瓊中地震臺(tái)PET重力儀和CTS-1EF地震計(jì)記錄的熱帶氣旋信號(hào)特征分析

李盛 周雯 張慧 余宙 吳佳林

（中國(guó)?？?570203 海南省地震局）

0 引言

隨著中國(guó)地震局“十五”數(shù)字化地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目和背景場(chǎng)項(xiàng)目的實(shí)施，地震臺(tái)站利用寬頻帶（甚寬頻帶）地震儀、秒采樣的數(shù)字化連續(xù)重力儀的測(cè)項(xiàng)逐漸增加，尤其是同址觀測(cè)的實(shí)現(xiàn)，為研究寬頻帶（甚寬頻帶）地震儀、秒采樣的數(shù)字化連續(xù)重力儀觀測(cè)信號(hào)的特征，深入挖掘其所蘊(yùn)含的科學(xué)信息提供了便利。連續(xù)重力固體潮汐觀測(cè)數(shù)據(jù)可以較好地反映地球固體潮汐的日波、半日波特征及地震孕育過(guò)程的中期特征（國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1995）。重力固體潮連續(xù)觀測(cè)可以記錄與潮汐變化有關(guān)的地殼運(yùn)動(dòng)，精確觀測(cè)地球系統(tǒng)各圈層物質(zhì)遷移所引起的重力變化效應(yīng)，是研究固體地球內(nèi)部構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)特征的重要物理量之一。CTS-1EF 地震計(jì)是高靈敏度、寬頻帶、高性能新型地震計(jì)，目前已廣泛應(yīng)用于我國(guó)的地震監(jiān)測(cè)中，其傳感系統(tǒng)具有甚寬頻帶、大動(dòng)態(tài)、三分量等特征，可記錄50 Hz—120 s 帶寬的信號(hào)，但該地震計(jì)不能記錄固體潮等長(zhǎng)周期信號(hào)。

已有研究表明，與地震計(jì)相同，連續(xù)觀測(cè)的重力儀也能清晰記錄地震波信號(hào)。周江林等（2015）通過(guò)研究北京地震臺(tái)gPhone 型重力儀同震響應(yīng)特征認(rèn)為，相對(duì)于寬頻帶地震計(jì)，gPhone 型重力儀也能提供地震引起的地面運(yùn)動(dòng)信息，其首波初至、地震頻帶響應(yīng)等特征與寬頻帶地震計(jì)高度相似，且gPhone 型重力儀對(duì)長(zhǎng)周期地震面波響應(yīng)較好，表現(xiàn)出其獨(dú)有的特性；王林松等（2012）通過(guò)分析2011 年3 月11 日東日本9.0 級(jí)地震重力信號(hào)同震響應(yīng)認(rèn)為，由震后12 h 數(shù)據(jù)經(jīng)帶通濾波可以分辨7個(gè)環(huán)繞地球傳播的瑞雷波記錄，且在低頻范圍內(nèi)（5×10-3Hz 以下）檢測(cè)到43 個(gè)地球自由振蕩基頻振型及52 個(gè)諧頻振型，其分布與理論模型吻合較好。其中，在1×10-3Hz 以下的低頻段觀測(cè)到4 個(gè)振型的譜峰分裂現(xiàn)象。不僅對(duì)地震，對(duì)于臺(tái)風(fēng)等熱帶氣旋強(qiáng)對(duì)流天氣，地震儀和重力儀同樣可以記錄信息，且觀測(cè)結(jié)果能夠相互佐證（郝曉光等，2008；胡小剛等，2010；蔣駿等，2010，2012；張雁濱等，2013；王梅等，2014；李盛等，2016）。

瓊中基準(zhǔn)地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱瓊中臺(tái)）位于海南島陸中部，擁有重力、地磁、地電和測(cè)震等測(cè)項(xiàng)，是我國(guó)最南端的連續(xù)重力觀測(cè)臺(tái)站。本文利用瓊中臺(tái)PET 重力儀、CTS-1EF 地震計(jì)記錄到的熱帶氣旋信號(hào)的波形和頻譜特征，分析了PET 重力儀、CTS-1EF 地震計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的特征。

1 臺(tái)站、儀器概況

瓊中臺(tái)位于海南省瓊中縣縣城營(yíng)根鎮(zhèn)東南,地處海南島中部五指山區(qū)木頭山東北側(cè)小山間盆地，屬國(guó)家Ⅰ類臺(tái)。受熱帶季風(fēng)氣候影響，臺(tái)站高溫多雨的氣候特征顯著，年降水量達(dá)2 000 mm，年氣溫為8—37 ℃。臺(tái)站地處區(qū)域性基底隆起的花崗巖侵入地區(qū)，地殼穩(wěn)定性較好，巖基為海西—印支期花崗巖，巖性致密、堅(jiān)硬，屬混合花崗巖，周圍10 km內(nèi)無(wú)大斷裂通過(guò)。瓊中臺(tái)地質(zhì)地理位置見(jiàn)圖1。

