沙塵暴對測震臺站環(huán)境噪聲干擾的特征分析
——以二連浩特臺為例

安 全

1 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特市哲里木路80號，010010

環(huán)境噪聲是影響測震臺站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素之一。觀測數(shù)據(jù)高頻段主要受到工業(yè)活動、交通運輸?shù)热藶橐蛩氐挠绊慬1]，微震頻段主要受到海洋活動的影響[2]，低頻段主要受到溫度、氣流變化等因素的影響[1]。21世紀(jì)以來，井下觀測技術(shù)在地震監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用，能有效降低地震觀測數(shù)據(jù)低頻和高頻背景噪聲水平[3-5]。內(nèi)蒙古地區(qū)春季沙塵暴較為嚴(yán)重，可能會對地震觀測環(huán)境噪聲水平產(chǎn)生影響，但目前尚未有此方面的研究。因此，本文計算二連浩特臺地表和井下連續(xù)觀測數(shù)據(jù)的加速度PSD值和相應(yīng)的PDF值，分析沙塵暴對地震環(huán)境噪聲水平的干擾特征和井下觀測方式對減小沙塵暴影響的效果。

1 臺站信息和數(shù)據(jù)來源

二連浩特臺位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟北部，全年干旱且風(fēng)沙較大，沙塵暴主要發(fā)生在3～5月。臺站同時具備地表和井下2種觀測方式，配有甚寬頻帶地震計和24位數(shù)據(jù)采集器，儀器信息見表1。2021年春季二連浩特地區(qū)沙塵暴天氣較往年更加突出，根據(jù)二連浩特市氣象局和環(huán)保局提供的信息，2021-03-14～15、2021-04-26沙塵暴較為嚴(yán)重(表2)，本文以這2個時間段數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。

表1 臺站信息Tab.1 Information of stations

表2 沙塵暴信息Tab.2 Information of sandstorms

2 數(shù)據(jù)處理

首先以1 h為間隔將數(shù)據(jù)分成若干段，采樣率為100 Hz，再將每小時的數(shù)據(jù)段分為42個記錄段。為降低PSD方差，相鄰記錄段間重疊率為50%，則每個記錄段長度約為160 s。為降低長周期對功率譜估計的偏差，對每個記錄段進(jìn)行去長周期和去均值的預(yù)處理；然后將預(yù)處理后的記錄段數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到以頻率為自變量的速度PSD值，再將速度PSD值轉(zhuǎn)換為加速度PSD值；最后進(jìn)行平滑處理并計算與PSD值相應(yīng)的PDF值。

2.1 PSD的計算

對周期時間序列y(t)的有限范圍進(jìn)行傅里葉變換：

(1)

式中，Tr為時間序列段長度，f為頻率。

對離散頻率值fk進(jìn)行傅里葉變換：

式中，fk=k/(NΔt)，k=1，2，…，N-1，Δt為采樣間隔(0.01 s)，N=Tr/Δt為截取時間段的采樣點數(shù)。

PSD的定義為：

將速度PSD值轉(zhuǎn)換為加速度PSD值：

Pa,k(f)=(2πf)2Pk(f)

(4)

消除儀器傳遞函數(shù)的影響：

式中，PSDa(f)為真實的地表運動加速度功率譜。

2.2 平滑處理

為了使PSD在頻域?qū)?shù)坐標(biāo)中等間隔采樣，采用1/3倍頻積分進(jìn)行平滑處理：

式中，fι=2-1/6fc為低頻拐角頻率，fh=21/6fc為高頻拐角頻率，n為介于二者之間的頻率f的個數(shù)。由式(6)可得中心頻率fc的PSDa(f)平均值PSDa(fc)，將其作為fc的PSD值。中心頻率fc以1/9倍頻程為增加步長，即下一個中心頻率為21/9fc，重新計算相應(yīng)的fι和fh，然后將新的fι和fh之間的PSD平均值作為下一個中心頻率fc的PSD取值。這樣在fc的取值范圍0.01～50 Hz內(nèi)，每個記錄段的PSD值隨頻率的變化情況可由在對數(shù)坐標(biāo)系中呈等間隔采樣的中心頻率的PSD值來表示。

2.3 PDF的計算

每個中心頻率fc的PSD的PDF為：

PPSD(fc)=NPfc/Nfc

(7)

式中，Nfc為fc頻點記錄段總數(shù)，NPfc為fc頻點PSD值落在某PSD取值范圍內(nèi)的記錄段個數(shù)，本文PSD窗長與步長都取1 dB，變化范圍為-200～-50 dB。一般以頻率為橫坐標(biāo)、PSD為縱坐標(biāo)、PPSD(fc)色塊顏色深淺為元素繪制三維平面圖，得到PDF分布，不同色塊代表某頻點在一定PSD窗內(nèi)功率譜的概率數(shù)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 1～20 Hz頻段PSD值分析

為研究沙塵暴對1～20 Hz頻段環(huán)境噪聲的影響特征，選取二連浩特臺無沙塵暴天氣(2021-03-01～02)和沙塵暴天氣(2021-03-14～15、2021-04-26)的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，分別計算觀測數(shù)據(jù)三分向PSD值，結(jié)果見圖1。

