瓊中地震臺PET重力儀和CTS-1EF地震計記錄的熱帶氣旋信號特征分析

李盛 周雯 張慧 余宙 吳佳林

（中國海口 570203 海南省地震局）

0 引言

隨著中國地震局“十五”數字化地震觀測網絡項目和背景場項目的實施，地震臺站利用寬頻帶（甚寬頻帶）地震儀、秒采樣的數字化連續重力儀的測項逐漸增加，尤其是同址觀測的實現，為研究寬頻帶（甚寬頻帶）地震儀、秒采樣的數字化連續重力儀觀測信號的特征，深入挖掘其所蘊含的科學信息提供了便利。連續重力固體潮汐觀測數據可以較好地反映地球固體潮汐的日波、半日波特征及地震孕育過程的中期特征（國家地震局科技監測司，1995）。重力固體潮連續觀測可以記錄與潮汐變化有關的地殼運動，精確觀測地球系統各圈層物質遷移所引起的重力變化效應，是研究固體地球內部構造和運動特征的重要物理量之一。CTS-1EF 地震計是高靈敏度、寬頻帶、高性能新型地震計，目前已廣泛應用于我國的地震監測中，其傳感系統具有甚寬頻帶、大動態、三分量等特征，可記錄50 Hz—120 s 帶寬的信號，但該地震計不能記錄固體潮等長周期信號。

已有研究表明，與地震計相同，連續觀測的重力儀也能清晰記錄地震波信號。周江林等（2015）通過研究北京地震臺gPhone 型重力儀同震響應特征認為，相對于寬頻帶地震計，gPhone 型重力儀也能提供地震引起的地面運動信息，其首波初至、地震頻帶響應等特征與寬頻帶地震計高度相似，且gPhone 型重力儀對長周期地震面波響應較好，表現出其獨有的特性；王林松等（2012）通過分析2011 年3 月11 日東日本9.0 級地震重力信號同震響應認為，由震后12 h 數據經帶通濾波可以分辨7個環繞地球傳播的瑞雷波記錄，且在低頻范圍內（5×10-3Hz 以下）檢測到43 個地球自由振蕩基頻振型及52 個諧頻振型，其分布與理論模型吻合較好。其中，在1×10-3Hz 以下的低頻段觀測到4 個振型的譜峰分裂現象。不僅對地震，對于臺風等熱帶氣旋強對流天氣，地震儀和重力儀同樣可以記錄信息，且觀測結果能夠相互佐證（郝曉光等，2008；胡小剛等，2010；蔣駿等，2010，2012；張雁濱等，2013；王梅等，2014；李盛等，2016）。

瓊中基準地震臺（以下簡稱瓊中臺）位于海南島陸中部，擁有重力、地磁、地電和測震等測項，是我國最南端的連續重力觀測臺站。本文利用瓊中臺PET 重力儀、CTS-1EF 地震計記錄到的熱帶氣旋信號的波形和頻譜特征，分析了PET 重力儀、CTS-1EF 地震計觀測數據的特征。

1 臺站、儀器概況

瓊中臺位于海南省瓊中縣縣城營根鎮東南,地處海南島中部五指山區木頭山東北側小山間盆地，屬國家Ⅰ類臺。受熱帶季風氣候影響，臺站高溫多雨的氣候特征顯著，年降水量達2 000 mm，年氣溫為8—37 ℃。臺站地處區域性基底隆起的花崗巖侵入地區，地殼穩定性較好，巖基為海西—印支期花崗巖，巖性致密、堅硬，屬混合花崗巖，周圍10 km內無大斷裂通過。瓊中臺地質地理位置見圖1。

圖1 瓊中地震臺位置Fig.1 The location map of Qiongzhong Seismic Station

瓊中臺連續重力觀測采用美國Micro-g LaCoste Inc 公司生產的PET 型重力儀，這是一種全自動型重力儀，可用于測量地球各點重力隨時間的變化，也可以檢測周期從秒到若干年的地球物理、地球動力學效應所導致的微小重力場變化。儀器主要技術指標見表1。

表1 PET 型重力儀主要技術指標Table 1 The main specifications of PET gravimeter

CTS-1EF型寬頻帶地震計帶寬為50 Hz—120 s，速度輸出平坦，靈敏度為2×1 000 V/(m·s-1)，最大輸入幅度1×10-2m·s-1，動態范圍140 dB，采樣率100 Hz。

2 PET 型重力儀與CTS-1EF 型地震計波形對比

海南是臺風多發地區，瓊中臺所在的海南島中部氣候類型為典型的熱帶季風氣候，其主要特點是全年高溫，降水分旱、雨兩季，季風顯著，盛行熱帶氣旋。受熱帶季風氣候的影響，高溫多雨的氣候特征顯著，年降水量達2 000 mm，年氣溫為8—37℃，月溫差為10℃，每年4—10 月為雷雨季節，7—10 月為臺風季節。

