2016年臺(tái)風(fēng)“尼伯特”激發(fā)微地動(dòng)的頻率特征分析

趙家慶 陳界宏 林立青

1)中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，地球物理與空間信息學(xué)院，武漢 430074 2)中國臺(tái)灣實(shí)驗(yàn)研究院，臺(tái)北 10622

0 引言

微地動(dòng)(Microseisms)是地球背景噪聲的主要組成部分(Faulkner et al，2018)，普遍存在于沿海地區(qū)寬頻帶地震儀信號(hào)中，信號(hào)的位移振幅一般為微米量級(jí)。20世紀(jì)初有學(xué)者觀測(cè)到微地動(dòng)現(xiàn)象(Wiechert，1904)，并且發(fā)現(xiàn)微地動(dòng)信號(hào)為波浪所激發(fā)(Gutenberg，1936；Bernard，1941)，其源主要分布在海洋和湖泊(Koper et al，2009)。Longuet-Higgins(1950)首次提出了微地動(dòng)產(chǎn)生機(jī)制的理論，Hasselmann(1963)對(duì)該理論進(jìn)行了補(bǔ)充，微地動(dòng)信號(hào)以表面波和體波形式進(jìn)行傳播(Lacoss et al，1969；Hasselmann，1963)，信號(hào)周期為0.5～20s(McNamara，2004；Gal et al，2019)。根據(jù)周期范圍和激發(fā)機(jī)理的不同，微地動(dòng)通常可以分為兩類(Ardhuin et al，2015)：?jiǎn)晤l微地動(dòng)(Single Frequency Microseisms，SF)，也稱為第一類微地動(dòng)(Primary Microseisms，PM)，周期為10～20s(Gal et al，2019)，其產(chǎn)生機(jī)制為海浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力傳導(dǎo)至海底，與海底地形耦合并轉(zhuǎn)換為地震波，與海浪具有相同的周期，因?yàn)楹＠水a(chǎn)生的壓力隨海水深度呈現(xiàn)指數(shù)型遞減，因此單頻微地動(dòng)的源區(qū)主要分布在淺水區(qū)域(Ardhuin，2018)；雙頻微地動(dòng)(Double Frequency Microseisms，DF)，又稱為第二類微地動(dòng)(Secondary Microseisms，SM)，其周期范圍為0.5～10s(Gal et al，2019)，雙頻微地動(dòng)的信號(hào)特征明顯，產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為其產(chǎn)生機(jī)制為兩列傳播方向相反、周期相近的海浪相互作用產(chǎn)生駐波，駐波產(chǎn)生二階壓力擾動(dòng)并傳導(dǎo)至海底轉(zhuǎn)換為地震波，其周期為海浪周期的一半(Longuet-Higgins，1950；Gualtieri et al，2013)，水體中的共振效應(yīng)在雙頻微地動(dòng)的激發(fā)過程中起了重要的作用(Gualtieri et al，2013)。Kedar等(2008)首次對(duì)Longuet-Higgins-Hasselmann理論使用數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證，Ardhuin等(2011)在Kedar等(2008)工作的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了擴(kuò)展，提出全球地震背景噪聲能量輻射模型(Global Model of Seismic Noise Energy Radiation)，該模型能夠模擬計(jì)算全球任意位置由海浪所致的雙頻微地動(dòng)合成理論功率譜，并加入了海岸線反射波浪的影響。由于雙頻微地動(dòng)產(chǎn)生于海浪間的相互作用，因此其既可以產(chǎn)生于遠(yuǎn)離海岸的深海區(qū)，也可以產(chǎn)生于近岸海域(Bromirski et al，2005)。很多學(xué)者通過單臺(tái)站法(Koper et al，2015；Schimmel et al，2011；Bromirski et al，2002；Stutzmann et al，2012)和臺(tái)陣法(Farra et al，2016；Webb，1998；Euler et al，2014；Liu et al，2016)研究微地動(dòng)源區(qū)位置的空間分布和時(shí)間變化。

臺(tái)風(fēng)作為一種強(qiáng)對(duì)流天氣，會(huì)引起海面波浪狀態(tài)發(fā)生改變，并激發(fā)出微地動(dòng)信號(hào)，國內(nèi)很多學(xué)者在寬頻帶地震儀和重力儀中觀測(cè)到了臺(tái)風(fēng)激發(fā)的微地動(dòng)信號(hào)，且近海附近的信號(hào)比內(nèi)陸地區(qū)更為明顯(張雁濱等，2010、2013；王梅等，2014、2018；蔣駿等，2012)。國內(nèi)多位學(xué)者分析了微地動(dòng)信號(hào)特征、源區(qū)分布及產(chǎn)生機(jī)制等，如Xiao等(2018)通過陸地地震儀和海底地震儀分析了中國南海微地動(dòng)的源區(qū)分布及變化；Lin等(2017、2018)分析了臺(tái)風(fēng)“Megi”期間不同頻段微地動(dòng)源區(qū)的位置分布，根據(jù)雙頻微地動(dòng)在0.1～0.2Hz頻段間的頻率彌散特征，分析了海面涌浪的分布和傳播過程。

