熱帶氣旋對海南地震觀測井水位及重力測項(xiàng)的影響

劉 陽 孫三健 解曉靜 張 慧 張 帆

（中國?？?70203海南省地震局）

熱帶氣旋對海南地震觀測井水位及重力測項(xiàng)的影響

劉 陽 孫三健 解曉靜 張 慧 張 帆

（中國海口570203海南省地震局）

熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”活動期間，在熱帶氣旋低氣壓和強(qiáng)降雨的特殊自然環(huán)境下，海南觀測井水位大多呈抖動上升形態(tài)，而重力儀觀測數(shù)據(jù)曲線粗糙，噪聲變大。通過高通濾波及頻譜分析，認(rèn)為受熱帶氣旋影響，水位變化與低氣壓相關(guān)性較好，熱帶氣旋引起的水位抖動周期為1—10 min；重力觀測曲線與熱帶氣旋卓越周期及中心風(fēng)速等因素有關(guān)。

水位；重力；熱帶氣旋

0 引言

海南島地處熱帶北緣，屬熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫22℃—26℃，干季、雨季明顯，冬春干旱，雨季一般在5—10月，干季為11月至翌年4月。夏秋多雨，年降水量1 500 —2 500 mm，多熱帶氣旋（臺風(fēng)）天氣，常引起海南觀測井水位和重力測項(xiàng)觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生形態(tài)變化。

海南地震前兆臺網(wǎng)目前運(yùn)行的固定地震臺有9個(gè)，其中1個(gè)為綜合臺站，8個(gè)為流體臺站（多以水位和水溫觀測為主）。海南省瓊中地震臺為國家基準(zhǔn)地震臺，具有重力、地磁和地電等觀測手段，產(chǎn)出的數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，為海南省地震監(jiān)測預(yù)報(bào)工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2014年海南省地震前兆臺網(wǎng)有7個(gè)地震臺8套儀器記錄到19條自然環(huán)境事件，這些事件基本由熱帶氣旋天氣引起。2014年影響海南的熱帶氣旋為“威馬遜”和“海鷗”，受其影響，瓊中地震臺PET相對重力儀觀測數(shù)據(jù)曲線粗糙，噪聲變大。?？诘卣鹋_、火山流體臺和向榮村臺等水位儀觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)突升后下降的現(xiàn)象。下面以具有代表性的?？诘卣鹋_、火山流體臺、向榮村臺和瓊中地震臺為例，分析特殊自然環(huán)境——熱帶氣旋對水位和重力觀測的影響。

1 資料選取

1.1 流體觀測井參數(shù)

海南流體觀測井共7口，水位觀測儀器采用LN-3A數(shù)字水位儀和SWY-Ⅱ型數(shù)字水位儀，數(shù)據(jù)采樣率均為1個(gè)/min。各觀測井參數(shù)見表1。

表1　海南流體觀測井參數(shù)Table 1 Parameters of the water level observation in Hainan Province

1.2 重力觀測點(diǎn)背景

本文使用瓊中地震臺PET型相對重力儀觀測資料，分析熱帶氣旋對觀測數(shù)據(jù)的影響。瓊中地震臺為國家基準(zhǔn)地震臺，屬國家Ⅰ類臺，坐落在海南省中部，臺址巖基為弱磁性混合花崗巖，2007年開始采用PET型相對重力儀進(jìn)行重力觀測，該儀器采樣率為每秒1個(gè)，可以精確測量地球重力固體潮相對微小變化。自觀測以來該儀器運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)出的觀測數(shù)據(jù)可信度較高。

1.3 熱帶氣旋資料

2014年西北太平洋和南海海域共生成編號熱帶氣旋20個(gè)，第09號熱帶氣旋“威馬遜”（Rammasun）和第15號熱帶氣旋“海鷗”（Kalmaegi）直擊海南，分別于2014年7月18日15時(shí)及9月16日9時(shí)在文昌翁田鎮(zhèn)登陸，對海南產(chǎn)生了較大影響。熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”的動態(tài)參數(shù)見表2，其路徑與地震臺站分布見圖1。

表2　熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”的動態(tài)參數(shù)（據(jù)中國天氣網(wǎng)，2014）Table 2 Dynamic parameters of tropical cyclone “Rammasun”and “Kalmaegi”（According to the weather network，2014）

