臺(tái)風(fēng)“煙花”對(duì)江蘇地區(qū)臺(tái)基噪聲自相關(guān)函數(shù)卓越周期的影響

楊 馳 王 俊 李正楷 朱 峰

（中國南京 210008 江蘇省地震局）

0 引言

我國是世界上少數(shù)幾個(gè)受臺(tái)風(fēng)危害最嚴(yán)重的國家之一。我國熱帶氣旋登陸的持續(xù)時(shí)間平均約為4 個(gè)月，最短不到1 個(gè)月，最長可達(dá)半年。據(jù)1949 年以來的臺(tái)風(fēng)資料，若以熱帶氣旋的中心氣壓表示其強(qiáng)度，我國熱帶氣旋登陸強(qiáng)度有逐年增加的趨勢(shì)。臺(tái)風(fēng)作為一種破壞性極強(qiáng)的天氣系統(tǒng)會(huì)對(duì)地震臺(tái)站所處觀測場地的環(huán)境背景噪聲產(chǎn)生明顯的影響。研究表明，沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)引起的強(qiáng)烈海浪運(yùn)動(dòng)會(huì)使地脈動(dòng)能量顯著增強(qiáng)，從而對(duì)當(dāng)?shù)嘏_(tái)基噪聲水平產(chǎn)生影響。鄭露露等（2017）通過臺(tái)風(fēng)期間臺(tái)基噪聲的變化來研究臺(tái)風(fēng)激發(fā)地脈動(dòng)的源區(qū)分布及激發(fā)方式。金星等（2007）通過對(duì)臺(tái)基噪聲變化的研究來定位臺(tái)風(fēng)位置及臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度。

測震臺(tái)站的大部分觀測數(shù)據(jù)是臺(tái)基噪聲，即臺(tái)站所在場地的環(huán)境背景噪聲。在短周期頻段，臺(tái)基噪聲主要來源于近場的人類活動(dòng)和風(fēng)、河流等自然因素的影響；在20s 到1s 的中周期頻段，臺(tái)基噪聲主要來源于海洋波浪的影響；在長周期頻段，臺(tái)基噪聲主要來源于溫度、氣壓的變化及日照、潮汐等因素的影響（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2017）。近年來，一些研究者利用背景噪聲層析成像方法（ambient noise-based tomograhy，ANT）進(jìn)行上地幔及地殼速度結(jié)構(gòu)的研究（孟亞鋒等，2019；馮紅武等，2019；王仁濤等，2019）。該方法能夠擺脫傳統(tǒng)層析成像對(duì)于地震的依賴，而且射線路徑更加均勻，得到的研究結(jié)果更加細(xì)致、可靠。同時(shí)，也有研究者致力于臺(tái)基噪聲本身特征的研究（葛洪魁等，2013；陳棟爐等，2018；王芳等，2019）。此類研究可以監(jiān)控地震儀器工作狀態(tài)及觀測環(huán)境的變化，進(jìn)而改善地震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測能力。對(duì)臺(tái)基噪聲強(qiáng)度與頻率間關(guān)系的研究及臺(tái)基噪聲水平空間分布差異性的研究可建立區(qū)域背景噪聲模型，以利于后續(xù)深入研究。測震臺(tái)站臺(tái)基噪聲水平可直接影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。自相關(guān)函數(shù)描述信號(hào)在任意2 個(gè)不同時(shí)刻t1、t2的狀態(tài)之間的相關(guān)程度。本文擬通過對(duì)江蘇測震臺(tái)站地震波形自相關(guān)函數(shù)卓越周期小時(shí)值的計(jì)算來研究臺(tái)風(fēng)過境前后臺(tái)站臺(tái)基噪聲的變化，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)

1.1 測震數(shù)據(jù)

江蘇測震臺(tái)網(wǎng)共有數(shù)字化測震臺(tái)站75 個(gè)（圖1），其中，深井臺(tái)31 個(gè)，地面臺(tái)44 個(gè)。平均密度為7.3 臺(tái)/萬km2，平均臺(tái)間距約為28 km，蘇南、蘇北地區(qū)臺(tái)站稍密，蘇中沿海地區(qū)相對(duì)稀疏。江蘇測震臺(tái)網(wǎng)配備寬頻帶地震儀63 臺(tái)，甚寬頻帶地震儀4 臺(tái)，短周期地震儀8 臺(tái)，儀器型號(hào)見表1。利用2021 年7 月1 日至8 月3 日75 個(gè)臺(tái)站連續(xù)波形觀測資料，每小時(shí)計(jì)算1 次各臺(tái)站的波形自相關(guān)函數(shù)卓越周期。同時(shí)，為了研究臺(tái)風(fēng)“煙花”對(duì)江蘇地區(qū)臺(tái)基噪聲能量強(qiáng)度的影響，取2021 年7 月18—30 日、3 月1 日至7 月31 日各臺(tái)站連續(xù)波形計(jì)算臺(tái)基噪聲水平的速度均方根有效振幅（RMS）。