圖1 瓊中地震臺(tái)位置Fig.1 The location map of Qiongzhong Seismic Station

瓊中臺(tái)連續(xù)重力觀測(cè)采用美國(guó)Micro-g LaCoste Inc 公司生產(chǎn)的PET 型重力儀，這是一種全自動(dòng)型重力儀，可用于測(cè)量地球各點(diǎn)重力隨時(shí)間的變化，也可以檢測(cè)周期從秒到若干年的地球物理、地球動(dòng)力學(xué)效應(yīng)所導(dǎo)致的微小重力場(chǎng)變化。儀器主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 PET 型重力儀主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 The main specifications of PET gravimeter

CTS-1EF型寬頻帶地震計(jì)帶寬為50 Hz—120 s，速度輸出平坦，靈敏度為2×1 000 V/(m·s-1)，最大輸入幅度1×10-2m·s-1，動(dòng)態(tài)范圍140 dB，采樣率100 Hz。

2 PET 型重力儀與CTS-1EF 型地震計(jì)波形對(duì)比

海南是臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，瓊中臺(tái)所在的海南島中部氣候類型為典型的熱帶季風(fēng)氣候，其主要特點(diǎn)是全年高溫，降水分旱、雨兩季，季風(fēng)顯著，盛行熱帶氣旋。受熱帶季風(fēng)氣候的影響，高溫多雨的氣候特征顯著，年降水量達(dá)2 000 mm，年氣溫為8—37℃，月溫差為10℃，每年4—10 月為雷雨季節(jié)，7—10 月為臺(tái)風(fēng)季節(jié)。

熱帶氣旋的強(qiáng)度一般根據(jù)平均風(fēng)速進(jìn)行評(píng)定，當(dāng)?shù)讓又行母浇畲笃骄L(fēng)速大于32.7 m·s-1時(shí)，將其稱為臺(tái)風(fēng)。2009—2016 年，共有23 個(gè)臺(tái)風(fēng)級(jí)以上的熱帶氣旋在瓊中臺(tái)300 km 范圍內(nèi)活動(dòng)。限于篇幅，本文僅選擇較有代表性的3 個(gè)熱帶氣旋——“威馬遜”“海鷗”“莎莉嘉”（臺(tái)風(fēng)的詳細(xì)信息可通過(guò)網(wǎng)址http://typhoon.zjwater.gov.cn/default.aspx###進(jìn)行查詢）為例進(jìn)行分析，研究其對(duì)瓊中臺(tái)重力非潮汐變化的影響。

PET 型重力儀觀測(cè)的原始重力數(shù)據(jù)（秒采樣）包含潮汐、非潮汐信號(hào)（含地震波、漂移等）及其他干擾等信息；而CTS-1EF 型寬頻帶地震計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)不包含1/3 日波、半日波、周日波等長(zhǎng)周期（極低頻）潮汐波信號(hào)，無(wú)零漂等現(xiàn)象。因此，應(yīng)用Tsoft 軟件對(duì)重力觀測(cè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐改正和零漂改正，獲得改正后的重力殘差信號(hào)。因地震計(jì)的采樣率為100 Hz，而重力儀的采樣率為1 Hz，因此須將地震計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)降采樣為1 Hz（取垂直方向）。由于PET型重力儀觀測(cè)的是重力加速度值，其單位是10-8m·s-2；而地震計(jì)觀測(cè)的是速度值，其單位是10-8m·s-1，因此采用2 種方式將二者歸算到統(tǒng)一的物理量進(jìn)行比較：一是對(duì)降采樣的垂直向地震計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)，使其變?yōu)榧铀俣戎?；二是?duì)重力殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，使其轉(zhuǎn)化成速度值，再與地震計(jì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。以下分析中，分別選取受熱帶氣旋活動(dòng)影響的重力儀、地震計(jì)記錄到的數(shù)據(jù)波形作為實(shí)例，采用這2 種方式進(jìn)行歸一化比較。

