臺風“煙花”對江蘇地區臺基噪聲自相關函數卓越周期的影響

楊 馳 王 俊 李正楷 朱 峰

（中國南京 210008 江蘇省地震局）

0 引言

我國是世界上少數幾個受臺風危害最嚴重的國家之一。我國熱帶氣旋登陸的持續時間平均約為4 個月，最短不到1 個月，最長可達半年。據1949 年以來的臺風資料，若以熱帶氣旋的中心氣壓表示其強度，我國熱帶氣旋登陸強度有逐年增加的趨勢。臺風作為一種破壞性極強的天氣系統會對地震臺站所處觀測場地的環境背景噪聲產生明顯的影響。研究表明，沿海地區臺風引起的強烈海浪運動會使地脈動能量顯著增強，從而對當地臺基噪聲水平產生影響。鄭露露等（2017）通過臺風期間臺基噪聲的變化來研究臺風激發地脈動的源區分布及激發方式。金星等（2007）通過對臺基噪聲變化的研究來定位臺風位置及臺風強度。

測震臺站的大部分觀測數據是臺基噪聲，即臺站所在場地的環境背景噪聲。在短周期頻段，臺基噪聲主要來源于近場的人類活動和風、河流等自然因素的影響；在20s 到1s 的中周期頻段，臺基噪聲主要來源于海洋波浪的影響；在長周期頻段，臺基噪聲主要來源于溫度、氣壓的變化及日照、潮汐等因素的影響（中國地震局監測預報司，2017）。近年來，一些研究者利用背景噪聲層析成像方法（ambient noise-based tomograhy，ANT）進行上地幔及地殼速度結構的研究（孟亞鋒等，2019；馮紅武等，2019；王仁濤等，2019）。該方法能夠擺脫傳統層析成像對于地震的依賴，而且射線路徑更加均勻，得到的研究結果更加細致、可靠。同時，也有研究者致力于臺基噪聲本身特征的研究（葛洪魁等，2013；陳棟爐等，2018；王芳等，2019）。此類研究可以監控地震儀器工作狀態及觀測環境的變化，進而改善地震臺網的監測能力。對臺基噪聲強度與頻率間關系的研究及臺基噪聲水平空間分布差異性的研究可建立區域背景噪聲模型，以利于后續深入研究。測震臺站臺基噪聲水平可直接影響觀測數據質量。自相關函數描述信號在任意2 個不同時刻t1、t2的狀態之間的相關程度。本文擬通過對江蘇測震臺站地震波形自相關函數卓越周期小時值的計算來研究臺風過境前后臺站臺基噪聲的變化，并對結果進行分析。

1 數據

1.1 測震數據

江蘇測震臺網共有數字化測震臺站75 個（圖1），其中，深井臺31 個，地面臺44 個。平均密度為7.3 臺/萬km2，平均臺間距約為28 km，蘇南、蘇北地區臺站稍密，蘇中沿海地區相對稀疏。江蘇測震臺網配備寬頻帶地震儀63 臺，甚寬頻帶地震儀4 臺，短周期地震儀8 臺，儀器型號見表1。利用2021 年7 月1 日至8 月3 日75 個臺站連續波形觀測資料，每小時計算1 次各臺站的波形自相關函數卓越周期。同時，為了研究臺風“煙花”對江蘇地區臺基噪聲能量強度的影響，取2021 年7 月18—30 日、3 月1 日至7 月31 日各臺站連續波形計算臺基噪聲水平的速度均方根有效振幅（RMS）。

圖1 江蘇測震臺站分布Fig.1 Distribution of seismic stations in Jiangsu Province

表1 江蘇測震臺網測震儀器型號及數量Table 1 Model and quantity of seismic instruments in Jiangsu Seismic Network

1.2 臺風數據

臺風“煙花”2021 年7 月18 日2 時在西北太平洋洋面上生成，7 月19 日早晨加強為強熱帶風暴，7 月21 日11 時加強為強臺風級，7 月25 日12 時30 分前后登陸浙江舟山普陀區，登陸時強度為臺風級，中心最大風力13 級（38 m/s）。“煙花”7 月26 日上午9 點在杭州灣西部減弱為強熱帶風暴級，隨后于上午9 點50 分在浙江平湖沿海再次登陸，登陸時中心附近最大風力10 級（28 m/s）。登陸后持續向西偏北方向移動，在同日17 時左右從蘇州吳江進入江蘇省，一路從蘇州穿過太湖進入無錫宜興、常州溧陽、南京高淳等地，并朝著西北方向繼續移動，受其影響，江蘇地區從南向北出現大風及持續性降雨天氣。7月28日凌晨，“煙花”由熱帶風暴級減弱為熱帶低壓，減弱后的熱帶低壓于7 月30 日晚上在渤海海面變性為溫帶氣旋，30 日晚8 時對其停止編號。

臺風“煙花”在江蘇累計停留時間長達37 h，是有記錄以來在江蘇停留時間最長的臺風，也是過程雨量最大的臺風。根據中國天氣網提供的臺風位置數據可繪制臺風“煙花”路徑圖（圖2）。

圖2 臺風“煙花”路徑Fig.2 Path of the typhoon “Yanhua”