圖1 江蘇測震臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of seismic stations in Jiangsu Province

表1 江蘇測震臺(tái)網(wǎng)測震儀器型號(hào)及數(shù)量Table 1 Model and quantity of seismic instruments in Jiangsu Seismic Network

1.2 臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)

臺(tái)風(fēng)“煙花”2021 年7 月18 日2 時(shí)在西北太平洋洋面上生成，7 月19 日早晨加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，7 月21 日11 時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)，7 月25 日12 時(shí)30 分前后登陸浙江舟山普陀區(qū)，登陸時(shí)強(qiáng)度為臺(tái)風(fēng)級(jí)，中心最大風(fēng)力13 級(jí)（38 m/s）。“煙花”7 月26 日上午9 點(diǎn)在杭州灣西部減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)，隨后于上午9 點(diǎn)50 分在浙江平湖沿海再次登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力10 級(jí)（28 m/s）。登陸后持續(xù)向西偏北方向移動(dòng)，在同日17 時(shí)左右從蘇州吳江進(jìn)入江蘇省，一路從蘇州穿過太湖進(jìn)入無錫宜興、常州溧陽、南京高淳等地，并朝著西北方向繼續(xù)移動(dòng)，受其影響，江蘇地區(qū)從南向北出現(xiàn)大風(fēng)及持續(xù)性降雨天氣。7月28日凌晨，“煙花”由熱帶風(fēng)暴級(jí)減弱為熱帶低壓，減弱后的熱帶低壓于7 月30 日晚上在渤海海面變性為溫帶氣旋，30 日晚8 時(shí)對(duì)其停止編號(hào)。

臺(tái)風(fēng)“煙花”在江蘇累計(jì)停留時(shí)間長達(dá)37 h，是有記錄以來在江蘇停留時(shí)間最長的臺(tái)風(fēng)，也是過程雨量最大的臺(tái)風(fēng)。根據(jù)中國天氣網(wǎng)提供的臺(tái)風(fēng)位置數(shù)據(jù)可繪制臺(tái)風(fēng)“煙花”路徑圖（圖2）。

圖2 臺(tái)風(fēng)“煙花”路徑Fig.2 Path of the typhoon “Yanhua”

2 研究方法

2.1 自相關(guān)函數(shù)

自相關(guān)就是函數(shù)與函數(shù)本身間的相關(guān)性，當(dāng)函數(shù)中有周期性分量時(shí)，自相關(guān)函數(shù)的極大值能夠很好地體現(xiàn)這種周期性。當(dāng)信號(hào)中含有多個(gè)周期分量，有1 個(gè)周期分量振幅最大時(shí)，該分量被稱為卓越的，其周期被稱為卓越周期。

自相關(guān)函數(shù)可描述隨機(jī)信號(hào)在任意不同時(shí)刻t1、t2的取值之間的相關(guān)程度。其定義式為

其中，τ為自相關(guān)函數(shù)的延時(shí)量；T為信號(hào)周期。周期信號(hào)中的隨機(jī)信號(hào)隨著時(shí)間的推移其自相關(guān)函數(shù)將衰減到0，因此，在一段時(shí)間以后信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)中只剩下周期信號(hào)的信息，從而排除了隨機(jī)信號(hào)的影響。所以可以通過計(jì)算周期信號(hào)自相關(guān)函數(shù)τ=0 時(shí)的特征卓越周期來反映信號(hào)的固有特征（圖3）。自相關(guān)函數(shù)有如下特征：①自相關(guān)函數(shù)為偶函數(shù)，其圖形關(guān)于y軸對(duì)稱；②當(dāng)τ=0 時(shí)函數(shù)取得最大值；③周期信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)是具有與原信號(hào)相同周期的函數(shù)。

圖3 自相關(guān)函數(shù)圖Fig.3 Autocorrelation function diagram

2.2 速度均方根有效振幅（RMS）

數(shù)字地震計(jì)記錄的數(shù)據(jù)是Counts 數(shù)，首先需要把Counts 數(shù)轉(zhuǎn)換為臺(tái)基噪聲速度，計(jì)算公式如下

其中，v為臺(tái)基噪聲實(shí)測速度（m/s）；N為實(shí)際觀測的Counts 數(shù)；K為數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換因子（V/Counts）；G為數(shù)據(jù)采集器前放增益；S為地震計(jì)電壓靈敏度［V/(m/s)］（李媛媛等，2004）。