本文使用日本和中國臺(tái)灣地區(qū)的寬頻帶地震儀數(shù)據(jù)，通過時(shí)頻分析和數(shù)值模擬方法，分析臺(tái)風(fēng)“尼伯特”激發(fā)的微地動(dòng)信號(hào)的頻譜變化特征及其產(chǎn)生原因，有助于加深我們對(duì)臺(tái)風(fēng)激發(fā)微地動(dòng)信號(hào)的了解。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)

臺(tái)風(fēng)“尼伯特”為2016年第1號(hào)臺(tái)風(fēng)(圖1)，本文使用的臺(tái)風(fēng)路徑、強(qiáng)度等信息來自日本國立情報(bào)研究所(1)http://www.agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon。2016年7月2日21時(shí)左右，“尼伯特”在西北太平洋洋面上生成，7月3日凌晨，美國聯(lián)合臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心(Joint Typhoon Warning Center，JTWC)將其歸為熱帶低壓，之后向西北方向移動(dòng)，當(dāng)日9時(shí)許，日本氣象廳(Japan Meteorological Agency，JMA)將其分類為熱帶風(fēng)暴，最大風(fēng)速18m/s；7月4日18時(shí)，“尼伯特”增強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，最大風(fēng)速達(dá)到25m/s；7月5日6時(shí)，“尼伯特”進(jìn)入菲律賓海，最大風(fēng)速發(fā)展至32m/s，JTWC和JMA將“尼伯特”升級(jí)為臺(tái)風(fēng)級(jí)別；至7月6日0時(shí)左右，尼伯特發(fā)展為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，最大風(fēng)速47m/s，當(dāng)日下午，最大風(fēng)速達(dá)到57m/s，臺(tái)風(fēng)中心氣壓900hPa，此后“尼伯特”繼續(xù)向西北方向移動(dòng)；7月7日21時(shí)左右，臺(tái)風(fēng)“尼伯特”在中國臺(tái)灣臺(tái)東縣登陸，強(qiáng)度開始減弱，7月9日6時(shí)左右，“尼伯特”再次在中國福建省石獅市登陸，當(dāng)日中午減弱為熱帶低壓后消散。

圖 1 地震臺(tái)站位置及臺(tái)風(fēng)“尼伯特”路徑(a)中黑色實(shí)線為臺(tái)風(fēng)“尼伯特”移動(dòng)路徑，空心圓圈的顏色和大小代表臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速的大??；黑色空心和實(shí)心正三角形為7月5日至7日0.2～0.4Hz功率譜密度值顯著增強(qiáng)的地震臺(tái)站，其中黑色實(shí)心正三角形為干擾信號(hào)較少的臺(tái)站；黑色空心倒三角形為7月5日至7日0.2～0.4Hz功率譜密度值無明顯增強(qiáng)的地震臺(tái)站；(b)、(c)和(d)分別為UMJ(134.04°E，33.58°N)、KGM(128.22°E，26.76°N)和B021臺(tái)站(121.57°E，25.10°N)2016年7月2日0時(shí)至2016年7月23日0時(shí)的垂向分量波形

1.2 地震儀波形數(shù)據(jù)

本文使用的寬頻帶地震儀數(shù)據(jù)來自中國臺(tái)灣地震工程研究中心和日本F-NET網(wǎng)站(2)http://www.fnet.bosai.go.jp/top.php，原始數(shù)據(jù)采樣頻率100Hz。首先對(duì)臺(tái)風(fēng)期間地震儀垂向分量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去儀器響應(yīng)、去線性趨勢(shì)、重新采樣至1Hz、去突跳信號(hào)。圖1(b)～(d)分別為UMJ、KGM、B021臺(tái)站7月2日0時(shí)至7月23日0時(shí)的波形圖，由圖可以發(fā)現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)期間，各臺(tái)站波形均出現(xiàn)了不同強(qiáng)度的幅值增強(qiáng)，包絡(luò)呈現(xiàn)紡錘狀。對(duì)于B021臺(tái)站和KGM臺(tái)站，在7月5日0時(shí)左右出現(xiàn)了明顯的波形幅值增強(qiáng)，對(duì)于北部離臺(tái)風(fēng)距離相對(duì)較遠(yuǎn)的UMJ臺(tái)站，在7月6日12時(shí)左右出現(xiàn)明顯波形幅值增強(qiáng)。