2.1 速度

“威馬遜”“海鷗”“莎莉嘉”等3 個(gè)熱帶氣旋信息列于表2。首先，對(duì)比受熱帶氣旋影響的積分后重力殘差數(shù)據(jù)與地震計(jì)原始數(shù)據(jù)波形（即比較速度值）（圖2）。需要說(shuō)明的是，對(duì)連續(xù)重力原始秒數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐改正，改正的是理論固體潮值，重力殘差數(shù)據(jù)中仍會(huì)殘留一些固體潮信號(hào)，若用消除理論固體潮后的重力殘差數(shù)據(jù)直接進(jìn)行積分，則積分后的重力殘差數(shù)據(jù)固體潮信息仍很明顯，與地震計(jì)數(shù)據(jù)相比，差別較大。為此，在對(duì)消除理論固體潮信號(hào)的重力殘差進(jìn)行積分之前，需先進(jìn)行高通濾波，高通濾波的截止頻率定為0.01 Hz，這樣即可完全消除固體潮等長(zhǎng)周期信號(hào)。圖2 中的截取波形基本包含了熱帶氣旋在積分后重力殘差數(shù)據(jù)與地震計(jì)原始數(shù)據(jù)上擾動(dòng)產(chǎn)生、升高、擾動(dòng)高潮和擾動(dòng)消減（2014 年7 月19 日瓊中臺(tái)地震計(jì)原始數(shù)據(jù)缺失，未能完全呈現(xiàn)“威馬遜”熱帶氣旋影響消減過(guò)程的波形）。3 個(gè)熱帶氣旋分別在積分后重力殘差數(shù)據(jù)上及地震計(jì)原始數(shù)據(jù)上產(chǎn)生的最大擾動(dòng)幅度見(jiàn)表3。結(jié)合圖2、表2、表3 來(lái)看，3 個(gè)熱帶氣旋的重力儀、地震計(jì)波形基本類似。但在熱帶氣旋影響較小時(shí)段，可明顯看出地震計(jì)波形的穩(wěn)定性稍差，有所起伏；而積分后的重力高通濾波波形則無(wú)起伏，這應(yīng)與地震計(jì)、重力儀記錄的背景噪聲不同有關(guān)。在熱帶氣旋引起的擾動(dòng)幅度方面，重力高通濾波積分后的波形與地震計(jì)波形擾動(dòng)幅度均與熱帶氣旋中心與瓊中臺(tái)間的距離成正比；與地震波形情況一致（李盛等，2018），地震計(jì)數(shù)據(jù)的最大擾動(dòng)幅度大于重力儀數(shù)據(jù)，3 個(gè)熱帶氣旋的地震計(jì)、重力儀數(shù)據(jù)最大擾動(dòng)幅度比分別1.110:1、1.070:1 和1.002:1；“莎莉嘉”熱帶氣旋引起的信號(hào)擾動(dòng)幅度最大，其次是“海鷗”熱帶氣旋的，最小為“威馬遜”熱帶氣旋的，這說(shuō)明盡管“威馬遜”熱帶氣旋風(fēng)速、最大風(fēng)力均最大，但因其臺(tái)風(fēng)中心最接近瓊中臺(tái)時(shí)的距離最大，所以引起的最大擾動(dòng)幅度反而最小。

表2 3 個(gè)熱帶氣旋的信息Table 2 The information of the 3 tropical cyclone

表3 3 個(gè)熱帶氣旋分別在積分后重力殘差數(shù)據(jù)上及地震計(jì)原始數(shù)據(jù)上產(chǎn)生的最大擾動(dòng)幅度Table 3 The information of waveforms recorded by seismometer and gravimeter

圖2 重力殘差高通濾波積分后波形、地震計(jì)記錄地震波形和熱帶氣旋中心與瓊中地震臺(tái)間的距離（a）“威馬遜”熱帶氣旋；（b）“海鷗”熱帶氣旋；（c）“莎莉嘉”熱帶氣旋Fig.2 The waveform after high-pass filter integral of gravity residual,the seismic waveform of seismometer recorded and the distance between tropical storm center and Qiongzhong Seismic Station

時(shí)頻分析（JTFA）即時(shí)頻聯(lián)合域分析（joint time-frequency analysis）的簡(jiǎn)稱，作為分析時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)的有力工具已成為現(xiàn)代信號(hào)處理研究的熱點(diǎn)之一。時(shí)頻分析方法提供了時(shí)間域與頻率域的聯(lián)合分布信息，可清楚描述信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化。圖3 為“海鷗”熱帶氣旋影響期間重力殘差高通濾波積分與地震計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)頻曲線。由圖3 可見(jiàn)，在0.150 Hz 以下的低頻段，重力儀記錄的信號(hào)強(qiáng)度比地震計(jì)的大得多。已有研究表明，熱帶氣旋的信號(hào)頻段主要為0.125—0.250 Hz（李杰等，2009；鐘繼茂等，2015；王新勝等，2016；李盛等，李盛等，2018；李盛，2020），由圖3 也可見(jiàn)，重力殘差高通濾波積分與地震計(jì)數(shù)據(jù)在0.125—0.250 Hz 頻段的信號(hào)較強(qiáng)，也即二者受“海鷗”熱帶氣旋影響明顯。

