黃梅臺寬頻帶傾斜儀記錄的臺風(fēng)擾動特征分析

張萍　呂品姬　劉可　特木其勒　李垠　張亦梅

摘要利用黃梅臺 VP 寬頻帶垂直擺傾斜儀在臺風(fēng)“巴威”（ BAVI）和“煙花”（ IN-FA）經(jīng)過期間記錄的連續(xù)觀測資料，通過小波分解和傅里葉變換，分析臺風(fēng)引起的地脈動信號的擾動特征和頻譜特性。結(jié)果表明：臺風(fēng)擾動幅度隨著臺風(fēng)進(jìn)程呈現(xiàn)出上升—峰值—下降的規(guī)律，與臺風(fēng)風(fēng)速、臺風(fēng)中心與臺站距離有良好的相關(guān)性；臺風(fēng)引起的地脈動信號的優(yōu)勢頻率范圍為0.13—0.3 Hz，對應(yīng)周期為3.3—7.7 s。

關(guān)鍵詞 VP 垂直擺傾斜儀；臺風(fēng)；地脈動；小波分解；頻譜特征

中圖分類號： P315.63文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號：2096-7780（2023）07-0309-06

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-147

Analysis of typhoon disturbance characteristics recorded by broadband tiltmeter at Huangmei station

Zhang Ping1， 2），Lü Pinji1， 2），Liu Ke1， 2），Temu Qile1， 2），Li Yin1， 2），Zhang Yimei1， 2）

1） Key Laboratory of Earthquake Geodesy， Institute of Seismology， China Earthquake Administration， Hubei Wuhan 430071， China

2） Hubei Earthquake Agency， Hubei Wuhan 430071， China

AbstractThe continuous observation data recorded by broadband vertical pendulum tiltmeter at Huangmei station during the typhoons“BAVI ”and“IN-FA ”were studied. Wavelet decomposition and Fourier transform were used to investigate the disturbance and spectrum characteristics of the microseism signal which caused by the typhoons. The results show that the disturbance amplitude has an increase-peak-decrease pattern during the process of typhoons，and has agoodcorrelation withthe windspeedof typhoons，thedistancebetweenthe typhooncenterandthestation. The dominant frequency range of the microseism caused by the typhoons is from 0.13 to 0.3 Hz，with the corresponding period of 3.3 to 7.7 s.

Keywordsvertical pendulum tiltmeter; typhoon; microseism; wavelet decomposition; spectrum characteristics

引言

垂直擺傾斜儀是一種重要的地傾斜觀測手段，通過連續(xù)記錄地面的傾斜變化狀態(tài)來反映地球的動態(tài)變化與地震孕育的關(guān)系，在地震中短和短臨前兆異常監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用[1-2]。VP 寬頻帶垂直擺傾斜儀的采樣率為1 Hz，與分鐘采樣的 VS 垂直擺傾斜儀相比，觀測精度更高，并且能獲取更多的由大氣擾動、海浪運動等產(chǎn)生的高頻背景噪聲信息，臺風(fēng)激發(fā)的地脈動就是其中之一。

臺風(fēng)是一種高強度的熱帶氣旋，它激發(fā)海浪沖擊海岸和海底，使海浪之間發(fā)生非線性干涉產(chǎn)生地脈動[3]。當(dāng)臺風(fēng)路徑與中國海岸距離較近時，內(nèi)陸和沿海的地形變觀測儀器就能記錄到這些脈動，信號的包絡(luò)線通常呈現(xiàn)紡錘狀或喇叭狀[4]。擾動信號持續(xù)1—3天不等，周期范圍為2—10 s，主要集中在4—8 s[5]。疊加在背景曲線上的高頻擾動會對地震前兆信息的識別產(chǎn)生影響。因此，深入分析臺風(fēng)的擾動特性，對于地震前兆異常判定及地震短臨預(yù)報具有重要意義。