地震臺(tái)站臺(tái)基噪聲速度均方根有效振幅定義式為

其中，vi為采樣點(diǎn)臺(tái)基噪聲速度（m/s）。

3 結(jié)果

研究時(shí)段內(nèi)，除儀器本身存在問題和長時(shí)間斷記的16 個(gè)地震臺(tái)站（BY、GAY、JIW、JT、QSD、RD、NT、NJ2、RG、SIY、TX、WUJ、XW、YC、YGD、LIB）之 外，共 有59 個(gè)地震臺(tái)站的數(shù)據(jù)用于計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得到研究時(shí)段內(nèi)江蘇地震臺(tái)網(wǎng)波形自相關(guān)函數(shù)卓越周期小時(shí)值，挑選其中觀測質(zhì)量較高的8 個(gè)臺(tái)站的結(jié)果繪制波形自相關(guān)函數(shù)卓越周期隨時(shí)間變化散點(diǎn)圖（圖4）。由圖4 可見，臺(tái)風(fēng)“煙花”生成之前卓越周期穩(wěn)定在2—4 s。2021 年7 月18 日臺(tái)風(fēng)“煙花”生成，臺(tái)風(fēng)引起劇烈的海浪運(yùn)動(dòng)，海浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力變化作用于洋底或海岸引起區(qū)域地脈動(dòng)的變化，進(jìn)而影響臺(tái)站臺(tái)基噪聲。但此刻臺(tái)風(fēng)距海岸線較遠(yuǎn)，海水較深，海浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力在到達(dá)洋底前衰減嚴(yán)重，所以卓越周期并無明顯變化。隨后“煙花”風(fēng)力逐漸增強(qiáng)并逐漸向淺海地區(qū)移動(dòng)，20 日6 時(shí)起卓越周期開始明顯升高。隨著“煙花”進(jìn)一步向江蘇地區(qū)逼近，風(fēng)力也再次加強(qiáng)，24 日2 時(shí)左右卓越周期達(dá)到峰值（4—7 s）。之后，“煙花”繼續(xù)向西北方向移動(dòng)，臺(tái)風(fēng)的部分影響區(qū)域由海洋轉(zhuǎn)變?yōu)殛懙?，作用于海浪的能量逐漸減少，卓越周期開始下降，直到28 日左右恢復(fù)正常水平。江蘇地震臺(tái)網(wǎng)波形自相關(guān)函數(shù)卓越周期的變化與臺(tái)風(fēng)“煙花”的進(jìn)程高度契合。

圖4 2021 年7 月1 日到8 月3 日波形自相關(guān)函數(shù)卓越周期值Fig.4 The predominant period value of waveform autocorrelation function from July 1 to August 3 in 2021

此外，計(jì)算臺(tái)風(fēng)過境期間（2021 年7 月18—30 日）各地震臺(tái)站垂直向臺(tái)基噪聲水平的速度均方根有效振幅（RMS 值），并與前4 個(gè)月各臺(tái)站垂直向RMS 值進(jìn)行比較。受臺(tái)風(fēng)“煙花”的影響，在59 個(gè)地震臺(tái)站中RMS 值升高有35 個(gè)，下降的有24 個(gè)（圖5）。雖然RMS值上升的臺(tái)站占59%，但其中93.2%臺(tái)站的RMS 值變化幅度不超過1×10-8m/s，91.5%臺(tái)站的RMS 值變化幅度不超過正常值的20%，86.4%臺(tái)站的RMS 值變化幅度不超過正常值的15%。將臺(tái)風(fēng)期間各臺(tái)站RMS 值與2021 年3—6 月RMS 值月均值作對(duì)比（圖6），由圖6 可見，各臺(tái)站RMS 值并未出現(xiàn)大幅度改變，變動(dòng)幅度在正常波動(dòng)范圍內(nèi)。

圖5 臺(tái)風(fēng)期間RMS 值與2021 年3—6 月RMS 值Fig.5 Comparison of the RMS value during typhoon and the RMS value from March to June in 2021

圖6 臺(tái)風(fēng)過境期間RMS 值與2021 年3—6 月RMS 值月均值Fig.6 Comparison of the RMS value during typhoon and the average monthly RMS value from March to June in 2021

4 結(jié)束語

本文利用波形自相關(guān)函數(shù)卓越周期的方法，探究了臺(tái)風(fēng)“煙花”對(duì)江蘇地區(qū)地震臺(tái)站臺(tái)基噪聲的影響。研究發(fā)現(xiàn)，受臺(tái)風(fēng)“煙花”的影響，江蘇地震臺(tái)網(wǎng)波形自相關(guān)函數(shù)的卓越周期由平時(shí)的2—4 s 上升到4—7 s，但RMS 值并沒有明顯增大。通過分析臺(tái)風(fēng)參數(shù)與卓越周期間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)“煙花”對(duì)波形自相關(guān)函數(shù)卓越周期的影響并非來源于臺(tái)風(fēng)的直接作用，而主要來自臺(tái)風(fēng)引起的激烈海浪運(yùn)動(dòng)。本文對(duì)于臺(tái)風(fēng)“煙花”參數(shù)與卓越周期間的相關(guān)性研究多是定性的，雖能較清晰地反映這種客觀規(guī)律，但臺(tái)風(fēng)是一種復(fù)雜的天氣系統(tǒng)，其對(duì)于臺(tái)基噪聲的影響機(jī)理還需要綜合利用氣象資料和海洋觀測資料開展更加細(xì)致深入的研究。