圖1　熱帶氣旋路徑與地震臺站分布（a）熱帶氣旋“威馬遜”；（b）熱帶氣旋“海鷗”Fig.1 Tropical cyclone routes and seismic stations distribution

2 熱帶氣旋環(huán)境下觀測井水位記錄特征

熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”接近并登陸海南期間，為海南帶來充沛降水，氣壓也隨臺風(fēng)中心的移動發(fā)生較大變化。在強(qiáng)降水和低氣壓的共同作用下，海南省多個(gè)臺站水位出現(xiàn)明顯上升變化。本文以?？诘貐^(qū)的海口地震臺、火山流體臺和向榮村臺為例，從降水和氣壓兩個(gè)方面對觀測井水位變化特征進(jìn)行分析。

2.1 降水影響

熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”影響海南期間，?？诘貐^(qū)累計(jì)降水量分別為416 mm和186 mm。受持續(xù)強(qiáng)降水影響，海口地震臺、火山流體臺和向榮村臺的觀測井水位均呈現(xiàn)明顯上升變化（圖2），只是變化形態(tài)和時(shí)長稍有不同。由圖2可見，火山流體臺及向榮村臺（裂隙水井）井水位變化形態(tài)相似，均呈階升形態(tài)，而后緩慢下降；?？诘卣鹋_呈脈沖形態(tài)，且有迅速下降過程；在水位上升至最高點(diǎn)及恢復(fù)到原觀測水平過程中，海口地震臺用時(shí)較少。

圖2　熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”期間水位及降水記錄曲線（a）“威馬遜”期間；（b）“海鷗”期間Fig.2 Water level and precipitation record during tropical cyclone“Rammasun” and “Kalmaegi”

降水對觀測井水位的影響主要與井—含水層系統(tǒng)的水動力條件有關(guān)，取決于觀測井距降水滲入補(bǔ)給區(qū)的距離和觀測層頂板的埋深，且與含水層系統(tǒng)的徑流與排泄條件有關(guān)（車用太等，1993）。?？诘卣鹋_ZK26井深706 m，為承壓水井，目前觀測第7含水層水位（表1），多年觀測經(jīng)驗(yàn)表明，降水對該井存在半年的滯后效應(yīng)。向榮村臺和火山流體臺觀測井則為裂隙水井（表1），且觀測層頂板埋深較淺，易受大氣降水滲入補(bǔ)給影響，熱帶氣旋帶來的持續(xù)降雨易導(dǎo)致其水位上升。

2.2 氣壓影響

氣壓是井水位動態(tài)變化的影響因素之一（汪成民，1988），選取熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”期間，?？诘卣鹋_和火山流體臺觀測井水位及氣壓數(shù)據(jù)（“海鷗”期間向榮村臺氣壓斷記），進(jìn)行高通濾波（圖3）。

圖3　熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”期間水位及氣壓記錄曲線及高通濾波（a） 海口臺；（b） 火山臺Fig.3 Water level and air pressure records curve and high-pass filter during tropical cyclone “Rammasun” and “Kalmaegi”

結(jié)合表1，從圖3井水位與氣壓動態(tài)變化曲線形態(tài)看，海口地震臺和火山流體臺井水位與氣壓發(fā)生抖動變化的時(shí)間，與熱帶氣旋經(jīng)過海南的時(shí)間（7月18日12時(shí)—19日04時(shí)和9月16日02時(shí)—22時(shí)）吻合；?？诘卣鹋_井水位與氣壓呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)性，火山流體臺對應(yīng)關(guān)系較差。高通濾波曲線顯示，兩臺站井水位及氣壓均在熱帶氣旋登陸前出現(xiàn)明顯抖動現(xiàn)象，時(shí)間上與動態(tài)變化曲線相符。?？诘卣鹋_水位與氣壓的高通濾波變化形態(tài)和時(shí)間相似和接近，而火山流體臺二者對應(yīng)關(guān)系稍差。

顧申宜等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，在熱帶氣旋移動范圍內(nèi)，氣壓出現(xiàn)振動式下降與上升變化，由于井水位與氣壓關(guān)系密切（負(fù)相關(guān)），故井水位也出現(xiàn)震蕩式升降變化。在2014年“威馬遜”和“海鷗”登陸海南期間，海口地震臺和火山流體臺井水位和氣壓受熱帶氣旋影響，均發(fā)生震蕩變化，?？诘卣鹋_井水位與氣壓測項(xiàng)的高通濾波變化形態(tài)具有相似性，且在時(shí)間上具有一致性，而火山流體臺二者對應(yīng)關(guān)系稍差，說明氣壓對?？诘卣鹋_井水位影響較大。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，在熱帶氣旋登陸海南期間，觀測井水位上升是氣壓和降水綜合作用的結(jié)果，承壓深水井受井孔氣壓影響較大，而裂隙水井受降水影響較大。