以往的研究大多利用寬頻帶地震儀和秒采樣重力儀研究臺風(fēng)的擾動特性[6-8]。胡小剛等[7]對全國多個寬頻帶地震儀在汶川地震前的異常擾動信號進(jìn)行時頻分析，發(fā)現(xiàn)該擾動由動態(tài)特征完全不同的兩部分組成，一種與臺風(fēng)活動有關(guān)，而另一種屬于非臺風(fēng)擾動，其擾動源在靠近震中的內(nèi)陸區(qū)域，可能與地震有一定的聯(lián)系。王新勝等[8]利用陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)重力觀測數(shù)據(jù)，分別研究了震前重力擾動信號和臺風(fēng)引起的重力擾動信號的主頻率特征，提出利用主頻率級差和標(biāo)準(zhǔn)差來區(qū)分二者的方法，推進(jìn)了重力觀測在強震短臨監(jiān)測預(yù)報中的應(yīng)用。而對寬頻帶垂直擺傾斜儀的研究較少。張燕等[9]對寬頻儀器數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析，結(jié)果顯示寬頻帶傾斜儀與寬頻帶測震儀、PET重力儀在記錄頻率范圍0.13—0.33 Hz 內(nèi)的高頻震顫波方面具有一致性，其產(chǎn)生原因與夏秋兩季的臺風(fēng)和近海海面的海風(fēng)有關(guān)。馮建琴等[10]對比分析了臨汾垂直擺傾斜儀記錄的高頻抖動波與臺風(fēng)和地震的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明高頻震顫波主要與臺風(fēng)和近海海風(fēng)干擾有關(guān)，其次是遠(yuǎn)震震前形變，少部分原因不明。

本文以湖北省黃梅地震臺 VP 寬頻帶垂直擺傾斜儀為研究對象，利用 VP 垂直擺傾斜儀在不同臺風(fēng)期間的連續(xù)觀測資料，分析臺風(fēng)引起的地脈動信號在 VP 垂直擺傾斜儀觀測數(shù)據(jù)上的形態(tài)特征和頻譜特征，并研究信號的振動幅度與臺風(fēng)風(fēng)速、臺風(fēng)中心距臺站距離之間的關(guān)系，從而為分析與排除干擾、識別地震前兆異常提供判據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 臺站與臺風(fēng)事件

黃梅地震臺地處地震構(gòu)造敏感區(qū)，臺基條件良好，觀測條件穩(wěn)定。其形變觀測山洞為完整的花崗巖，建于1981年，做了防水防潮處理，覆蓋層厚度28—40 m，洞溫19.5℃， 年溫差＞0.3℃， 日溫差＞0.05℃[11]。洞室安裝 VP 寬頻帶垂直擺傾斜儀，多年來觀測資料連續(xù)可靠、完整率高，記錄的固體潮曲線形態(tài)清晰。在受到近海臺風(fēng)干擾時，VP 垂直擺傾斜儀會產(chǎn)生明顯的同步擾動現(xiàn)象。

本文選取2020年8號臺風(fēng)“巴威”和2021年6號臺風(fēng)“煙花”兩次臺風(fēng)事件進(jìn)行研究。臺風(fēng)路徑如圖1所示。

臺風(fēng)“巴威”于2020年8月21日21時生成，24日升格為臺風(fēng)，25日上午加強為強臺風(fēng)，17時其中心位于東海北部海面上，中心附近最大風(fēng)力42 m/s，最低氣壓955 hPa，隨后持續(xù)北上，強度持續(xù)加強，26日最大風(fēng)力達(dá)45 m/s，27日8時30分在中朝交界附近的朝鮮平安北道沿海登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力35 m/s，中心最低氣壓970 hPa，10時減弱為強熱帶風(fēng)暴級，17時在吉林省遼源市東豐縣境內(nèi)減弱為熱帶低壓。臺風(fēng)“煙花”于2021年7月18日2 時由熱帶低壓升格為熱帶風(fēng)暴，21日升格為強臺風(fēng)，25日12時30分在浙江省舟山市普陀區(qū)沿海登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力38 m/s，中心最低氣壓965 hPa，26日9時50分在浙江省嘉興平湖沿海再次登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力28 m/s，28日在安徽省境內(nèi)減弱為熱帶低壓，隨后逐漸北上進(jìn)入渤海并變性為溫帶氣旋。圖2為臺風(fēng)“巴威”和“煙花”的中心風(fēng)速、臺風(fēng)中心與黃梅臺的距離。兩次臺風(fēng)經(jīng)過期間，VP 垂直擺傾斜儀觀測曲線均受到不同程度的影響，本文對兩次臺風(fēng)期間的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

