降雨與蒸發(fā)對垂直擺傾斜儀觀測資料的影響

楊佩琴， 林木金， 王紹然

(1.福建省地震局龍巖地震臺，福建 龍巖　364000；2.福建省地震局東山地震臺，福建 漳州　363400)

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降雨與蒸發(fā)對垂直擺傾斜儀觀測資料的影響

楊佩琴1， 林木金2， 王紹然1

(1.福建省地震局龍巖地震臺，福建 龍巖364000；2.福建省地震局東山地震臺，福建 漳州363400)

收集福建省龍巖臺2007—2014年的形變觀測資料及降雨資料，分析了降雨量-蒸發(fā)量對VS型垂直擺傾斜儀觀測資料的影響，并計(jì)算了垂直擺傾斜EW分量、NS分量與降雨量-蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明，降雨量-蒸發(fā)量對垂直擺傾斜儀觀測資料有顯著影響，將降雨量與蒸發(fā)量綜合的結(jié)果，作為垂直擺傾斜觀測的輔助資料更為科學(xué)、合理。

降雨量；蒸發(fā)量；傾斜

0　引言

在眾多影響垂直擺傾斜觀測數(shù)據(jù)的因素中，以降雨的影響最為明顯[1]。南方降雨多，雨量大，因此對于南方的垂直擺傾斜觀測手段，雨量資料的收集尤為重要。龍巖地震臺是閩西唯一具備定點(diǎn)形變觀測手段的有人值守專業(yè)臺站。對龍巖臺有傾斜觀測資料以來的研究結(jié)果[2-3]表明：在龍巖臺垂直擺傾斜儀觀測資料的眾多干擾因素中，降雨的影響最為顯著，降雨量大、時(shí)間長、影響方式復(fù)雜。

目前，進(jìn)入前兆數(shù)據(jù)庫的降雨資料只有觀測的降雨量。對于蒸發(fā)量，似乎很少進(jìn)行分析。降雨是對土壤水分的補(bǔ)給，蒸發(fā)是土壤含水的消耗，這是雙向的過程，都會(huì)對垂直擺傾斜儀觀測帶來一定影響。

1　臺站概況

龍巖地震臺位于龍巖市新羅城區(qū)北郊虎頭山的西側(cè)半山坡上。臺站安裝了湖北省武漢地震儀器廠生產(chǎn)的VS型垂直擺傾斜儀，該儀器安裝在臺站東側(cè)的山洞內(nèi)，山洞所處山體東高西低，南高北低。山洞全長約100 m，洞內(nèi)平均溫度為19.8 ℃，年溫差小于0.2 ℃。臺站東邊有一斷層，斷層呈NNE走向，傾角80°；西邊為第四系覆蓋層，基巖為石英砂巖，節(jié)理發(fā)育，巖性破碎，地表風(fēng)化，覆蓋層較厚。

龍巖市屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。年平均氣溫18.7 ℃～21.0 ℃，平均降水量1 031～1 369 mm，日照時(shí)數(shù)1 804～2 060 h。全年氣候溫和，無霜期長，雨量充沛。

2　降雨量和蒸發(fā)量對垂直擺傾斜儀觀測資料的影響

2.1資料的收集整理

龍巖臺多年以來累積的降雨資料是人工測量的日觀測值，包括降雨量和蒸發(fā)量。為了對比、分析降雨量和蒸發(fā)量對垂直擺傾斜觀測資料的影響，分別收集整理了2007—2014年的觀測資料，計(jì)算降雨量累加值、降雨量減去蒸發(fā)量的累加值，與垂直擺傾斜儀的EW分量和NS分量日均值進(jìn)行對比分析。

2.2降雨和蒸發(fā)改變土壤的含水量

根據(jù)應(yīng)用水文學(xué)[4]，深厚的巖土層可分為2個(gè)水分帶。其中，地表以下到潛水面的部分是非飽和土壤水分帶，也稱為包氣帶，土壤水就是指包氣帶中的水分。在包氣帶的上部，由于經(jīng)常接受降雨補(bǔ)給和蒸發(fā)消耗，土壤水分變化劇烈。