3 水位高頻擾動頻譜特征

對2014年7月18日—19日“威馬遜”期間，海口地震臺、火山流體臺和向榮村臺水位進(jìn)行頻譜分析，與正常天氣時(shí)頻譜變化進(jìn)行對比（圖4），發(fā)現(xiàn)：①正常天氣時(shí)，各井水位變化周期為100—102min；②熱帶氣旋期間，井水位偏離正常形態(tài)，主要為高頻數(shù)據(jù)，變化周期范圍多在100—101min；③熱帶氣旋期間功率譜幅度明顯較大。

由圖4可見，?？诘卣鹋_在正常天氣和熱帶氣旋期間，功率譜幅度均小于其他臺站。筆者認(rèn)為此現(xiàn)象與觀測井自身?xiàng)l件及觀測層位有關(guān)。這是因?yàn)椋孩俪袎核^測較深層的水位變化，長期觀測數(shù)據(jù)顯示，?？诘卣鹋_觀測井水位日變化小，長期動態(tài)穩(wěn)定，不易受外界環(huán)境影響；②裂隙水井觀測較淺層水位變化，日變化較大，易受外界環(huán)境影響（如降水、滲入補(bǔ)給等）；③熱帶氣旋天氣對承壓水井的水位影響較小，功率譜幅度變化不大，而裂隙水井則受到較大影響，功率譜幅度達(dá)到正常天氣時(shí)2倍以上。

圖4　熱帶氣旋“威馬遜”引起的水位變化頻率曲線（a）正常形態(tài)；（b）熱帶氣旋形態(tài)Fig.4 Frequency content of water level caused by tropical cyclones

4 相對重力觀測記錄特征

在熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”期間，瓊中地震臺相對重力儀重力潮汐變化值曲線明顯變粗，噪聲變大，經(jīng)高通濾波，脈動加粗特征更加明顯（圖5），表現(xiàn)為“紡錘形”，波動最大幅度分別約17×10-8m·s-2和24×10-8m·s-2，且“海鷗”期間重力儀波動振幅稍大。從時(shí)間上看，熱帶氣旋在重力潮汐變化曲線脈動加粗現(xiàn)象出現(xiàn)后登陸海南，有一個(gè)滯后時(shí)間。

圖5　熱帶氣旋信息與重力固體潮及高通濾波曲線（a）熱帶氣旋“威馬遜”；（b）熱帶氣旋“海鷗”Fig.5 Tropical cyclone information and the tidal gravity and high-pass filtering curve

金星和康蘭池（2007）及王梅等（2009）利用寬頻帶地震儀對熱帶氣旋信號的頻率域進(jìn)行了深入分析，得出熱帶氣旋信號卓越周期范圍為3—8 s；卓越周期隨熱帶氣旋中心風(fēng)速增大而增大；卓越周期受風(fēng)源移動速度與地震臺站角度綜合影響，成反比關(guān)系。另外，據(jù)以往記錄到的重力儀“震前擾動”現(xiàn)象，如汶川8.0級地震前的“重力擾動”，其擾動周期為4—8 s（郝曉光，2008），與臺風(fēng)信號卓越周期基本相同。

中國氣象局將“威馬遜”定義為超強(qiáng)臺風(fēng)，是中國41年以來最強(qiáng)臺風(fēng)，中心最大風(fēng)速為60 m/s。從卓越周期隨熱帶氣旋中心風(fēng)速增大而增大的角度分析，該臺風(fēng)超出金星等對熱帶氣旋的研究范圍。其卓越周期超出8 s，即超出重力儀“震前擾動”信號周期（王梅等，2009）。“海鷗”中心的最大風(fēng)速為40 m/s，與以往諸多臺風(fēng)強(qiáng)度相同，其卓越周期在3—8 s。另由圖1可知，熱帶氣旋“威馬遜”“海鷗”的移動路徑與瓊中地震臺角度基本相同，就目前掌握的資料，筆者認(rèn)為，“威馬遜”卓越周期超過重力儀“震前擾動”信號周期，是導(dǎo)致其對重力波動幅度比熱帶氣旋“海鷗”小的主要原因。