本文利用小波分解和傅里葉變換提取寬頻帶傾斜儀記錄的地脈動信號，并對信號進(jìn)行頻譜分析，獲得信號的頻率范圍和頻譜特征。首先采用 db4小波對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行5層小波分解，將信號分解為2—4 s，4—8 s，8—16 s，16—32 s，32—64 s 等5個頻段，分析臺風(fēng)在不同頻段上的擾動差異。原始信號與分解后信號的關(guān)系可表示為：S=D 1+D2+D3+D4+D5+A5，式中，S 為原始信號，D 為小波分解細(xì)節(jié)項，A 為趨勢項。然后去除趨勢項，重構(gòu)1—5層細(xì)節(jié)，并對合成信號進(jìn)行短時傅里葉變換，最終獲得高頻信號的頻譜特征，以及信號能量隨頻率的分布特征。結(jié)合臺風(fēng)風(fēng)速和行進(jìn)路徑，可分析臺風(fēng)造成的擾動幅度隨臺風(fēng)強度和臺風(fēng)中心距臺站距離的變化規(guī)律。

2 臺風(fēng)擾動的頻譜特征

2.1 小波細(xì)節(jié)分析

獲取黃梅臺 VP 垂直擺傾斜儀在2020年8月22—29日臺風(fēng)“巴威”經(jīng)過期間及2021年7月21—28日臺風(fēng)“煙花”經(jīng)過期間的秒采樣數(shù)據(jù)。采用 db4小波將數(shù)據(jù)分解為5階，原始數(shù)據(jù)及分解結(jié)果見圖3和圖4。可以看出，受臺風(fēng)影響，原始固體潮曲線逐漸加粗，擾動幅度逐漸增大，于某一日達(dá)到峰值之后曲線逐漸變細(xì)并慢慢恢復(fù)正常形態(tài)。小波分解結(jié)果更清晰地展現(xiàn)了臺風(fēng)對地傾斜觀測的影響，曲線呈現(xiàn)明顯的紡錘體結(jié)構(gòu)，曲線形態(tài)先保持平穩(wěn)，然后出現(xiàn)紡錘狀擾動，臺風(fēng)離開后逐漸恢復(fù)正常狀態(tài)。

結(jié)合臺風(fēng)風(fēng)速、臺風(fēng)中心與垂直擺傾斜儀距離圖，對臺風(fēng)“巴威”引起的傾斜儀擾動進(jìn)行具體分析。臺風(fēng)“巴威”于21日生成后逐漸加強，風(fēng)速越來越大，觀測曲線及小波變換曲線（圖3b，圖3c）越來越粗，25—26日風(fēng)速達(dá)到最大，曲線的擾動幅度也達(dá)到最大，紡錘體結(jié)構(gòu)最為明顯，此時也是臺風(fēng)中心與臺站距離最近的時段，隨后隨著臺風(fēng)逐漸遠(yuǎn)離、風(fēng)力逐漸減弱，曲線也慢慢變細(xì)至恢復(fù)正常形態(tài)。因此，隨著臺風(fēng)中心與黃梅臺距離的減小、中心風(fēng)速的增加，臺風(fēng)引起的擾動幅度逐漸增大。小波分解結(jié)果顯示，臺風(fēng)對小波分解各個頻段的影響幅度不一樣，2—4 s 頻段對臺風(fēng)的響應(yīng)最強烈，振動幅度最大，4—8 s 稍弱，隨著頻率降低，振動幅度也逐漸減小，32—64 s 頻段已幾乎沒有響應(yīng)。

而從臺風(fēng)“煙花”的小波分解結(jié)果可以看出，臺風(fēng)引起的擾動幅度峰值時間與風(fēng)速最大時間及臺風(fēng)中心與臺站距離最近的時間并不一致。臺風(fēng)“煙花”風(fēng)速于22—23日達(dá)到最大，隨后逐漸減小；而傾斜儀記錄的擾動幅度并未隨著風(fēng)速的減小而減弱，在持續(xù)增強后于25—26日達(dá)到峰值，然后才逐漸降低。在此期間，臺風(fēng)中心與臺站的距離持續(xù)減小，于擾動幅度達(dá)到峰值之后的28日，臺風(fēng)中心與臺站的距離最近。因此，臺風(fēng)引起的擾動幅度達(dá)到峰值的時間是由臺風(fēng)風(fēng)速和距離綜合決定的，也說明臺風(fēng)引起的地脈動信號傳播到傾斜儀所在位置是一個復(fù)雜的過程。

綜合分析可知，臺風(fēng)對 VP 垂直擺傾斜儀觀測的干擾與臺風(fēng)風(fēng)速和臺風(fēng)中心與臺站距離有關(guān)，擾動幅度呈現(xiàn)隨臺風(fēng)風(fēng)速的增大、臺風(fēng)中心與臺站距離的減小而不斷增強的趨勢。

