臺風對山東連續(xù)重力固體潮觀測影響特征分析

郝軍麗 張正帥 趙 洋 杜存鵬

（中國濟南250014 山東省地震局）

0 引言

重力觀測能精確測量地球重力場的微小變化，是研究固體潮和地震前兆的重要手段之一。連續(xù)重力觀測可監(jiān)測由外部因素引起的潮汐變化、地殼垂直運動、氣壓變化、地下水變化、地球自由震蕩、地球自轉(zhuǎn)速度變化等現(xiàn)象（江在森等，2013）。相對重力儀可以監(jiān)測地下垂直運動的信息，在正常的儀器和環(huán)境噪聲背景下，相對重力數(shù)據(jù)表現(xiàn)出穩(wěn)定的時序變化特征。在外部噪聲如地震、臺風、人為干擾等影響下連續(xù)重力儀還會觀測到一些連續(xù)的高頻擾動信號，其中部分信號是與臺風有關的高頻信號。近年，李杰等（2009）、楊錦玲等（2013）、鐘繼茂等（2013，2015）對臺風對重力潮汐變化的影響進行了研究。李盛等（2018）分析了廣西蒼梧MS5.4 地震前華南地區(qū)連續(xù)重力異常，結果表明，臺站記錄到的震前重力擾動系臺風“銀河”“妮妲”所致。王梅等（2009）對泰安地震臺連續(xù)重力儀觀測到的固體潮曲線“脈動加粗”“紡錘形”振幅加大現(xiàn)象進行了分析，認為這些異常變化為臺風引起的擾動。本文基于山東重力臺網(wǎng)連續(xù)觀測資料，結合氣象實況資料對觀測資料中提取到的高頻信號特征及成因進行研究。

1 重力臺站及儀器概況

山東省現(xiàn)有泰安地震臺、嘉祥地震臺、濟南地震臺、煙臺地震臺、郯城地震臺等5 個連續(xù)重力觀測臺站，其中，泰安地震臺為PET 型重力儀，嘉祥地震臺為Gphone 型重力儀，濟南地震臺、煙臺地震臺、郯城地震臺均為DZW 型重力儀。重力臺站概況及儀器參數(shù)如表1 所示。受采樣率、儀器阻尼等因素的限制，DZW 型重力儀難以捕捉到地脈動高頻信息2020 年西北太平洋和南海海域共生成22 個編號熱帶氣旋，其中，泰安地震臺PET 型重力儀記錄到13 個，嘉祥地震臺Gphone 型重力儀記錄到12 個，濟南地震臺、煙臺地震臺、郯城地震臺的DZW 型分鐘采樣重力儀也捕捉到了高頻信號。本研究采用泰安地震臺、嘉祥地震臺秒采樣重力數(shù)據(jù)，研究臺風引起的高頻信號特征，并以濟南地震臺重力數(shù)據(jù)為例，分析DZW 型分鐘采樣重力儀記錄到的高頻信號特征。

表1 山東省連續(xù)重力觀測臺站儀器參數(shù)Table 1 Gravimeterparmeters of continuous gravity stations

2 臺風對山東重力臺站重力觀測的影響

2.1 臺風“巴威”“美莎克”對山東重力儀觀測數(shù)據(jù)的影響

2020 年西北太平洋和南海海域共生成編號熱帶氣旋22 個，選取對山東連續(xù)重力儀觀測數(shù)據(jù)影響較明顯的08 號臺風“巴威”、09 號臺風“美莎克”研究熱帶氣旋對山東連續(xù)重力儀觀測數(shù)據(jù)的影響特征。圖1 為臺風路徑圖。

圖1 臺風“巴威”“美莎克”“安比”路徑Fig.1 Distribution of Shandong continuous gravity stations andtracksof typhoons Bavi and Maysak and Ampil

2020 年第8 號臺風“巴威”于8 月22 日上午在西北太平洋生成，17 時加強為強熱帶風暴，24 日2 時加強為臺風，25 日5 時位于東海北部海面，距中朝邊界偏南方約1 220 km，25 日17 時加強為強臺風，26 日上午10 時位于黃海南部海面，距中朝交界偏南方約790 km，27 日11 時從朝鮮移入中國遼寧省丹東境內(nèi)，隨后減弱為熱帶風暴級，14 時移入吉林省境內(nèi)，17 時在吉林省遼源市東豐縣境內(nèi)減弱為熱帶低壓，20 時停止編號。臺風中心最大風速45 m/s，中心最低氣壓950 hPa，臺風中心距泰安地震臺666 km，嘉祥地震臺732 km，濟南地震臺706 km。