對龍巖臺歷年來降雨量和蒸發(fā)量的觀測值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)，每年的蒸發(fā)量與降雨量的比例在1∶2～3∶4，甚至有些年份蒸發(fā)量超過降雨量。蒸發(fā)對土壤水分的消耗也是相當(dāng)大的。因此，僅觀測降雨量不足以排除降雨因素對垂直擺傾斜觀測的干擾，還需同時(shí)觀測蒸發(fā)量。

表1　歷年降雨量和蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)(2007—2014年)

2.3降雨量和蒸發(fā)量對垂直擺傾斜儀觀測資料的影響

根據(jù)龍巖本地的氣候變化規(guī)律，因降雨和蒸發(fā)引起土壤含水量的變化模式主要有3種：①?zèng)]有短時(shí)間強(qiáng)降雨，降雨量總體大于蒸發(fā)量，土壤含水量緩慢增加，一般在每年的1—4月，春雨綿綿，氣溫低，蒸發(fā)少；②短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)降雨，土壤含水量迅速增加，一般發(fā)生在5、6月，偶爾7、8月也會(huì)因臺風(fēng)帶來強(qiáng)降雨；③降雨少，沒有短時(shí)間內(nèi)集中的強(qiáng)降雨，蒸發(fā)持續(xù)，土壤含水量緩慢、持續(xù)減少，一般發(fā)生在7、8月以后，一直到12月。

以2007年的觀測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說明分析(表2，圖1)。

表2　2007年降雨量和蒸發(fā)量及產(chǎn)生的影響統(tǒng)計(jì)

注：a 降雨量日值；b 蒸發(fā)量日值； c 降雨量累加值；d 降雨量-蒸發(fā)量；e EW分量日均值；f NS分量日均值圖1　2007年降雨量和蒸發(fā)量與垂直擺傾斜儀觀測數(shù)據(jù)

01月01日—04月17日，主要是春雨綿綿，長達(dá)三個(gè)半月的時(shí)間，降雨334.8 mm，蒸發(fā)174.8 mm，雖然降雨增加土壤含水，但是在春季植被生長迅速，通過植被的蒸騰作用消耗掉相當(dāng)一部分的土壤含水，因此盡管降雨量大于蒸發(fā)量，就土壤含水而言，可能整體含水沒有明顯增加，EW分量表現(xiàn)為緩慢下降，NS分量表現(xiàn)為緩慢上升。

04月18日—05月06日，25天內(nèi)降雨達(dá)303.6 mm，其中04月18日降雨41.3 mm，04月22日—04月25日降雨146.6 mm，04月30日—05月1日降雨達(dá)93.7 mm，蒸發(fā)只有55.4 mm。短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降雨，引起EW分量和NS分量的大幅度變化，EW分量急速上升，NS分量急速下降。

05月07日—05月31日，降雨量和蒸發(fā)量基本持平，EW分量和NS分量表現(xiàn)為平緩變化形態(tài)。

06月01日—06月20日，20天內(nèi)降雨達(dá)347 mm(其中僅3天無降雨)，引起垂直擺傾斜儀2分量的大幅度變化。

06月21日—08月05日，降雨88.6 mm，蒸發(fā)258.9 mm，EW分量表現(xiàn)為緩慢下降，NS分量緩慢上升。

08月06日—09月05日，降雨461.9 mm，其中08月11日—08月17日降雨213.4 mm，09月02日—09月04日降雨115.7 mm，僅2天無降雨；蒸發(fā)僅有72.7 mm。同樣引起垂直擺傾斜儀2分量的大幅度變化。

09月06日—12月31日，進(jìn)入秋冬季節(jié)，降雨只有84.6 mm，蒸發(fā)達(dá)302.1 mm，EW分量緩慢下降，NS分量緩慢上升。

