave velocity is 10~50m/s and the occurrence of this wave is correlated with local wind speed and direction.

small aperture array; mountain wave; localization; statistical characteristic

TB533

A

1000-3630(2015)-03-0247-05

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.012

2014-03-20;

2014-06-21

國家自然科學(xué)基金面上項目(11074278、11174320)

郭泉(1984－), 男, 山東濱州人, 博士研究生, 研究方向為自然事件大氣次聲源監(jiān)測與定位。

郭泉, E-mail: guoquan@mail.ioa.ac.cn