五指山臺洞體形變觀測資料對熱帶氣旋的響應(yīng)特征研究＊

郭昱琴 李 盛 張 慧 吳 雙

（海南省地震局，海南海口 570203）

引言

我國臺灣、華南和華東沿海是世界上受熱帶氣旋襲擊最頻繁和災(zāi)害深重的區(qū)域之一，處于最南端的海南省臺風(fēng)災(zāi)害尤為嚴(yán)重[1]。近年來從熱帶氣旋角度研究地震受到越來越多的關(guān)注[2-4]。海南省地震局一些學(xué)者也多次研究了熱帶氣旋活動期間對海南流體、重力等觀測數(shù)據(jù)的影響。顧申宜等[5]認(rèn)為，井水位抖動現(xiàn)象與熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、發(fā)展和運(yùn)動過程密切相關(guān)；李盛等[6]認(rèn)為，熱帶氣旋登陸海南島陸前后，瓊中臺重力非潮汐變化值有所增大，其增大的幅度量級為10×10-8m/s2左右，和風(fēng)速、風(fēng)力及臺風(fēng)中心與重力儀的距離有關(guān)。但在定點(diǎn)形變儀器方面目前還未見研究，據(jù)張雁濱等[7]對西太平洋熱帶氣旋的研究表明，震顫波的強(qiáng)度主要與熱帶氣旋的強(qiáng)度、運(yùn)動路徑以及氣旋中心到地震觀測臺站的距離等直接相關(guān)；震顫信號的持續(xù)時間與熱帶氣旋的生命過程基本相符，震顫信號的擾動周期集中在3—7 s，強(qiáng)震顫的時間大多為2—3 d，特征呈紡錘狀疊加在觀測背景上。寬頻帶傾斜儀、重力儀也同樣觀測到了這種震顫信號。本人利用五指山臺2015—2018年數(shù)字化觀測資料，對記錄到的熱帶氣旋影響震顫波進(jìn)行分析研究。

1 臺站基本概況

五指山形變臺位于五指山市沖山鎮(zhèn)阿里山度假村旁太平山山麓半山腰（18.79°N，109.53°E）（圖1），該區(qū)域廣泛出露二疊系花崗巖和三疊系花崗巖[8]。其中五指山臺周圍基巖裸露，均為花崗巖類，且10 km范圍內(nèi)無大斷裂通過，地殼穩(wěn)定性較好。

圖1 五指山臺站構(gòu)造位置及儀器布設(shè)圖Fig. 1 Structure location and instrument layout of Wuzhishan Station

臺站洞體基巖堅硬完整，致密均勻，測點(diǎn)周邊觀測環(huán)境也較為穩(wěn)定。臺站為無人值守臺站，觀測山洞由部隊防空洞改建。 “十五” 期間，架設(shè)的觀測儀器有DSQ水管傾斜儀、VP垂直擺和SSY銦瓦棒伸縮儀。其中DSQ水管傾斜儀和SSY銦瓦棒伸縮儀布設(shè)在主洞室內(nèi)，兩者相同分量的儀器部件平行布設(shè)且共用同一槽體，VP垂直擺則布設(shè)在主洞室南側(cè)的側(cè)洞室。洞室年溫度變化幅度小于0.2℃，日變幅度小于0.1℃，濕度小于80%。觀測山洞周邊無明顯干擾。

2 資料分析

2.1 原始曲線高頻干擾特征

五指山臺傾斜儀自觀測以來，多次記錄到日變固體潮曲線呈紡錘狀形態(tài)。2016年10月17日VP垂直擺傾斜NS和EW兩分量出現(xiàn)高頻震蕩、固體潮曲線加粗，18日震蕩現(xiàn)象加重，強(qiáng)震顫時間持續(xù)30個小時，NS分量記錄幅度大于EW分量。統(tǒng)計2015年1月1日—2018年6月30日儀器記錄到固體潮曲線出現(xiàn)變粗或畸變時，以臺站為中心點(diǎn)500 km范圍內(nèi)熱帶氣旋對形變儀器原始曲線的影響特征（表1）。

由于不同儀器的工作原理、格值及物理指示意義均不相同，因而不同測項不同儀器對同一種信息源的響應(yīng)也不相同。傾斜類儀器的熱帶氣旋響應(yīng)能力明顯高于應(yīng)變類儀器，特別是VP垂直擺的響應(yīng)能力最強(qiáng)，DSQ水管儀次之。除采樣率可能在一定程度上影響觀測結(jié)果外，還有可能是因為同震響應(yīng)的最大幅度與臺站儀器的固有頻率有較強(qiáng)的關(guān)系。VP垂直擺自振周期較小，能捕捉到更多的高頻信息，而DSQ水管儀內(nèi)部液體的性質(zhì)在一定程度上決定了該儀器具有相對較穩(wěn)定的特性。SSY伸縮儀的風(fēng)擾響應(yīng)能力最弱，原始曲線無記錄。尤其是在臺風(fēng)風(fēng)力越大、登陸點(diǎn)越近時，例如臺風(fēng)Doksuir經(jīng)過時，DSQ水管儀和VP垂直擺原始曲線都有不同程度的變粗，形態(tài)也發(fā)生畸變，呈現(xiàn)紡錘形，振幅高于正常時段（表1）。臺風(fēng)Mujigae風(fēng)力15級，登陸點(diǎn)距離觀測點(diǎn)260 km，DSQ水管儀原始數(shù)據(jù)曲線卻未受影響，可能與兩次臺風(fēng)路徑和登陸點(diǎn)距臺站的方位不一致有關(guān)系（臺風(fēng)Doksuir登陸點(diǎn)為越南廣平，而強(qiáng)臺風(fēng)Mujigae登陸點(diǎn)為廣東湛江）。