2020 年第9號臺風“美莎 克”于8 月28 日生成，28 日17 時升級為熱帶風暴，30 日增強為強臺風，9 月 1 日23 時升級為超強臺風，9 月3 日5 時，降級為臺風，當日8 時左右降級為強熱帶風暴。9 月4 日，臺風“美莎克”位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾境內(nèi)，強度持續(xù)減弱，同日17 時許停止編號?！懊郎恕迸_風中心距有高頻信號的3 個臺站最近的時間段為9 月2 日，與3 個臺站間距離分別為泰安1 023.8 km、嘉祥1 083 km、濟南1 024 km，臺風中心最低氣壓930 hPa，中心最大風速52 km/s。

2020 年8 月25 日3 時至27 日8 時泰安地震臺PET 型重力儀、嘉祥地震臺G-phone 型重力儀記錄的固體潮原始曲線出現(xiàn)加粗現(xiàn)象［圖2（a）、圖2（b）］。濟南地震臺DZW 型重力儀記錄的固體潮曲線經(jīng)小波變換后也可見曲線加粗變化［圖2（f）］。泰安地震臺重力儀“擾動”振幅約±3.5×10-8m·s-2，嘉祥地震臺約±2×10-8m·s-2，濟南地震臺約±0.5×10-8m·s-2。由圖2 可見，3 個臺站該時段固體潮曲線經(jīng)小波一階變換后高頻擾動信號更明顯，在臺風發(fā)展過程中呈“紡錘形”形態(tài)，即曲線起初呈平穩(wěn)狀態(tài)，23 日凌晨高頻擾動信號開始顯現(xiàn)，24 日夜間信號增強，26 日晚達到峰值，隨后信號幅度逐漸減小，28 日恢復平穩(wěn)狀態(tài)。與前述臺風的生成、增強、減弱的發(fā)展過程相比，重力儀記錄到的高頻信號呈滯后現(xiàn)象。臺風“巴威”中心距出現(xiàn)高頻信號的3 個臺站最近的時間段為26 日晚23 時左右，這與3 個臺站監(jiān)測到的高頻信號峰值時段相對應，26 日10 時至27 日凌晨為臺風中心風速最高及中心氣壓最低的時段，此時段重力儀記錄的高頻信號逐漸增強并達到峰值。由圖2 還可見，從8 月28 日開始，隨著臺風“巴威”逐漸消弱，固體潮曲線趨于平穩(wěn)；同時臺風“美莎克”生成，從8 月30 日開始，臺風“美莎克”由熱帶風暴升級為強臺風和超強臺風，固體潮曲線逐漸加粗，高頻擾動信號再次加強，至9 月2 日達到峰值，此后隨著臺風“美莎克”的減弱，高頻擾動信號幅度逐漸變小，9 月4 日固體潮曲線回歸平穩(wěn)。一階小波變換后高頻信號呈紡錘狀，泰安地震臺重力儀記錄到的“擾動”振幅約±2×10-8m·s-2，嘉祥地震臺約±1.5×10-8m·s-2，濟南地震臺約±0.3×10-8m·s-2。9 日1—2 日為臺風“美莎克”中心風速最高及中心氣壓最低的時段，此時段重力儀記錄的高頻信號逐漸增強，臺風“美莎克”中心距出現(xiàn)高頻信號的3 個臺站最近的時間段為9 月2 日23 時左右，這與3 個臺站監(jiān)測到的高頻信號峰值時段相對應。濟南地震臺、煙臺地震臺、郯城地震臺DZW 型重力儀經(jīng)過小波變換后也可以顯示出曲線的高頻擾動現(xiàn)象。由圖2 可見，濟南地震臺由于儀器采樣率等原因，分鐘值采樣的重力曲線擾動信號幅度明顯小于秒采樣重力數(shù)據(jù)捕捉到的高頻擾動信號。

圖2 臺風“巴威”“美莎克”期間山東重力臺站重力觀測原始曲線及小波變換曲線（a）、（b）、（c）原始曲線；（d）、（e）、（f）小波變換曲線Fig.2 Original and wavelet transform data of gravity tide in Shandong during Bavi and Maysak period

圖3、圖4 為臺風“巴威”“美莎克”風速、氣壓及臺風中心與重力臺站間距離。由圖2、3、4 可見，隨著臺風中心與臺站間距離的縮短以及臺風中心風速的增強，重力儀的高頻擾動出現(xiàn)逐漸增強現(xiàn)象，即重力固體潮高頻擾動信號顯示臺風中心與臺站間的距離成負相關，與臺風中心氣壓、風速成正相關的變化規(guī)律?！鞍屯迸_風中心距臺站較“美莎克”近，但強度略低于“美莎克”。臺風“巴威”造成的固體潮擾動信號幅度大于臺風“美莎克”，這說明在2 次臺風期間臺風中心與臺站間的距離對干擾信號的強弱起決定作用。