由圖5可見，熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”期間，重力曲線變粗時(shí)間分別為7月17日14時(shí)至7月20日23時(shí)及9月15日13時(shí)至9月18日10時(shí)，對比圖1的熱帶氣旋路徑發(fā)現(xiàn)，熱帶氣旋對重力產(chǎn)生影響時(shí)中心已到近海，此時(shí)，熱帶氣旋中心與瓊中地震臺的距離分別為581 km和705 km，并向中國大陸移動，中心風(fēng)速均在38 m/s以上（表1）。但熱帶氣旋停止編號時(shí)，中心風(fēng)速已降至16 m/s甚至更低，重力觀測曲線仍未恢復(fù)到正常觀測水平。

5 結(jié)論

熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”登陸海南期間，海南觀測井水位及重力觀測數(shù)據(jù)發(fā)生變化，分析認(rèn)為：①觀測井水位上升是氣壓和降水綜合作用的結(jié)果，承壓深水井受井孔氣壓影響較大，裂隙水井受降水影響較大；②觀測井水位功率譜幅度明顯大于正常天氣時(shí)的變化，且水位偏離正常形態(tài)，主要為高頻數(shù)據(jù)，周期范圍多在100—101min；③熱帶氣旋對重力的擾動幅度與其卓越周期有關(guān)，卓越周期越接近重力“震前擾動”信號周期，對重力的擾動幅度越大。熱帶氣旋開始對瓊中地震臺重力觀測產(chǎn)生影響需要一定條件：熱帶氣旋中心已到近海，與臺站的距離較近，并向中國大陸地區(qū)移動，中心風(fēng)速在38 m/s以上，即使熱帶氣旋活動結(jié)束，對重力觀測儀器的影響仍未結(jié)束。

重力觀測儀器具有寬頻帶、高靈敏度和高精度傳感器的特性，可記錄一定范圍內(nèi)降雨拍打地面及熱帶氣旋和海浪摩擦產(chǎn)生的次聲波等信息。熱帶氣旋對觀測井水位產(chǎn)生影響，是因?yàn)榈乇砼c觀測井水面同時(shí)受到氣壓作用時(shí)，受地層與水體應(yīng)力傳遞差異性及降雨滲透等作用影響，水位升高。兩種觀測儀記錄的物理量不同，導(dǎo)致記錄的變化形態(tài)不同。通過高通濾波發(fā)現(xiàn)，重力觀測儀“紡錘形”濾波記錄比水位高通濾波時(shí)間長，即重力觀測儀對熱帶氣旋的響應(yīng)時(shí)間較長。

熱帶氣旋對海南地震觀測井水位和重力觀測產(chǎn)生影響，通過分析井水位和重力數(shù)據(jù)的變化特征，可對今后開展相關(guān)跟蹤分析工作提供基礎(chǔ)資料，便于區(qū)分自然環(huán)境與其他（場地環(huán)境和人為干擾等）因素對地震觀測數(shù)據(jù)的影響，并為不明原因的干擾排查提供有利依據(jù)。

車用太，魚金子，張大維.降雨對深井水位動態(tài)的影響［J］.地震，1993，（4）：8-15.

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Abstract

In this article，the observation record characteristics of water level and gravity，during the tropical cyclone “Rammasun” and “Kalmaegi” are summarized and analyzed.The results show that，under the special natural environment such as depression and heavy rainfall，most of the well water level rises.The gravity curve become rough and with larger noise.The correlation of water level changes and the strong rainfall is good through high-pass filtering.The water level vibration period caused by tropical cyclone is 1—10 min according to spectrum analysis.The gravity observation curve affected by tropical cyclones has a relationship with factors such as predominant period and center wind speed of the tropical cyclone.

Characteristics analysis of the influence of tropical cyclones to water level and gravity in Hainan Province

Liu Yang，Sun Sanjian，Xie Xiaojing，Zhang Hui and Zhang Fan
（Earthquake Administration of Hainan Province，Haikou 570203，China）

water level，gravity，tropical cyclones

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.003

劉陽（1984-10—），女，工程師，主要從事地震前兆觀測與研究工作

中國地震局三結(jié)合課題（162101）