由圖1也可以看出，如果僅計(jì)算降雨量累加值(圖1c)，不能很好解釋在無降雨的時(shí)間段，垂直擺傾斜儀觀測數(shù)據(jù)的變化。如果計(jì)算降雨量減去蒸發(fā)量(圖1d)，降雨量減蒸發(fā)量的日值觀測曲線與龍巖臺垂直擺傾斜EW分量日均值曲線(圖1e)基本呈同方向變化，EW分量略有滯后；與NS分量日均值曲線(圖1f)呈反向變化，NS分量略有滯后。這主要是因?yàn)樯蕉瓷戏礁采w的山體地勢是東高西低，南高北低，高處覆蓋山體厚，低處覆蓋山體較薄。降雨和蒸發(fā)這2個(gè)過程通過改變土壤水分含量，引起基巖載荷的改變，對垂直擺傾斜儀觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生顯著的影響。

對2007—2014年的觀測資料進(jìn)行分析(圖2)，用降雨量減蒸發(fā)量可以很好地對應(yīng)并解釋垂直擺傾斜觀測數(shù)據(jù)的大部分變化趨勢，降雨量減蒸發(fā)量與龍巖臺垂直擺傾斜EW分量的變化呈正相關(guān)，與NS分量的變化呈負(fù)相關(guān)。這也說明降雨因素對垂直擺傾斜觀測資料的影響非常大。

逐年計(jì)算垂直擺傾斜EW分量、NS分量與降雨量-蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)(表3)，由相關(guān)系數(shù)也可以看出，EW分量、 NS分量的變化與降雨量-蒸發(fā)量的相關(guān)性顯著。這說明，降雨量-蒸發(fā)量對龍巖臺垂直擺傾斜觀測資料的影響很明顯，在對資料進(jìn)行分析使用的時(shí)候需要先剔除降雨量-蒸發(fā)量的影響。

注：a 降雨量累加值；b 降雨量-蒸發(fā)量累加值；c EW分量日均值；d NS分量日均值圖2　降雨量和蒸發(fā)量與垂直擺傾斜儀觀測數(shù)據(jù)對比分析(2007—2014年)

表3　垂直擺傾斜儀2分量與降雨量-蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.4震例分析

2007—2014年，在福建區(qū)域發(fā)生了5次震感比較強(qiáng)烈的顯著地震事件(M>4.5)(表4)。

表4　2007—2014年福建省顯著地震事件

以降雨量-蒸發(fā)量為自變量，垂直擺傾斜儀各分量的變化為因變量，做相關(guān)分析(圖3)，可以在一定程度上剔除降雨對垂直擺傾斜觀測的影響。在剔除了降雨量-蒸發(fā)量的影響之后，垂直擺傾斜儀的NS分量和EW分量有一定的年變規(guī)律。但是在2007—2008年，年變規(guī)律完全被破壞。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，一共發(fā)生了4次M>4.5級以上地震，并且，這4次地震事件均發(fā)生于與龍巖為同一個(gè)或者毗鄰的NW向和NE向斷裂帶交錯(cuò)的棋盤狀構(gòu)造帶內(nèi)，順昌、古田與龍巖同位于NE向的邵武—河源斷裂帶和政和—海豐斷裂帶附近，永春與龍巖同位于NW向的九龍江斷裂，長泰位于龍巖毗鄰的晉江—永安斷裂，孕震構(gòu)造不可避免地會(huì)對龍巖的地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生影響。對龍巖臺垂直擺傾斜儀觀測資料剔除了降雨量-蒸發(fā)量的影響后，地震前兆異常信息得以反映出來。2013年9月4日福建仙游雖然發(fā)生了5.0級地震，但是由于仙游所處構(gòu)造帶與龍巖距離較遠(yuǎn)且關(guān)聯(lián)不大，影響甚微。