熱帶氣旋的強度一般根據平均風速進行評定，當底層中心附近最大平均風速大于32.7 m·s-1時，將其稱為臺風。2009—2016 年，共有23 個臺風級以上的熱帶氣旋在瓊中臺300 km 范圍內活動。限于篇幅，本文僅選擇較有代表性的3 個熱帶氣旋——“威馬遜”“海鷗”“莎莉嘉”（臺風的詳細信息可通過網址http://typhoon.zjwater.gov.cn/default.aspx###進行查詢）為例進行分析，研究其對瓊中臺重力非潮汐變化的影響。

PET 型重力儀觀測的原始重力數據（秒采樣）包含潮汐、非潮汐信號（含地震波、漂移等）及其他干擾等信息；而CTS-1EF 型寬頻帶地震計觀測數據不包含1/3 日波、半日波、周日波等長周期（極低頻）潮汐波信號，無零漂等現象。因此，應用Tsoft 軟件對重力觀測原始數據進行潮汐改正和零漂改正，獲得改正后的重力殘差信號。因地震計的采樣率為100 Hz，而重力儀的采樣率為1 Hz，因此須將地震計觀測數據降采樣為1 Hz（取垂直方向）。由于PET型重力儀觀測的是重力加速度值，其單位是10-8m·s-2；而地震計觀測的是速度值，其單位是10-8m·s-1，因此采用2 種方式將二者歸算到統一的物理量進行比較：一是對降采樣的垂直向地震計觀測數據進行求導，使其變為加速度值；二是對重力殘差數據進行積分，使其轉化成速度值，再與地震計原始數據進行比較。以下分析中，分別選取受熱帶氣旋活動影響的重力儀、地震計記錄到的數據波形作為實例，采用這2 種方式進行歸一化比較。

2.1 速度

“威馬遜”“海鷗”“莎莉嘉”等3 個熱帶氣旋信息列于表2。首先，對比受熱帶氣旋影響的積分后重力殘差數據與地震計原始數據波形（即比較速度值）（圖2）。需要說明的是，對連續重力原始秒數據進行潮汐改正，改正的是理論固體潮值，重力殘差數據中仍會殘留一些固體潮信號，若用消除理論固體潮后的重力殘差數據直接進行積分，則積分后的重力殘差數據固體潮信息仍很明顯，與地震計數據相比，差別較大。為此，在對消除理論固體潮信號的重力殘差進行積分之前，需先進行高通濾波，高通濾波的截止頻率定為0.01 Hz，這樣即可完全消除固體潮等長周期信號。圖2 中的截取波形基本包含了熱帶氣旋在積分后重力殘差數據與地震計原始數據上擾動產生、升高、擾動高潮和擾動消減（2014 年7 月19 日瓊中臺地震計原始數據缺失，未能完全呈現“威馬遜”熱帶氣旋影響消減過程的波形）。3 個熱帶氣旋分別在積分后重力殘差數據上及地震計原始數據上產生的最大擾動幅度見表3。結合圖2、表2、表3 來看，3 個熱帶氣旋的重力儀、地震計波形基本類似。但在熱帶氣旋影響較小時段，可明顯看出地震計波形的穩定性稍差，有所起伏；而積分后的重力高通濾波波形則無起伏，這應與地震計、重力儀記錄的背景噪聲不同有關。在熱帶氣旋引起的擾動幅度方面，重力高通濾波積分后的波形與地震計波形擾動幅度均與熱帶氣旋中心與瓊中臺間的距離成正比；與地震波形情況一致（李盛等，2018），地震計數據的最大擾動幅度大于重力儀數據，3 個熱帶氣旋的地震計、重力儀數據最大擾動幅度比分別1.110:1、1.070:1 和1.002:1；“莎莉嘉”熱帶氣旋引起的信號擾動幅度最大，其次是“海鷗”熱帶氣旋的，最小為“威馬遜”熱帶氣旋的，這說明盡管“威馬遜”熱帶氣旋風速、最大風力均最大，但因其臺風中心最接近瓊中臺時的距離最大，所以引起的最大擾動幅度反而最小。

表2 3 個熱帶氣旋的信息Table 2 The information of the 3 tropical cyclone

表3 3 個熱帶氣旋分別在積分后重力殘差數據上及地震計原始數據上產生的最大擾動幅度Table 3 The information of waveforms recorded by seismometer and gravimeter