圖3 臺風“巴威”氣壓、風速及臺風中心與臺站間的距離Fig.3 Pressure,speed of typhoon Bavi and distance between Bavicentre and gravity station

圖4 臺風“美莎克”氣壓、風速及臺風中心與臺站間的距離Fig.4 Pressure,speed of typhoon Maysak and distance between Maysakcentre and gravity station

2.2 臺風“安比”對泰安地震臺重力儀的影響

臺風“安比”于2018 年7 月17 日在西太平洋生成，18 日20 時升級為熱帶風暴，20 日8 時升級為強熱帶風暴，22 日12 時20 分在上海市崇明島沿海登陸，18 時降為熱帶風暴，23 日11 時進入山東，然后北上經(jīng)過河北、天津，7 月25 日停止編號。臺風路徑見圖1。臺風中心最大風速28 m/s，中心最低氣壓980 hPa，臺風穿過山東腹地，與泰安地震臺間最近距離71.2 km。臺風“安比”屬于熱帶風暴級臺風，風力與強度均小于2020 年臺風“巴威”“美莎克”。泰安地震臺秒采樣重力儀和濟南地震臺分鐘采樣重力儀均記錄到該信號，選取記錄到更明顯干擾信號的泰安地震臺PET 型重力儀秒采樣數(shù)據(jù)進行分析。

圖5 為臺風“安比”期間泰安地震臺重力觀測原始曲線及小波變換曲線。由圖5 可見，臺風期間泰安地震臺重力固體潮觀測原始曲線出現(xiàn)加粗現(xiàn)象，一階小波變換后高頻干擾信號呈紡錘形，與臺風“巴威”“美莎克”期間的干擾信號形狀類似。由臺風“安比”氣壓、風速及臺風中心與臺站間的距離可見（圖6），2018 年7 月21 日17 時至22 日16 時臺風中心氣壓最低，風速最高，21 日18 時左右固體潮觀測曲線出現(xiàn)干擾信號并于22 日開始有明顯增強現(xiàn)象，23 日臺風進入山東后重力固體潮觀測干擾信號強度逐漸達到峰值，隨著臺風中心遠離，24 日后干擾信號開始減弱，25 日固體潮觀測曲線逐漸恢復平穩(wěn)。泰安地震臺重力固體潮測值受臺風“安比”干擾的過程仍呈現(xiàn)與距離及臺風中心氣壓成負相關、與臺風中心風速成正相關的規(guī)律。此次臺風干擾過程中，干擾信號峰值滯后于臺風中心氣壓、風速的極值，與距離間有較高的相關度。

圖5 臺風“安比”期間泰安地震臺重力固體潮觀測原始曲線（a）及小波變換曲線（b）Fig.5 Original and wavelet transform data of gravitytide in Shandong duringAmpilperiod

圖6 臺風“安比”氣壓、風速及臺風中心與臺站間的距離Fig.6 Pressure,speed of typhoon Ampil and distance betweenAmpilcentre and gravity station

3 譜分析

對臺風“巴威”“美莎克”期間泰安地震臺、嘉祥地震臺的重力資料進行高通濾波（漢寧窗，窗口長21，步長為5），濾除長周期重力固體潮成分，然后進行傅里葉變換（陳益惠等，1988；戴勇等，2012；楊錦玲等，2013），結果見圖7。表2 為2 個臺站臺風期間每天振幅譜峰值及其對應的頻率。由圖1、7 可見臺風對重力的擾動影響，且振幅譜的變化過程與臺風生成、發(fā)展、遠離的過程相符。從振幅上來看，2 個臺站的譜值變化趨勢一致。由圖3（a）、5（a）、6（a）中臺風中心與臺站間的距離可見，臺風中心與臺站間的距離越小，振幅譜幅值越大，在相距最近時達到峰值，隨著臺風逐漸遠離，幅值逐漸變小，直至恢復正常水平。2 個臺站的振幅譜幅值在2020 年8 月26 日、9 月2 日及2018 年7 月23 日前后變化較劇烈。從頻率上看，隨著臺風來臨，振幅譜峰值頻率從0.26 Hz、0.32 Hz 減小至0.20 Hz、0.23 Hz，當臺風逐漸遠離后，峰值對應的頻率又不斷增大直至恢復正常。脈動的幅度和頻率都反映出臺風中心從生成到不斷向臺站靠近、風速增強、氣壓降低的過程。

圖7 臺風“巴威”、“美莎克”期間泰安地震臺、嘉祥地震臺濾波后重力振幅譜（a）泰安臺（8 月24—28 日）；（b）嘉祥臺（8 月24—28 日）；（c）泰安臺（8 月31 日至9 月4 日）；（d）嘉祥臺（8 月31 日至9 月4 日）Fig.7 Gravity amplitude spectrum of Taian and Jiaxiang stations during Bavi andMaysakperiods