圖3　垂直擺傾斜儀與降雨量-蒸發(fā)量一元線性相關(guān)分析殘差值

3　結(jié)論

通過對龍巖臺降雨量、蒸發(fā)量和垂直擺傾斜觀測數(shù)據(jù)綜合分析研究得出：

1)降雨量減蒸發(fā)量與龍巖臺垂直擺傾斜觀測數(shù)據(jù)的變化顯著相關(guān)，與EW分量呈正相關(guān)，與NS分

量呈負(fù)相關(guān)。

2)降雨量減蒸發(fā)量與龍巖臺垂直擺傾斜觀測數(shù)據(jù)變化的相關(guān)程度優(yōu)于降雨量。

3)由于龍巖臺垂直擺傾斜儀的觀測環(huán)境所致，降雨和蒸發(fā)都對垂直擺傾斜觀測有影響，因此作為垂直擺傾斜觀測的輔助觀測手段，僅觀測降雨量不足以排除對龍巖臺垂直擺傾斜儀觀測的干擾，還需同時(shí)觀測蒸發(fā)量。

4)對龍巖臺垂直擺傾斜儀觀測資料剔除了降雨量-蒸發(fā)量的影響后，一些地震前兆異常信息得以反映出來。

降雨和蒸發(fā)對垂直擺傾斜觀測的影響，也不完全是一一對應(yīng)的。短時(shí)間的集中強(qiáng)降雨，或者長時(shí)間降雨山體含水已經(jīng)飽和的情況下，都有可能在山體表面形成徑流，匯入江河。其次，山體含水率的改變也不完全是蒸發(fā)所致，還有植被的生長、山體含水對地下水的補(bǔ)給等等。關(guān)于降雨量和蒸發(fā)量對于垂直擺傾斜觀測資料的影響程度，還應(yīng)做進(jìn)一步的定量分析。

本文的研究內(nèi)容，主要是基于龍巖臺垂直擺傾斜儀的觀測環(huán)境得出的結(jié)論，對于高溫且多雨的南方洞室傾斜觀測資料的分析具有一定參考意義。

[1]國家地震局科技監(jiān)測司. 地震地形變觀測技術(shù)[M]. 北京: 地震出版社, 1995: 284-285.

[2]劉其壽, 楊佩琴, 王紹然, 等. 龍巖地震臺地傾斜資料干擾因素分析[J]. 大地測量與地球動(dòng)力學(xué), 2010, 30(S1): 91-95.

[3]鄭永通, 張華, 楊佩琴, 等. 垂直擺傾斜儀干擾原因分析[J]. 華南地震, 2015, 35(2): 100-105.

[4]范世香, 高雁, 程銀才. 應(yīng)用水文學(xué)[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2012: 19-25.

Rainfall and Evaporation Effects on Vertical Pendulum Tiltmeter Observations

YANG Pei-qin1, LIN Mu-jin2, WANG Shao-ran1

(1.Longyan Seismic Station, Earthquake Adminstration of Fujian Province, Longyan 364000, China;2.Dongshan Seismic Station, Earthquake Adminstration of Fujian Province, Zhangzhou 363400, China)

Using deformation data and rainfall data of Longyan station from 2007 to 2014, we analyzed the effect of rainfall-evaporation on VS vertical pendulum tilt observational data, calculated the correlation coefficient between rainfall-evaporation and the EW component of the vertical pendulum tilt and the correlation coefficient between rainfall-evaporation and the NS component of the vertical pendulum. The results show that rainfall-evaporation has a significant effect on vertical pendulum tilt observational data in Longyan seismic station. It is more scientific and reasonable to take rainfall and evaporation into consideration in order to analyze vertical pendulum tilt observation data.

rainfall; evaporation; tilt

2016-01-06

楊佩琴(1973—)，女，福建長汀人，工程師，主要從事地震監(jiān)測和分析預(yù)報(bào)工作．E-mail：23910084@qq.com

P315.725

A

1003-1375(2016)03-0028-04

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.005

楊佩琴，林木金，王紹然．降雨與蒸發(fā)對垂直擺傾斜儀觀測資料的影響[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(3):28-31.