2.2 頻譜特征分析

將數(shù)據(jù)去趨勢項后進(jìn)行傅里葉變換，得到信號的頻譜圖（圖5）。信號的頻譜成分在頻譜圖中得到了細(xì)化，頻譜圖清晰地展現(xiàn)了信號的頻譜特征隨時間的變化狀態(tài)，以及不同頻率上信號能量的分布情況。

由圖5可以看出，臺風(fēng)引起的地脈動信號的頻率主要集中在0.13—0.3 Hz，對應(yīng)的周期為3.3—7.7 s。隨著臺風(fēng)行進(jìn)的過程，頻譜能量也表現(xiàn)出先增大后衰減的趨勢，與臺風(fēng)從最初生成、逐漸靠近到最后離開的過程一致，與臺風(fēng)風(fēng)速、臺風(fēng)中心與臺站距離表現(xiàn)出相關(guān)性。兩次臺風(fēng)事件期間，VP 垂直擺傾斜儀記錄的地脈動信號的頻譜特征基本一致，臺風(fēng)路徑對 VP 垂直擺傾斜儀記錄的臺風(fēng)擾動信號沒有明顯的影響。

2.3 臺風(fēng)擾動特征機理探討

臺風(fēng)激發(fā)地脈動的機制可以用 Higgins 的海洋駐波理論[12]解釋，主要源于海浪間的非線性干涉產(chǎn)生的海浪駐波。臺風(fēng)發(fā)生時蘊含的巨大能量激發(fā)海浪沖擊海岸和海底，產(chǎn)生的反射波浪與原生海浪發(fā)生非線性干涉，形成海浪駐波。海浪駐波傳播到海底，引起海底壓強變化，其變化頻率是海浪起伏引起的海底壓強變化頻率的2倍，并且可以不衰減地傳到海底，從而引發(fā)強烈的地脈動。這種地脈動可以在內(nèi)陸傳播很遠(yuǎn)的距離，使沿海及內(nèi)陸的觀測儀器產(chǎn)生明顯的擾動信號。

由前文分析可知，臺風(fēng)引起的擾動幅度的變化趨勢與臺風(fēng)風(fēng)速和距離的變化趨勢并不完全一致，這也是地脈動產(chǎn)生及傳播的復(fù)雜機理導(dǎo)致的。臺風(fēng)對陸殼的擾動效應(yīng)是大氣、海洋、陸地等耦合作用的結(jié)果。擾動信號的產(chǎn)生源于海洋上空猛烈旋轉(zhuǎn)的熱帶大氣漩渦與陸地的摩擦、氣壓載荷變化以及由此引發(fā)的巨浪對地殼的沖擊、氣旋的擾動。地球內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，地殼厚度分布不均，地脈動信號在傳播過程中會發(fā)生變化，因此臺風(fēng)引發(fā)的地脈動信號具有復(fù)雜性和未知性。

3 討論與結(jié)論

本文對黃梅臺 VP 寬頻帶傾斜儀記錄的臺風(fēng)擾動特征進(jìn)行研究，分析了擾動幅度與臺風(fēng)中心到臺站的距離、臺風(fēng)中心風(fēng)速的關(guān)系。通過小波分解和傅里葉變換獲得臺風(fēng)擾動信號的時頻特征。

隨著臺風(fēng)靠近、遠(yuǎn)離臺站，擾動幅度呈現(xiàn)上升到一定峰值然后下降的趨勢，且優(yōu)勢頻段為2—4 s，即臺風(fēng)擾動幅度表現(xiàn)出與臺風(fēng)風(fēng)速正相關(guān)、與臺風(fēng)距離負(fù)相關(guān)的規(guī)律，擾動持續(xù)時間與臺風(fēng)的生命周期保持一致。

臺風(fēng)引起的地脈動信號頻率集中在0.13—0.3 Hz 范圍，卓越周期為3.3—7.7 s。不同臺風(fēng)引發(fā)的地脈動信號的頻譜特征大致相同，寬頻帶傾斜儀記錄的地脈動信號的頻譜特征與臺風(fēng)路徑關(guān)系并不明顯。