表2 振幅峰值對應的頻率Table 2 Frequency corresponds to themaximum amplitude

對比臺風“巴威”“美莎克”期間泰安地震臺、嘉祥地震臺重力固體潮頻譜圖（圖7）可見，二者頻率分布基本一致，但在整個臺風期間泰安地震臺譜值幅度相對較大，結合圖3 可見，2020 年8 月26—27 日臺風風速最大，氣壓最低，同時段臺風中心距泰安地震臺較近，距嘉祥地震臺較遠，可見臺風中心位置距臺站越近，對重力的擾動越明顯。由表2 可見，臺風“巴威”“美莎克”引起的脈動頻率為0.20—0.25 Hz，對應卓越周期為4—5 s，與由采樣率同為秒采樣的寬頻帶地震儀得到的臺風卓越周期4—8 s 較一致。

4 時頻分析

對臺風“巴威”“美莎克”期間泰安地震臺、嘉祥地震臺的重力觀測數(shù)據(jù)進行插值、去趨勢處理，然后利用小波變換進行濾波，去除背景噪聲，將臺風造成的重力觀測異常信號提取出來，圖8 為泰安地震臺、嘉祥地震臺重力觀測信號小波時頻圖。由圖8 可見，高頻信號區(qū)域、強度相關度都較高，故高頻信號來源一致，為重力固體潮受臺風干擾的信號。臺風造成的重力信號相對頻率較高，而2 個臺站重力觀測信號強度不一致，由圖3、圖4可見，該現(xiàn)象與臺站同臺風中心間的距離差異有關。以臺風“巴威”期間泰安地震臺重力小波時頻圖[圖8（a）]為例，2020 年8 月24 日開始出現(xiàn)高頻信號，頻率0.2—0.3 Hz，25日信號逐漸增強，至26—27日，信號強度達到峰值，頻率0.125—0.500 Hz。信號的出現(xiàn)、逐漸增強、減弱的過程與臺風發(fā)生、發(fā)展過程及臺風中心與臺站間的距離、氣壓、風速等均有較大相關性。由時頻分析、差分分析、傅里葉變換所得結論相同。

圖8 臺風“巴威”“美莎克”期間重力固體潮觀測小波時頻圖Fig.8 Wavelet time-frequency diagram of gravity tide in Shandong station during Bavi and Maysak

由圖8（a）、8（c）可見，高頻信號能量主要分布在2—8 s，其中，4 s—5 s 信號能量最集中且信號最強。胡小剛等（2010）研究認為，優(yōu)勢頻率為0.20—0.25 Hz 的信號主要與臺風有關，這與本文研究結果相符。圖8（b）為臺風“巴威”“美莎克”期間泰安地震臺PET型重力儀及嘉祥地震臺Gphone型重力儀固體潮觀測0.001—0.100 Hz時頻圖。由圖8（b）可見，在此頻率范圍內(nèi)也有能量分布，優(yōu)勢成分主要為0.001—0.050 Hz，且信號出現(xiàn)時間、強度與0.20—0.25 Hz 的臺風信號吻合，3 次臺風過程中泰安地震臺、嘉祥地震臺重力固體潮觀測時頻圖在此頻率范圍內(nèi)都出現(xiàn)了此類信號，故認為此頻段信號仍可能主要受臺風干擾。

5 結束語

以泰安地震臺、嘉祥地震臺、濟南地震臺為例，對重力固體潮觀測分鐘值進行小波變換處理，提取了重力儀記錄的高頻信息；并通過傅里葉變換和小波時頻分析分別對泰安地震地震臺、嘉祥地震臺的重力儀觀測值進行了譜分析和時頻分析，得出臺風對山東連續(xù)重力固體潮觀測的影響特征如下。

（1）臺風強度、路徑及臺風中心位置、風速、氣壓等與重力固體潮測值的變化密切相關。臺風中心距臺站越近，風速越大，氣壓越低，重力固體潮的擾動也越明顯。

（2）3 次臺風引起的重力固體潮擾動主要頻率范圍為0.20—0.25 Hz，對應的卓越周期為4 —5 s。

（3）臺風“巴威”“美莎克”期間泰安地震臺PET 型重力儀、嘉祥地震臺Gphone 型重力儀固體潮觀測在0.001—0.100 Hz 內(nèi)均有能量分布，主要分布在0.001—0.050 Hz，高頻信號出現(xiàn)時間、強度與頻率為0.20—0.25 Hz 的臺風信號吻合，且3 次臺風過程中泰安地震臺、嘉祥地震臺重力固體潮觀測時頻圖在此頻率范圍內(nèi)都出現(xiàn)了此類信號。認為此頻段信號仍可能主要受臺風干擾。