對比圖1(a)～1(c)和圖1(d)～1(i)可見，有大風(fēng)、沙塵暴時間段的背景噪聲水平明顯高于無沙塵暴時間段的背景噪聲水平，這種差異主要體現(xiàn)在4 Hz和9 Hz附近及10～20 Hz頻段。由圖1(d)～1(f)可見，2021-03-14 19:00～2021-03-15 01:00 10～20Hz頻段PSD值有一個突然增加的過程。參考表1可知，這個時間段與氣象局統(tǒng)計的強(qiáng)沙塵暴時間段吻合。2021-03-14 13：00～2021-03-15 01：00 4 Hz、9 Hz附近的PSD值一直保持較高狀態(tài)，這個時間段基本與氣象局統(tǒng)計的大風(fēng)時間段吻合。由圖1(g)～1(i)可見，2021-04-26 06:00～19:00 4 Hz、9 Hz附近及10～20 Hz頻段的PSD值一直保持較高狀態(tài)。參考表1可知，這個時間段與氣象局和環(huán)境監(jiān)測站統(tǒng)計的揚沙時間段重合。綜上所述，沙塵暴天氣對于地震觀測數(shù)據(jù)背景噪聲高頻的干擾主要體現(xiàn)在4 Hz、9 Hz附近及10～20 Hz頻段，其中沙塵主要影響10～20 Hz頻段的背景噪聲，大風(fēng)主要影響4 Hz、9 Hz附近的背景噪聲。

圖1 1～20 Hz頻段加速度PSD值隨時間分布Fig.1 Distribution of acceleration PSD values for band 1 to 20 Hz with time

3.2 沙塵暴干擾特征分析與壓制

分別選取沙塵暴最突出(2021-03-14 13:00～2021-03-15 01:00、2021-04-26 08:00～20:00)和無沙塵暴(2021-04-04 00:00～2021-04-05 00:00)各24 h的地表和井下連續(xù)波形數(shù)據(jù)，分別計算最高PDF值對應(yīng)的PSD平均值(圖2)，研究沙塵暴對環(huán)境噪聲水平的干擾特征。

3.2.1 有無沙塵暴天氣的地表PSD值對比

由圖2(a)、2(b)可見，在4～10 Hz頻段，無沙塵暴天氣觀測數(shù)據(jù)三分向PSD值變化較為平緩，有沙塵暴天氣觀測數(shù)據(jù)PSD值高于無沙塵暴天氣，尤其是在4～5 Hz和7～10 Hz頻段內(nèi)，沙塵暴天氣觀測數(shù)據(jù)三分向PSD值均有突變升高，且變化趨勢較為一致。說明沙塵暴在4～10 Hz頻段對環(huán)境噪聲水平有較大的影響，其中，4～5 Hz和7～10 Hz頻段對環(huán)境噪聲水平的影響更明顯，在大于10 Hz頻段，有沙塵暴天氣觀測數(shù)據(jù)三分向PSD值相比無沙塵暴天氣有一定的增加，其中垂直向最顯著，東西向次之，南北向變化不大。說明在大于10 Hz頻段內(nèi)，沙塵暴對觀測數(shù)據(jù)的環(huán)境噪聲有一定影響，且對三分向影響程度不同。在10 s～4 Hz頻段，有無沙塵暴天氣的觀測數(shù)據(jù)三分向PSD值基本一致，9.5 s和2.5 Hz處沙塵暴天氣觀測數(shù)據(jù)的PSD峰值甚至低于無沙塵暴天氣的PSD峰值。說明在10 s～4 Hz頻段內(nèi)沙塵暴對觀測數(shù)據(jù)沒有影響。在低于10 s頻段，沙塵暴天氣觀測數(shù)據(jù)東西向PSD值高于無沙塵暴天氣15 dB以上，垂直向和南北向PSD值變化不大。參考表1可知，本次沙塵暴風(fēng)向以偏西為主，所以導(dǎo)致低于10 s頻段的東西向背景噪聲受干擾最大。

BHE、BHN、BHZ分別表示東西向、南北向、垂直向分量，NHNM和NLNM分別表示全球高噪聲新模型和全球低噪聲新模型圖2 最高PDF值對應(yīng)的加速度PSD平均值Fig.2 The highest PDF values corresponding to the average values of acceleration PSD

3.2.2 井下觀測對減小沙塵暴影響的效果

由圖2(c)、2(d)可見，整個頻段內(nèi)有無沙塵暴天氣的觀測數(shù)據(jù)PSD值基本一致，只有在低于60 s頻段內(nèi)沙塵暴天氣觀測數(shù)據(jù)的PSD值才有一定的升高，說明井下觀測可明顯壓制沙塵暴對觀測數(shù)據(jù)環(huán)境噪聲的干擾。由圖2(a)、2(c)可見，在10 s～1 Hz頻段，2種觀測方式的PSD值一致；在低于10 s頻段，井下觀測數(shù)據(jù)三分向PSD值的一致性更高；在高于1 Hz頻段，井下觀測數(shù)據(jù)三分向PSD值低于地表觀測數(shù)據(jù)PSD值10～20 dB左右。再次說明井下觀測能夠有效壓制沙塵暴對環(huán)境噪聲的干擾，且大于1 Hz的頻段壓制效果最好。

4 結(jié) 語

1)沙塵暴對測震臺站環(huán)境噪聲水平有較大干擾，主要體現(xiàn)在4 Hz、9 Hz附近及10～20 Hz和低于10 s頻段。其中，沙塵主要影響10～20 Hz頻段的背景噪聲；大風(fēng)主要影響4 Hz、9 Hz附近的背景噪聲；低于10 s頻段內(nèi)三分向背景噪聲主要受風(fēng)向的影響。10 s～4 Hz頻段內(nèi)沙塵暴對環(huán)境噪聲水平?jīng)]有影響。

2)井下觀測能夠有效壓制沙塵暴對環(huán)境噪聲的干擾。