2 研究方法

2.1 自相關函數

自相關就是函數與函數本身間的相關性，當函數中有周期性分量時，自相關函數的極大值能夠很好地體現這種周期性。當信號中含有多個周期分量，有1 個周期分量振幅最大時，該分量被稱為卓越的，其周期被稱為卓越周期。

自相關函數可描述隨機信號在任意不同時刻t1、t2的取值之間的相關程度。其定義式為

其中，τ為自相關函數的延時量；T為信號周期。周期信號中的隨機信號隨著時間的推移其自相關函數將衰減到0，因此，在一段時間以后信號的自相關函數中只剩下周期信號的信息，從而排除了隨機信號的影響。所以可以通過計算周期信號自相關函數τ=0 時的特征卓越周期來反映信號的固有特征（圖3）。自相關函數有如下特征：①自相關函數為偶函數，其圖形關于y軸對稱；②當τ=0 時函數取得最大值；③周期信號的自相關函數是具有與原信號相同周期的函數。

圖3 自相關函數圖Fig.3 Autocorrelation function diagram

2.2 速度均方根有效振幅（RMS）

數字地震計記錄的數據是Counts 數，首先需要把Counts 數轉換為臺基噪聲速度，計算公式如下

其中，v為臺基噪聲實測速度（m/s）；N為實際觀測的Counts 數；K為數據采集器轉換因子（V/Counts）；G為數據采集器前放增益；S為地震計電壓靈敏度［V/(m/s)］（李媛媛等，2004）。

地震臺站臺基噪聲速度均方根有效振幅定義式為

其中，vi為采樣點臺基噪聲速度（m/s）。

3 結果

研究時段內，除儀器本身存在問題和長時間斷記的16 個地震臺站（BY、GAY、JIW、JT、QSD、RD、NT、NJ2、RG、SIY、TX、WUJ、XW、YC、YGD、LIB）之 外，共 有59 個地震臺站的數據用于計算。經計算得到研究時段內江蘇地震臺網波形自相關函數卓越周期小時值，挑選其中觀測質量較高的8 個臺站的結果繪制波形自相關函數卓越周期隨時間變化散點圖（圖4）。由圖4 可見，臺風“煙花”生成之前卓越周期穩定在2—4 s。2021 年7 月18 日臺風“煙花”生成，臺風引起劇烈的海浪運動，海浪運動產生的壓力變化作用于洋底或海岸引起區域地脈動的變化，進而影響臺站臺基噪聲。但此刻臺風距海岸線較遠，海水較深，海浪運動產生的壓力在到達洋底前衰減嚴重，所以卓越周期并無明顯變化。隨后“煙花”風力逐漸增強并逐漸向淺海地區移動，20 日6 時起卓越周期開始明顯升高。隨著“煙花”進一步向江蘇地區逼近，風力也再次加強，24 日2 時左右卓越周期達到峰值（4—7 s）。之后，“煙花”繼續向西北方向移動，臺風的部分影響區域由海洋轉變為陸地，作用于海浪的能量逐漸減少，卓越周期開始下降，直到28 日左右恢復正常水平。江蘇地震臺網波形自相關函數卓越周期的變化與臺風“煙花”的進程高度契合。

圖4 2021 年7 月1 日到8 月3 日波形自相關函數卓越周期值Fig.4 The predominant period value of waveform autocorrelation function from July 1 to August 3 in 2021

此外，計算臺風過境期間（2021 年7 月18—30 日）各地震臺站垂直向臺基噪聲水平的速度均方根有效振幅（RMS 值），并與前4 個月各臺站垂直向RMS 值進行比較。受臺風“煙花”的影響，在59 個地震臺站中RMS 值升高有35 個，下降的有24 個（圖5）。雖然RMS值上升的臺站占59%，但其中93.2%臺站的RMS 值變化幅度不超過1×10-8m/s，91.5%臺站的RMS 值變化幅度不超過正常值的20%，86.4%臺站的RMS 值變化幅度不超過正常值的15%。將臺風期間各臺站RMS 值與2021 年3—6 月RMS 值月均值作對比（圖6），由圖6 可見，各臺站RMS 值并未出現大幅度改變，變動幅度在正常波動范圍內。

圖5 臺風期間RMS 值與2021 年3—6 月RMS 值Fig.5 Comparison of the RMS value during typhoon and the RMS value from March to June in 2021

圖6 臺風過境期間RMS 值與2021 年3—6 月RMS 值月均值Fig.6 Comparison of the RMS value during typhoon and the average monthly RMS value from March to June in 2021

4 結束語

本文利用波形自相關函數卓越周期的方法，探究了臺風“煙花”對江蘇地區地震臺站臺基噪聲的影響。研究發現，受臺風“煙花”的影響，江蘇地震臺網波形自相關函數的卓越周期由平時的2—4 s 上升到4—7 s，但RMS 值并沒有明顯增大。通過分析臺風參數與卓越周期間的相關性發現，臺風“煙花”對波形自相關函數卓越周期的影響并非來源于臺風的直接作用，而主要來自臺風引起的激烈海浪運動。本文對于臺風“煙花”參數與卓越周期間的相關性研究多是定性的，雖能較清晰地反映這種客觀規律，但臺風是一種復雜的天氣系統，其對于臺基噪聲的影響機理還需要綜合利用氣象資料和海洋觀測資料開展更加細致深入的研究。