福建地區(qū)環(huán)境噪聲特性研究

蔡輝騰 陳颙 金星 徐嘉雋 徐藝鶴 李穩(wěn)

摘要：為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)福建地區(qū)噪聲特性的認(rèn)識(shí)以及提升臺(tái)站地震觀測(cè)質(zhì)量，計(jì)算了2014年福建地震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶地震儀連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的功率譜概率密度函數(shù)，并分析其影響因素和不同頻段時(shí)空變化特性。結(jié)果表明：人文噪聲平均水平最高地區(qū)位于福建沿海福州至廈門(mén)一帶，07：00—18：00的功率譜密度要明顯高于其它時(shí)間段，12：00左右出現(xiàn)間歇性低谷期，夜間有不同程度的降低，日變化除了在春節(jié)假期大幅下降外，均處于較為穩(wěn)定態(tài)勢(shì);福建地區(qū)次級(jí)微震主要成分是Rayleigh波，主頻約為2.7s，主微震主頻約為16s，次級(jí)微震平均水平最高地區(qū)也位于沿海一帶，向內(nèi)陸方向呈衰減趨勢(shì)，其日變化明顯，與臺(tái)風(fēng)和潮高有較高的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：福建地區(qū);環(huán)境噪聲;功率譜密度;概率密度函數(shù);時(shí)空特性

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.94文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2019）01-0064-08

0引言

臺(tái)站環(huán)境噪聲是影響地震觀測(cè)質(zhì)量的主要因素之一，地震學(xué)家歷來(lái)重視其特性研究。地震環(huán)境噪聲可視為平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，依據(jù)隨機(jī)過(guò)程理論可用功率譜密度（PowerSpectralDensity，簡(jiǎn)稱(chēng)PSD）來(lái)表征其特性。Peterson（1993）研究了全球地震臺(tái)網(wǎng)75個(gè)固定臺(tái)站近2000條地震環(huán)境噪聲功率譜密度特性，定量給出了全球地震環(huán)境噪聲高噪聲模型（NHNM）和低噪聲模型（NLNM），該模型已成為衡量臺(tái)站環(huán)境噪聲水平的重要評(píng)判依據(jù)（李孝賓等，2017）。McNamara和Raymond（2004）在Peterson（1993）的研究基礎(chǔ)上運(yùn)用功率譜概率密度函數(shù)（ProbabilityDensityFunction，簡(jiǎn)稱(chēng)PDF）來(lái)統(tǒng)計(jì)分析環(huán)境噪聲水平，該方法能更加全面地反映地震環(huán)境噪聲的時(shí)空變化特性，近年來(lái)已被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外同行應(yīng)用。美國(guó)IRIS和ANSS數(shù)據(jù)中心已成功將該方法應(yīng)用于臺(tái)站數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控（McNamara，Boaz，2005;Díazetal，2010）。在國(guó)內(nèi)，吳建平等（2012）利用華北流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè)的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，研究華北地區(qū)地震環(huán)境噪聲特征;葛洪魁等（2013）和劉旭宙等（2014）結(jié)合流動(dòng)臺(tái)站連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算不同頻段范圍內(nèi)背景噪聲的加速度功率譜密度函數(shù)，研究了不同場(chǎng)地條件和環(huán)境噪聲下流動(dòng)地震觀測(cè)臺(tái)站的噪聲特征;楊龍翔等（2015）利用2008—2012年河南省地震臺(tái)網(wǎng)連續(xù)波形數(shù)據(jù)，計(jì)算三分量地震計(jì)記錄到的波形數(shù)據(jù)的功率譜密度和相應(yīng)的概率密度函數(shù)，對(duì)河南地震臺(tái)網(wǎng)背景噪聲進(jìn)行分析。