1.3 波形數(shù)據(jù)時(shí)頻特征分析

為分析臺(tái)“風(fēng)尼伯”特激發(fā)微地動(dòng)的頻譜特征，對(duì)臺(tái)風(fēng)期間地震儀波形數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換(Short-Time Fourier Transform，STFT)，數(shù)據(jù)窗口長度2048s，步長1024s，采樣頻率1Hz，窗函數(shù)為漢明窗。圖2(a)、2(c)、2(e)分別為B021、KGM和UMJ臺(tái)站7月3日12時(shí)至7月9日0時(shí)短時(shí)傅里葉變換所得的功率譜。

圖 2 臺(tái)站垂向地震波的短時(shí)傅里葉變換功率譜及等值線圖(a)、(c)和(e)分別為B021、KGM、UMJ臺(tái)站功率譜；(b)、(d)和(f)分別為B021、KGM、UMJ臺(tái)站功率譜等值線圖，層級(jí)數(shù)均為20；(b)、(d)中黑色虛線表示功率譜密度(Power Spectral Density，PSD)增強(qiáng)頻段的低頻值變化趨勢(shì)

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

分析圖2(a)、2(c)、2(e)發(fā)現(xiàn)，在3個(gè)臺(tái)站的功率譜中，均記錄到了由于臺(tái)風(fēng)所導(dǎo)致的0.1～0.45Hz頻率區(qū)間的PSD增強(qiáng)，但不同時(shí)刻PSD增強(qiáng)的頻率段有所不同。對(duì)于B021臺(tái)站(圖2(a))，在7月5日5時(shí)前后，0.4Hz頻率左右出現(xiàn)了明顯的PSD增強(qiáng)現(xiàn)象，然后由高頻轉(zhuǎn)至低頻，7月7日0時(shí)PSD增強(qiáng)頻率變化至約0.2Hz，為分析0.2～0.4Hz頻段的頻率變化特點(diǎn)，我們繪制了7月3日12時(shí)至7月9日0時(shí)的功率譜等值線圖，如圖2(b)所示，由圖可見，自7月5日5時(shí)至7月7日0時(shí)左右，PSD增強(qiáng)頻段的低頻值逐漸變小，如圖2(b)中黑色虛線所示。

對(duì)于KGM臺(tái)站(圖2(c))，7月5日0時(shí)約0.4Hz頻率附近出現(xiàn)PSD增強(qiáng)，7月6日19時(shí)PSD增強(qiáng)頻率變化至約0.2Hz，其頻率變化如圖2(d)中黑色虛線所示。

對(duì)于位于相對(duì)北部的UMJ臺(tái)站，其功率譜(圖2(e))和功率譜等值線(圖2(f))中未發(fā)現(xiàn)類似B021和KGM臺(tái)站在約7月5日0時(shí)至7月7日0時(shí)之間的頻率變化特征。

我們分析了中國臺(tái)灣和日本共117個(gè)寬頻帶地震儀垂向分量波形數(shù)據(jù)的功率譜，發(fā)現(xiàn)在約7月5日至7日之間，存在0.2～0.4Hz頻段PSD增強(qiáng)及頻率由約0.4Hz向0.2Hz變化特點(diǎn)的臺(tái)站共33個(gè)，主要分布在中國臺(tái)灣、琉球群島及屋久島，如圖1(a)中黑色正三角形所示。日本屋久島以北地區(qū)的臺(tái)站，在約7月5日至7日之間0.2～0.4Hz頻段雙頻微地動(dòng)信號(hào)不明顯，頻譜中0.2～0.4Hz無明顯PSD增強(qiáng)，臺(tái)站分布如圖1(a)中黑色空心倒三角形所示。

為了分析約7月5日至7日之間PSD增強(qiáng)頻率由高頻(約0.4Hz)轉(zhuǎn)至低頻(約0.2Hz)現(xiàn)象在不同臺(tái)站出現(xiàn)的時(shí)間分布特征，計(jì)算每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的0.3～0.4Hz頻段PSD值之和(圖3(a))，并得到PSD隨時(shí)間變化曲線(圖3(b))，選擇7月4日12時(shí)開始(圖3(b)中豎直虛線)從左至右第一個(gè)局部最大值點(diǎn)，作為臺(tái)風(fēng)初始影響點(diǎn)(圖3(b)中黑色實(shí)心圓點(diǎn))，記錄臺(tái)風(fēng)初始影響點(diǎn)所在時(shí)間，用該時(shí)間作為當(dāng)前臺(tái)站頻率由高頻(約0.4Hz)轉(zhuǎn)至低頻(約0.2Hz)現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間。我們選擇了干擾信號(hào)較少的14個(gè)臺(tái)站(圖1(a)中黑色實(shí)心正三角形)，分別提取了每個(gè)臺(tái)站的臺(tái)風(fēng)初始影響點(diǎn)，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)大部分臺(tái)站，當(dāng)臺(tái)風(fēng)與臺(tái)站距離在1500～2000km之間時(shí)，地震儀垂向分量信號(hào)出現(xiàn)PSD增強(qiáng)頻率由高頻(約0.4Hz)轉(zhuǎn)至低頻(約0.2Hz)的現(xiàn)象。