圖2 重力殘差高通濾波積分后波形、地震計記錄地震波形和熱帶氣旋中心與瓊中地震臺間的距離（a）“威馬遜”熱帶氣旋；（b）“海鷗”熱帶氣旋；（c）“莎莉嘉”熱帶氣旋Fig.2 The waveform after high-pass filter integral of gravity residual,the seismic waveform of seismometer recorded and the distance between tropical storm center and Qiongzhong Seismic Station

時頻分析（JTFA）即時頻聯合域分析（joint time-frequency analysis）的簡稱，作為分析時變非平穩信號的有力工具已成為現代信號處理研究的熱點之一。時頻分析方法提供了時間域與頻率域的聯合分布信息，可清楚描述信號頻率隨時間的變化。圖3 為“海鷗”熱帶氣旋影響期間重力殘差高通濾波積分與地震計數據的時頻曲線。由圖3 可見，在0.150 Hz 以下的低頻段，重力儀記錄的信號強度比地震計的大得多。已有研究表明，熱帶氣旋的信號頻段主要為0.125—0.250 Hz（李杰等，2009；鐘繼茂等，2015；王新勝等，2016；李盛等，李盛等，2018；李盛，2020），由圖3 也可見，重力殘差高通濾波積分與地震計數據在0.125—0.250 Hz 頻段的信號較強，也即二者受“海鷗”熱帶氣旋影響明顯。

圖3 受“海鷗”熱帶氣旋影響的重力殘差高通濾波積分值（a）、地震計記錄地震波形時頻圖（b）Fig.3 The time-frequency map of high-pass filter integral of the gravity residual in Qiongzhong station (a) and the seismic waveform recorded by the seismometer (b)during the influence of “Seagull”

2.2 加速度

圖4 為“海鷗”熱帶氣旋影響期間重力殘差數據與測震求導數據的波形（即加速度）。由圖4 可見，積分后重力殘差數據與地震計原始波形數據對比結果一致（地震計原始數據最大擾動幅度為4 002.6×10-8m·s-2，重力儀殘差數據最大擾動幅度為3 905.5×10-8m·s-2，擾動幅度比為1.02），在此不再贅述。圖5 為“海鷗”熱帶氣旋影響期間重力殘差和測震求導數據頻譜對比。由圖5 可見，二者的頻譜特征一致性較好，與前述時頻圖（圖3）的情況類似，在0.150 Hz 以下的低頻段，重力殘差數據比地震計求導數據信號強；在0.125—0.250 Hz信號較強，這表明信號受熱帶氣旋影響明顯。

圖4 2014 年“海鷗”熱帶氣旋影響期間重力殘差和測震求導數據波形對比（a）重力儀；（b）地震計Fig.4 The comparison of gravity residuals and derivation data of seismic waveforms during the influence of“Seagull”

圖5 “海鷗”熱帶氣旋影響期間重力殘差和測震求導數據頻譜對比（a）重力儀；（b）地震計Fig.5 The comparison of spectra of gravity residuals and derivation data of seismic waveforms during the influence of“Seagull”

3 結論與討論

通過比較速度、加速度2 個物理量的方式，對PET 型重力儀、CTS-1EF 型地震計記錄的熱帶氣旋信號進行分析，得到以下結論。

（1）無論是比較加速度值（重力殘差和測震數據求導）還是速度值（重力殘差高通濾波后積分和地震計原始數據），記錄到的熱帶氣旋信號波形均具有很好的一致性。

（2）3 個熱帶氣旋的重力殘差高通濾波積分數據與地震計原始數據在0.150 Hz 以下低頻段的頻譜特征有所差異，這主要表現為重力殘差高通濾波積分數據在該頻段內信號較強，表明重力儀相對于地震計更善于捕捉長周期信號。而在0.150—0.250 Hz 頻段，二者信號均較強，這也進一步表明熱帶氣旋信號主頻段為0.125—0.250 Hz。

（3）3 個熱帶氣旋對PET 重力儀與CTS-1EF 寬頻帶地震計所記錄的速度值和加速度值均產生明顯擾動影響，且PET 重力儀的最大擾動幅度均小于地震計，但差異很小，這可能與2 臺儀器墩體位置的細微差異有關。

因此，在對臺站PET（gPhone）型重力儀進行數據跟蹤分析時，對于一些不明原因的擾動，若不能判斷是否受到熱帶氣旋擾動的影響，可結合寬頻帶地震計數據進行分析，以排除或確認擾動的來源。

已有研究主要側重于重力儀、地震計記錄的地震波形特征。本文結合海南的氣候特點，研究了PET 型重力儀和CTS-1EF 型地震計所記錄的熱帶氣旋信號特征，所得結果有助于更全面地認識重力儀、地震計觀測數據的特性。