福建境內(nèi)峰嶺聳峙、丘陵連綿，河谷、盆地穿插其間，山地、丘陵占全省總面積的80%以上，東南地區(qū)濱臨臺(tái)灣海峽，海岸線長(zhǎng)達(dá)3752km，緊連環(huán)太平洋地震帶，屬于中強(qiáng)地震活動(dòng)較活躍的地區(qū)之一。對(duì)該地區(qū)地震環(huán)境噪聲水平的正確評(píng)估及其特性的全面了解，有助于進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)本地區(qū)噪聲特性的認(rèn)識(shí)以及提升本地區(qū)固定臺(tái)站或流動(dòng)臺(tái)站地震觀測(cè)質(zhì)量。廖詩(shī)榮和陳緋雯（2008）、徐嘉雋等（2010）、林彬華等（2015）將環(huán)境噪聲概率密度函數(shù)方法分別應(yīng)用于福建臺(tái)址勘選、福建地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)和噪聲異常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，截至2018年4月，尚沒(méi)有針對(duì)福建地區(qū)噪聲水平和特性的系統(tǒng)定量分析。鑒于此，筆者采用2014年福建地震臺(tái)網(wǎng)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各臺(tái)站環(huán)境噪聲功率譜概率密度函數(shù)，并分析其影響因素和不同頻段時(shí)空變化特性。

1數(shù)據(jù)和處理方法

定量分析臺(tái)站環(huán)境噪聲水平的通用方法是先計(jì)算噪聲加速度功率譜密度（PSD），進(jìn)而計(jì)算相應(yīng)的概率密度函數(shù)（PDF）。該方法在計(jì)算過(guò)程中不必特意挑選連續(xù)平靜的噪聲記錄，沒(méi)必要排除爆破、地震等突發(fā)事件，而是將所選數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，把所有擾動(dòng)事件作為低概率事件存在PDF中，故此PDF結(jié)果能較好地統(tǒng)計(jì)出臺(tái)站環(huán)境噪聲水平的動(dòng)態(tài)變化特性。

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

經(jīng)過(guò)20余年建設(shè)，截至2018年4月，福建地震臺(tái)網(wǎng)正式運(yùn)行的臺(tái)站有88個(gè)，其中73個(gè)配備寬頻帶地震計(jì)。本文收集了2014年73個(gè)寬頻帶地震臺(tái)（圖1）的三分量（UD，NS，EW）連續(xù)數(shù)字波形記錄，每個(gè)臺(tái)每天形成一個(gè)SAC格式數(shù)據(jù)文件。表1給出所用臺(tái)站地震儀型號(hào)的頻帶范圍，其中46個(gè)臺(tái)站帶寬120s～50Hz，27個(gè)臺(tái)站帶寬60s～50Hz，采樣率均為100Hz。所用臺(tái)站平均臺(tái)間距約為40km。

1.2處理方法

先將各臺(tái)站一天的三分量連續(xù)噪聲記錄去儀器響應(yīng)、均值和線性趨勢(shì)，再按長(zhǎng)度為327.68s（215個(gè)采樣點(diǎn)）進(jìn)行截取，為盡量降低噪聲PSD的方差，每段記錄重合率取50%，這樣每個(gè)臺(tái)站每一分量每天有526條數(shù)據(jù)段。每段數(shù)據(jù)計(jì)算自身功率譜概率密度函數(shù)步驟描述如下：

（1）為壓制計(jì)算數(shù)據(jù)序列傅里葉變換的旁瓣效應(yīng)，平滑傅里葉變換的計(jì)算結(jié)果，將正弦窗附加在數(shù)據(jù)序列上，加窗造成的影響在計(jì)算傅里葉變換后進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）計(jì)算數(shù)據(jù)序列的功率譜密度，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為PSD，以dB為單位進(jìn)行表示，以便于和全球低噪聲模型（NLNM）、全球高噪聲模型（NHNM）進(jìn)行對(duì)比分析。

（3）將得到的PSD進(jìn)行1/9倍頻程光滑，進(jìn)而得到在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上均勻分布的PSD。

（4）針對(duì)不同分析需求，采用不同臺(tái)站不同分量不同時(shí)間段數(shù)據(jù)序列集，重復(fù)步驟（1）～（3），計(jì)算PDF。