圖 3 KGM臺(tái)站7月3日12時(shí)至7月9日12時(shí)PSD之和的變化情況(a)中上下平行的2條虛線分別為計(jì)算0.3～0.4Hz頻段PSD值之和的上限頻率和下限頻率；(b)中藍(lán)色實(shí)線為0.3～0.4Hz 頻段PSD值之和隨時(shí)間的變化情況；豎直虛線表示7月4日12時(shí)，即判斷臺(tái)風(fēng)初始影響的開始時(shí)間；黑色實(shí)心圓點(diǎn)表示臺(tái)風(fēng)初始影響點(diǎn)

圖 4 不同臺(tái)站的臺(tái)風(fēng)初始影響分布灰色曲線代表不同地震臺(tái)站0.3～0.4Hz頻段PSD值之和隨時(shí)間的變化情況；曲線中虛線部分表示臺(tái)風(fēng)距離臺(tái)站1500～2000km；黑色實(shí)心圓點(diǎn)為臺(tái)風(fēng)初始影響點(diǎn)

3 雙頻微地動(dòng)數(shù)值模擬

在臺(tái)風(fēng)“尼伯特”的影響下，約7月5日至7日之間，雙頻微地動(dòng)信號(hào)在0.2～0.4Hz頻段PSD增強(qiáng)且頻率由高頻(約0.4Hz)轉(zhuǎn)至低頻(約0.2Hz)，單頻微地動(dòng)信號(hào)無明顯變化，因此我們對(duì)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”所激發(fā)的雙頻微地動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)值模擬，以探究雙頻微地動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生上述頻率變化的可能原因。

圖 5 垂向分量地震數(shù)據(jù)功率譜和全球地震背景噪聲能量輻射模型模擬結(jié)果(a)KGM臺(tái)站垂向分量地震數(shù)據(jù)功率譜；(b)、(c)分別為在有海岸線反射效應(yīng)和無海岸線反射效應(yīng)情況下，全球地震背景噪聲能量輻射模型模擬所得的合成功率譜

4 討論與結(jié)論4.1 討論

通過上述分析可知，對(duì)于B021和KGM臺(tái)站，約7月5日至7日之間雙頻微地動(dòng)信號(hào)明顯，0.2～0.4Hz頻段PSD增強(qiáng)，且自約7月5日至7日，PSD增強(qiáng)頻率由約0.4Hz轉(zhuǎn)至約0.2Hz(圖2(b)、2(d))，出現(xiàn)這種頻率變化特點(diǎn)的臺(tái)站主要分布在中國臺(tái)灣、琉球群島和屋久島地區(qū)，屋久島以北的地震臺(tái)站0.2～0.4Hz頻率變化現(xiàn)象不明顯。通過提取臺(tái)風(fēng)初始影響點(diǎn)，我們分析了14個(gè)地震臺(tái)站出現(xiàn)頻率變化現(xiàn)象的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)生這種頻率變化時(shí)，臺(tái)風(fēng)距離臺(tái)站的距離集中在1500～2000km之間。

雙頻微地動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制為頻率相近、傳播方向相反的兩列波浪相互作用產(chǎn)生駐波，駐波產(chǎn)生二階壓力作用于海底所致。Ardhuin等(2011)提出產(chǎn)生雙頻微地動(dòng)的海況，其中在單個(gè)風(fēng)暴作用下產(chǎn)生雙頻微地動(dòng)的海況有2種：①風(fēng)暴快速移動(dòng)，不同時(shí)刻產(chǎn)生的頻率相近、傳播方向相反的波浪相互作用激發(fā)微地動(dòng)；②波浪向岸傳播并被海岸線反射，反射的離岸波浪與向岸傳播波浪發(fā)生相互作用，激發(fā)微地動(dòng)。

4.2 結(jié)論

在臺(tái)風(fēng)“尼伯特”期間，當(dāng)臺(tái)風(fēng)距離中國臺(tái)灣、琉球群島及屋久島地區(qū)的寬頻帶地震臺(tái)站1500～2000km時(shí)，在地震儀垂向分量信號(hào)功率譜中，記錄到0.2～0.4Hz頻段功率譜密度增強(qiáng)且增強(qiáng)頻率由約0.4Hz轉(zhuǎn)至0.2Hz的現(xiàn)象，此現(xiàn)象主要為海岸線反射效應(yīng)所致，即由臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的向岸傳播的波浪被海岸線反射，反射波浪與頻率相近、傳播方向相反的向岸傳播波浪發(fā)生相互作用，激發(fā)出0.2～0.4Hz頻段的雙頻微地動(dòng)信號(hào)。