西太平洋是全球臺風(fēng)發(fā)生最多、強度最大的地方，位于西太平洋西岸的我國，是世界上受臺風(fēng)影響比較嚴(yán)重的國家之一，尤其是東海及南海區(qū)域，臺風(fēng)頻發(fā)，其中8—9月是臺風(fēng)的高發(fā)季。受西太平洋臺風(fēng)季的影響，臺風(fēng)已然成為沿海及內(nèi)陸地形變觀測的自然干擾因素之一?，F(xiàn)有研究多集中于地震儀和秒采樣重力儀，對寬頻帶傾斜儀的研究較少。本文針對寬頻帶傾斜儀，討論臺風(fēng)激發(fā)的地脈動信號的頻譜特征，有助于識別臺風(fēng)干擾、判別前兆異常。

本文目前僅對黃梅地震臺進(jìn)行了分析，后面還需要將研究范圍遍及全國，覆蓋沿海及內(nèi)陸臺站，更深入地探討臺風(fēng)的擾動特性。地脈動信號的傳播機制極其復(fù)雜，其引起的頻譜能量的變化與風(fēng)速和距離的變化趨勢并不是完全一致，還需要做進(jìn)一步的探究。

參考文獻(xiàn)

［1］趙瑩.全臺網(wǎng)垂直擺傾斜儀背景噪聲水平分析[J].大地測量與地球動力學(xué)，2019，39（8）：869-874

Zhao Y. Research on background noise level of vertical pendulum tiltmeter in China[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2019，39（8）：869-874

［2］楊玲英，畢靈晶，楊星，等.云南垂直擺映震能力研究[J].地震科學(xué)進(jìn)展，2022，52（5）：203-214

Yang LY，BiL J，Yang X，et al. Study on seismic response ability of vertical pendulum in Yunnan[J]. Progress in Earthquake Sciences，2022，52（5）：203-214

［3］Aster R C，McNamara D E，Bromirski P D. Global trends inextremal microseism intensity[J]. Geophysical Research Letters，2010，37（14）：L14303

［4］王梅，季愛東，鄭建常.臺風(fēng)引起的重力擾動現(xiàn)象[J].地震學(xué)報，2009，31（6）：641-649

Wang M，Ji A D，Zheng J C. Gravity disturbance caused by typhoon[J]. Acta SeismologicaSinica，2009，31（6）：641-649［5］Bromirski P D. Earth vibrations[J]. Science，2009，324（5930）：1026-1027

［6］Sun T H Z，Xue M，Le K P，et al. Signatures of ocean storms on seismic records in South China Sea and East China Sea[J]. Marine Geophysical Researches，2013，34（3/4）：431-448

［7］胡小剛，郝曉光，薛秀秀.汶川大地震前非臺風(fēng)擾動現(xiàn)象的研究[J].地球物理學(xué)報，2010，53（12）：2875-2886

Hu X G，Hao X G，Xue X X. The analysis of the non-typhoon-induced microseisms before the 2008 Wenchuan earthquake[J]. Chinese Journal of Geophysics，2010，53（12）：2875-2886

［8］王新勝，韓宇飛，徐偉民.震前重力擾動與臺風(fēng)引起的重力擾動主頻率特征分析[J].地震，2016，36（4）：196-204

Wang X S，Han Y F，Xu W M. Main frequency characteristics of gravity disturbances before earthquake or induced by typhoon[J]. Earthquake，2016，36（4）：196-204

［9］張燕，呂品姬，吳云.寬頻儀器觀測的特定頻段震顫波產(chǎn)生的原因分析[J].大地測量與地球動力學(xué)，2014，34（1）：47-50

Zhang Y，Lü P J，Wu Y. On the reasons generating high frequency tremor observed by broadand instruments[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2014，34（1）：47-50

［10］馮建琴，張聰聰，程東焱，等.臺風(fēng)對地傾斜儀器干擾分析[J].地震地磁觀測與研究，2015，36（2）：53-57

Feng J Q，Zhang C C，Cheng D Y，et al. About the interference analysis of typhoon for instrument tilt[J]. Seismological and Geo- magnetic Observation and Research，2015，36（2）：53-57

［11］呂品姬，趙斌，陳志遙，等.2009年日全食期間黃梅臺的固體潮擾動[J].大地測量與地球動力學(xué)，2010，30（增刊1）：116-119

Lü P J，Zhao B，Chen Z Y，et al. Tidal disturbance observed at Huangmei station during solar eclipse，2009[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，30（S1）：116-119

［12］Longuet-Higgins M S. A theory of the origin of microseisms[J]. Philosophical Transactions of the RoyalSociety of London，1950，243（857）：1-35