圖3 受“海鷗”熱帶氣旋影響的重力殘差高通濾波積分值（a）、地震計(jì)記錄地震波形時(shí)頻圖（b）Fig.3 The time-frequency map of high-pass filter integral of the gravity residual in Qiongzhong station (a) and the seismic waveform recorded by the seismometer (b)during the influence of “Seagull”

2.2 加速度

圖4 為“海鷗”熱帶氣旋影響期間重力殘差數(shù)據(jù)與測(cè)震求導(dǎo)數(shù)據(jù)的波形（即加速度）。由圖4 可見(jiàn)，積分后重力殘差數(shù)據(jù)與地震計(jì)原始波形數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果一致（地震計(jì)原始數(shù)據(jù)最大擾動(dòng)幅度為4 002.6×10-8m·s-2，重力儀殘差數(shù)據(jù)最大擾動(dòng)幅度為3 905.5×10-8m·s-2，擾動(dòng)幅度比為1.02），在此不再贅述。圖5 為“海鷗”熱帶氣旋影響期間重力殘差和測(cè)震求導(dǎo)數(shù)據(jù)頻譜對(duì)比。由圖5 可見(jiàn)，二者的頻譜特征一致性較好，與前述時(shí)頻圖（圖3）的情況類似，在0.150 Hz 以下的低頻段，重力殘差數(shù)據(jù)比地震計(jì)求導(dǎo)數(shù)據(jù)信號(hào)強(qiáng)；在0.125—0.250 Hz信號(hào)較強(qiáng)，這表明信號(hào)受熱帶氣旋影響明顯。

圖4 2014 年“海鷗”熱帶氣旋影響期間重力殘差和測(cè)震求導(dǎo)數(shù)據(jù)波形對(duì)比（a）重力儀；（b）地震計(jì)Fig.4 The comparison of gravity residuals and derivation data of seismic waveforms during the influence of“Seagull”

圖5 “海鷗”熱帶氣旋影響期間重力殘差和測(cè)震求導(dǎo)數(shù)據(jù)頻譜對(duì)比（a）重力儀；（b）地震計(jì)Fig.5 The comparison of spectra of gravity residuals and derivation data of seismic waveforms during the influence of“Seagull”

3 結(jié)論與討論

通過(guò)比較速度、加速度2 個(gè)物理量的方式，對(duì)PET 型重力儀、CTS-1EF 型地震計(jì)記錄的熱帶氣旋信號(hào)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

（1）無(wú)論是比較加速度值（重力殘差和測(cè)震數(shù)據(jù)求導(dǎo)）還是速度值（重力殘差高通濾波后積分和地震計(jì)原始數(shù)據(jù)），記錄到的熱帶氣旋信號(hào)波形均具有很好的一致性。

（2）3 個(gè)熱帶氣旋的重力殘差高通濾波積分?jǐn)?shù)據(jù)與地震計(jì)原始數(shù)據(jù)在0.150 Hz 以下低頻段的頻譜特征有所差異，這主要表現(xiàn)為重力殘差高通濾波積分?jǐn)?shù)據(jù)在該頻段內(nèi)信號(hào)較強(qiáng)，表明重力儀相對(duì)于地震計(jì)更善于捕捉長(zhǎng)周期信號(hào)。而在0.150—0.250 Hz 頻段，二者信號(hào)均較強(qiáng)，這也進(jìn)一步表明熱帶氣旋信號(hào)主頻段為0.125—0.250 Hz。

（3）3 個(gè)熱帶氣旋對(duì)PET 重力儀與CTS-1EF 寬頻帶地震計(jì)所記錄的速度值和加速度值均產(chǎn)生明顯擾動(dòng)影響，且PET 重力儀的最大擾動(dòng)幅度均小于地震計(jì)，但差異很小，這可能與2 臺(tái)儀器墩體位置的細(xì)微差異有關(guān)。

因此，在對(duì)臺(tái)站PET（gPhone）型重力儀進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤分析時(shí)，對(duì)于一些不明原因的擾動(dòng)，若不能判斷是否受到熱帶氣旋擾動(dòng)的影響，可結(jié)合寬頻帶地震計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以排除或確認(rèn)擾動(dòng)的來(lái)源。

已有研究主要側(cè)重于重力儀、地震計(jì)記錄的地震波形特征。本文結(jié)合海南的氣候特點(diǎn)，研究了PET 型重力儀和CTS-1EF 型地震計(jì)所記錄的熱帶氣旋信號(hào)特征，所得結(jié)果有助于更全面地認(rèn)識(shí)重力儀、地震計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的特性。