圖2給出2014年1月1日福建地震臺(tái)網(wǎng)AXCK臺(tái)站記錄的垂直向波形中所截取的一段噪聲數(shù)據(jù)，可以看出噪聲幅值量級(jí)為±0.5μm·s-1。圖3為該段序列經(jīng)過(guò)步驟（1）～（3）得到的原始和光滑后的加速度功率譜密度。圖4為2014年1月1日AXCK臺(tái)站垂直向數(shù)據(jù)526段序列在4個(gè)周期（0.05s，0.25s，5s，30s），以1dB為統(tǒng)計(jì)間隔的加速度功率譜密度分布直方圖，把所有周期的加速度功率譜密度分布用不同色標(biāo)表示出來(lái)即為McNamara和Raymond（2004）提出的PDF圖（圖5）。為進(jìn)一步表征臺(tái)站噪聲水平，通用做法是設(shè)定第5百分位數(shù)和第95百分位數(shù)分別表示噪聲功率譜密度的下限和上限水平;眾數(shù)是功率譜密度取值可能性最大的值，最能反映噪聲平均水平，但是在5Hz以上的頻段由于人為噪聲的影響，容易出現(xiàn)跳變;平均值表達(dá)噪聲綜合水平，容易受極值影響而偏離眾數(shù)統(tǒng)計(jì)較遠(yuǎn);中值統(tǒng)計(jì)曲線基本與眾數(shù)統(tǒng)計(jì)曲線在5Hz以下頻段基本重合，且曲線形態(tài)平滑。綜上分析，在后續(xù)的分析中取中值作為臺(tái)站平均噪聲水平的具體體現(xiàn)。

2福建地區(qū)環(huán)境噪聲特性分析

地震儀記錄到的噪聲主要由儀器自噪聲和環(huán)境噪聲構(gòu)成，現(xiàn)代寬頻帶地震儀在工作頻帶范圍內(nèi)自噪聲水平遠(yuǎn)低于環(huán)境噪聲（Ringler，Hutt，2010），故噪聲記錄可作為環(huán)境噪聲來(lái)分析。考慮到不同頻段噪聲的來(lái)源和特性不同，為便于對(duì)比分析，參照葛洪魁等（2013）的研究，根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源中共有頻帶范圍（40s～50Hz）分成4個(gè)頻段：高頻（0.025～0.2s）、短周期（0.2～1s）、微震（1～20s）、長(zhǎng)周期（20～40s）。已有研究表明：高頻段和短周期環(huán)境噪聲主要是由人類(lèi)活動(dòng)（交通、工業(yè)等）引起的（Webb，1998），部分也可能是由自然界因素引起的（Withers，etal，1996;Hillers，BenZion，2011）。如圖5所示，微震噪聲在1～10s和10～20s有2個(gè)峰值，分別稱(chēng)之為次級(jí)微震和主微震（Webb，1998;McNamara，Raymond，2004），其形成機(jī)制是海洋波與海底或海岸帶的非線性作用引起海底壓力脈動(dòng)（LonguetHiggins，1950）;長(zhǎng)周期噪聲主要來(lái)源于自然界風(fēng)、急流（瀑布或河流）、溫度變化、地傾斜等（Wilson??????? ，2002）。下面就上述4個(gè)噪聲頻段在福建地區(qū)的時(shí)空分布特性進(jìn)行分析。

2.1時(shí)變特性分析

為了對(duì)環(huán)境噪聲時(shí)變特性有較全面了解，先計(jì)算每個(gè)臺(tái)站垂直分量一年中每天同一時(shí)刻的PDF中值，然后按時(shí)間排序取3個(gè)典型臺(tái)站結(jié)果，分別代表工業(yè)發(fā)達(dá)、中等和一般地區(qū)噪聲平均水平，如圖6所示。從圖6中可以看出：高頻和短周期段07：00—18：00的功率譜密度要明顯高于其它時(shí)間段，在12：00左右則出現(xiàn)間歇性低谷期，F(xiàn)ACY臺(tái)反應(yīng)最明顯，夜間有不同程度的降低，LCGT臺(tái)完全處于低噪水平，而QZH臺(tái)則處于相對(duì)較強(qiáng)