2.2 震顫信號高頻特征

結(jié)合表1中不同臺風(fēng)對定點(diǎn)形變儀器的干擾特征，以臺風(fēng)Sonca為例，利用快速傅里葉變換，分析特殊環(huán)境下的干擾信號，三套儀器觀測到的同一氣旋引起的震顫波信號的頻譜特征相似（圖2）。對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較高的6次熱帶氣旋產(chǎn)生的強(qiáng)震顫波信號取相同的數(shù)據(jù)長度進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果列入表2。研究發(fā)現(xiàn)，不同氣旋引起的震顫波信號的主頻不完全相同，但基本都在0.2 Hz左右，主要頻率在0.04—0.34 Hz內(nèi)。DSQ水管儀兩分量主要頻率在0.04—0.34 Hz，銦瓦棒SSY伸縮儀兩分量主要頻率在0.18—0.30 Hz，VP重直擺兩分量主要頻率在0.08—0.32 Hz。傾斜儀器（DSQ水管儀和VP重直擺）北南向的主要頻率大都高于東西向，這有可能是氣旋運(yùn)動路徑均是自東向西，北南分量受到的擾動強(qiáng)度大于東西分量。

表2 不同熱帶氣旋與定點(diǎn)形變儀器震顫波信號的主頻對比(單位：赫茲)Table 2 Comparison of main frequency of tremor signals between different tropical cyclones and fixed-point deformation instruments （unit：Hz）

圖2 臺風(fēng)Sonca對五指山臺不同儀器的頻譜響應(yīng)特征Fig. 2 Spectrum characteristics of different instruments at Wuzhishan Station caused by typhoon Sonca

表1 不同臺風(fēng)對定點(diǎn)形變儀器的干擾特征Table 1 Disturbance characteristics of fixed-point deformation instruments caused by different typhoons

主頻對比分析發(fā)現(xiàn)，距離臺站越近、風(fēng)力越強(qiáng)的臺風(fēng)對臺站有一定的影響，信號主頻具有一致性，對數(shù)據(jù)曲線固體潮日變擾動強(qiáng)度略有不同；遠(yuǎn)離臺站臺風(fēng)的震顫信號擾動遠(yuǎn)低于登陸臺風(fēng)強(qiáng)度，與正常日變化相同。這可能與臺風(fēng)的路徑、距離和強(qiáng)度有關(guān)。

采用db4小波分解分解到第5層，原始信號與分解后信號關(guān)系為：S=D1+D2+D3+D4+A5，S為原始數(shù)據(jù)，D為細(xì)節(jié)項，A為趨勢項。再對合成信號進(jìn)行短時傅里葉變換，對201621號臺風(fēng)Sarika、201719號臺風(fēng)Doksuir影響DSQ水管儀和VP垂直擺的時間段，得到兩套儀器高頻信號的頻譜特征（圖3—4）。分析得到，該臺兩套傾斜類儀器中VP垂直擺北南測項對臺風(fēng)的響應(yīng)幅度最大，最大擾動強(qiáng)度的幅度量級為20×10-3″/ms左右，震顫波的持續(xù)時間與氣旋的生命周期有關(guān)。

圖3 臺風(fēng)Sarika對不同儀器的震顫波信號 （左圖為水管儀，右圖為垂直擺） Fig. 3 The tremor signals of typhoon Sarika to different instruments （water pipe instrument at left and vertical pendulum at right）

圖4 臺風(fēng)Doksuir對不同儀器震顫波信號 （左圖為水管儀，右圖為垂直擺） Fig. 4 The tremor signals of typhoon Doksuir to different instruments （water pipe instrument at left and vertical pendulum at right）

3 結(jié)語

通過以上分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）五指山臺的傾斜類儀器對熱帶氣旋響應(yīng)能力明顯高于應(yīng)變類儀器，特別是VP垂直擺的響應(yīng)能力最強(qiáng)，SSY伸縮儀的風(fēng)擾響應(yīng)能力最弱，原始曲線無記錄；

（2）五指山臺不同氣旋對同一儀器同一測項引起的震顫波信號的主要頻率不完全相同，但基本都在0.2 Hz左右，主要頻率都在0.04—0.34 Hz。DSQ水管儀兩分量主要頻率在0.04—0.34 Hz，銦瓦棒SSY伸縮儀兩分量主要頻率在0.18—0.30 Hz，VP垂直擺兩分量主要頻率在0.08—0.32 Hz；

（3）五指山臺兩套傾斜類儀器中VP垂直擺北南測項對臺風(fēng)的響應(yīng)幅度最大，最大擾動強(qiáng)度的幅度量級為20×10-3″/ms左右，震顫波的持續(xù)時間與氣旋的生命周期有關(guān)。

（4）臺風(fēng)Doksui風(fēng)力14級，登陸點(diǎn)距離觀測點(diǎn)347 km，DSQ水管儀原始數(shù)據(jù)曲線變粗、形態(tài)出現(xiàn)畸變，而臺風(fēng)Mujigae風(fēng)力15級，登陸點(diǎn)距離觀測點(diǎn)260 km，DSQ水管儀原始數(shù)據(jù)曲線卻未受影響，可能與兩次臺風(fēng)路徑和登陸點(diǎn)距臺站的方位不一致有關(guān)系。因臺風(fēng)形成、路徑、登陸點(diǎn)成因較復(fù)雜，未能進(jìn)一步確定真正原因。