的噪聲水平，這種特征和人類(lèi)的作息規(guī)律一致，表明高頻和短周期段噪聲主要為人為噪聲;微震和長(zhǎng)周期段噪聲水平基本保持不變，3個(gè)臺(tái)站均呈現(xiàn)出較高的一致性，說(shuō)明這3段頻帶范圍噪聲與人類(lèi)活動(dòng)相關(guān)性不大。2.2日變特性分析

為進(jìn)一步了解環(huán)境噪聲日變特性，結(jié)合時(shí)變特性分析結(jié)果，對(duì)分別代表福建沿海和內(nèi)陸平均水平的泉州臺(tái)（QZH）和南平臺(tái)（NPDK）進(jìn)行分析，這兩個(gè)臺(tái)站均位于山洞內(nèi)，觀測(cè)環(huán)境較好。為排除強(qiáng)烈的功率譜密度時(shí)變化對(duì)分析結(jié)果的影響，只使用每天00：00—06：00平均期的PDF中值按日排序。由圖7可得到：

（1）高頻和短周期段噪聲平均水平日變化除了在春節(jié)期間大幅下降外，其他時(shí)間均較為穩(wěn)定，這種現(xiàn)象在福建地震臺(tái)網(wǎng)所有臺(tái)站計(jì)算結(jié)果中均有反映，與QZH和NPDK臺(tái)比較結(jié)果一樣，該頻段范圍內(nèi)福建沿海地區(qū)平均噪聲水平均高于內(nèi)陸，這說(shuō)明了人為干擾是環(huán)境噪聲高頻和短周期段的主要來(lái)源。

（2）微震和長(zhǎng)周期段噪聲水平日變化明顯，但福建地震臺(tái)網(wǎng)所有臺(tái)站計(jì)算結(jié)果反映這種變化趨勢(shì)幾乎是一致的，能在整個(gè)區(qū)域內(nèi)形成這種一致的變化說(shuō)明該頻段范圍內(nèi)噪聲來(lái)源于自然因素。為進(jìn)一步分析噪聲來(lái)源問(wèn)題，將2014年對(duì)福建地區(qū)有一定影響的4個(gè)臺(tái)風(fēng)和天文大潮標(biāo)注于圖7，可以發(fā)現(xiàn)微震段的極值點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)和天文大潮在時(shí)間上吻合較好;對(duì)比QZH臺(tái)2.7s和16s處的PSD和廈門(mén)2014年2—12月每天00：00—06：00段潮汐潮高最大值，發(fā)現(xiàn)2.7s處的PSD與潮高相關(guān)性較高，而16s處則無(wú)明顯相關(guān)性。前人的研究結(jié)果（Longuet-Higgins，1950;Hasselmann，1963;Haubrich，McCamy，1944）表明，因海浪行波形成的微地震——主微震（Primarymicroseisms）較弱，主頻為10～20s;因風(fēng)浪與海底、海岸碰撞摩擦后形成強(qiáng)烈的反射波，逆行的反射波與海浪行進(jìn)波非線性耦合后進(jìn)一步形成很強(qiáng)的海浪駐波，駐波沖擊海底進(jìn)而激發(fā)強(qiáng)烈的微地震——次級(jí)微震（Secondarymicroseisms），其能量遠(yuǎn)大于原生微地震的能量，其主頻為1～10s。由圖5可知，福建地區(qū)2次微地震主頻約為2.7s，主微震主頻約為16s，結(jié)合金星和康蘭池（2007）的研究結(jié)果，筆者認(rèn)為福建地區(qū)噪聲微震段主要來(lái)源于海洋次級(jí)微震，且其日變化特性與臺(tái)風(fēng)和潮高有較高的相關(guān)性。

由圖可得：

（1）高頻和短周期段噪聲平均水平日變化除了在春節(jié)期間大幅下降外，均處于較為穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，這現(xiàn)象在福建測(cè)震臺(tái)網(wǎng)所有臺(tái)站計(jì)算結(jié)果均有反映。另外，對(duì)比沿海臺(tái)站和內(nèi)陸臺(tái)站結(jié)果，均顯示福建沿海該頻段范圍內(nèi)平均噪聲水高于內(nèi)陸，這仍說(shuō)明了人為干擾是環(huán)境噪聲高頻和短周期段的主要來(lái)源。

（2）前人的研究表明（Tanimoto，2007;Yao，Hilst，2009），次級(jí)微震形成的地脈動(dòng)信號(hào)主要由Rayleigh波組成。次級(jí)微震最高地區(qū)也位于沿海一帶，向內(nèi)陸方向呈衰減趨勢(shì)，垂直向比水平向高，也反映了該段噪聲主要成分是Rayleigh波。3結(jié)論

通過(guò)計(jì)算2014年福建地震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶地震儀連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的功率譜概率密度函數(shù)，可知福建地區(qū)2次微地震主頻約為2.7s，原生微地震主頻約為16s，針對(duì)福建地區(qū)環(huán)境噪聲特性進(jìn)行分析，可得：

（1）時(shí)變特性。高頻和短周期段于07：00—18：00的功率譜密度要明顯高于其它時(shí)間段，在12：00左右則出現(xiàn)間歇性低谷期，夜間有不同程度的降低，這種特征和人類(lèi)的作息規(guī)律一致，表明高頻和短周期段噪聲屬人文噪聲;微震和長(zhǎng)周期段噪聲水平隨當(dāng)?shù)貢r(shí)間基本保持不變。

（2）日變特性。高頻和短周期段噪聲平均水平日變化除了在春節(jié)期間大幅下降外，均處于較為穩(wěn)定態(tài)勢(shì);微震和長(zhǎng)周期段噪聲水平日變化明顯，與臺(tái)風(fēng)和潮高有較高的相關(guān)性。

（3）地區(qū)特性。人文噪聲最高的地區(qū)位于福建沿海福州至廈門(mén)一帶，該地區(qū)是福建經(jīng)濟(jì)和工業(yè)最為發(fā)達(dá)地區(qū)，也是人口密集地帶;次級(jí)微震最高地區(qū)也位于沿海一帶，向內(nèi)陸方向呈衰減趨勢(shì)，垂直向比水平向高，也反映了該段噪聲主要成分是Rayleigh波。

兩位審稿老師給出了寶貴意見(jiàn)，福建省地震局監(jiān)測(cè)中心提供了所需的地震噪聲數(shù)據(jù)，在此表示衷心感謝。

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Abstract

InordertoenhancetheunderstandingsofcharacteristicsofseismicnoiseandimproveobservationqualitiesoffixedormobileseismicstationsinFujianregion，weusecontinuouswaveformsofbroadbandseismographinFujianregionin2014tocalculatethepowerspectralprobabilitydensityfunction（PDF），anddiscusstheinfluencingfactorsandspace-timefeaturesofPDFindifferentfrequencies.Theresultsshowthat，theareaswiththehighesthumanactivityrelatednoisearelocatedinFuzhou-XiamenareaalongthecoastofFujianprovince.Thepowerspectraldensityat07：00—18：00isobviouslyhigherthanothertimes，andanintermittenttroughshowsataround12：00anddecreasestodifferentextentduringnighttime.ExceptasharpdropduringtheSpringFestivalholidays，thediurnalvariationwasquitestable.ThemaincomponentofthesecondarymicrotremorsinFujianregionisRayleighwavewithadominantfrequencyofabout2.7s，whilethedominantfrequencyoftheprimarymicrotremorsisabout16s.Thehighestlevelofthesecondarymicrotremorsmeanlevelisalsolocatedinthecoastalarea，andtendstodecayinland.Thereisanobviousdiurnalvariationforthesecondarymicrotremorsanditishighlycorrelatedwithtyphoonandtidalheight.

Keywords：Fujianregion;ambientnoise;powerspectraldensity;probabilitydensityfunction;temporal-spatialcharacteristics