張萍 呂品姬 劉可 特木其勒 李垠 張亦梅



摘要利用黃梅臺(tái) VP 寬頻帶垂直擺傾斜儀在臺(tái)風(fēng)“巴威”( BAVI)和“煙花”( IN-FA)經(jīng)過期間記錄的連續(xù)觀測(cè)資料,通過小波分解和傅里葉變換,分析臺(tái)風(fēng)引起的地脈動(dòng)信號(hào)的擾動(dòng)特征和頻譜特性。結(jié)果表明:臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)幅度隨著臺(tái)風(fēng)進(jìn)程呈現(xiàn)出上升—峰值—下降的規(guī)律,與臺(tái)風(fēng)風(fēng)速、臺(tái)風(fēng)中心與臺(tái)站距離有良好的相關(guān)性;臺(tái)風(fēng)引起的地脈動(dòng)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)頻率范圍為0.13—0.3 Hz,對(duì)應(yīng)周期為3.3—7.7 s。
關(guān)鍵詞 VP 垂直擺傾斜儀;臺(tái)風(fēng);地脈動(dòng);小波分解;頻譜特征
中圖分類號(hào): P315.63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào):2096-7780(2023)07-0309-06
doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-147
Analysis of typhoon disturbance characteristics recorded by broadband tiltmeter at Huangmei station
Zhang Ping1, 2),Lü Pinji1, 2),Liu Ke1, 2),Temu Qile1, 2),Li Yin1, 2),Zhang Yimei1, 2)
1) Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Hubei Wuhan 430071, China
2) Hubei Earthquake Agency, Hubei Wuhan 430071, China
AbstractThe continuous observation data recorded by broadband vertical pendulum tiltmeter at Huangmei station during the typhoons“BAVI ”and“IN-FA ”were studied. Wavelet decomposition and Fourier transform were used to investigate the disturbance and spectrum characteristics of the microseism signal which caused by the typhoons. The results show that the disturbance amplitude has an increase-peak-decrease pattern during the process of typhoons,and has agoodcorrelation withthe windspeedof typhoons,thedistancebetweenthe typhooncenterandthestation. The dominant frequency range of the microseism caused by the typhoons is from 0.13 to 0.3 Hz,with the corresponding period of 3.3 to 7.7 s.
Keywordsvertical pendulum tiltmeter; typhoon; microseism; wavelet decomposition; spectrum characteristics
引言
垂直擺傾斜儀是一種重要的地傾斜觀測(cè)手段,通過連續(xù)記錄地面的傾斜變化狀態(tài)來反映地球的動(dòng)態(tài)變化與地震孕育的關(guān)系,在地震中短和短臨前兆異常監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用[1-2]。VP 寬頻帶垂直擺傾斜儀的采樣率為1 Hz,與分鐘采樣的 VS 垂直擺傾斜儀相比,觀測(cè)精度更高,并且能獲取更多的由大氣擾動(dòng)、海浪運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生的高頻背景噪聲信息,臺(tái)風(fēng)激發(fā)的地脈動(dòng)就是其中之一。
臺(tái)風(fēng)是一種高強(qiáng)度的熱帶氣旋,它激發(fā)海浪沖擊海岸和海底,使海浪之間發(fā)生非線性干涉產(chǎn)生地脈動(dòng)[3]。當(dāng)臺(tái)風(fēng)路徑與中國海岸距離較近時(shí),內(nèi)陸和沿海的地形變觀測(cè)儀器就能記錄到這些脈動(dòng),信號(hào)的包絡(luò)線通常呈現(xiàn)紡錘狀或喇叭狀[4]。擾動(dòng)信號(hào)持續(xù)1—3天不等,周期范圍為2—10 s,主要集中在4—8 s[5]。疊加在背景曲線上的高頻擾動(dòng)會(huì)對(duì)地震前兆信息的識(shí)別產(chǎn)生影響。因此,深入分析臺(tái)風(fēng)的擾動(dòng)特性,對(duì)于地震前兆異常判定及地震短臨預(yù)報(bào)具有重要意義。
以往的研究大多利用寬頻帶地震儀和秒采樣重力儀研究臺(tái)風(fēng)的擾動(dòng)特性[6-8]。胡小剛等[7]對(duì)全國多個(gè)寬頻帶地震儀在汶川地震前的異常擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析,發(fā)現(xiàn)該擾動(dòng)由動(dòng)態(tài)特征完全不同的兩部分組成,一種與臺(tái)風(fēng)活動(dòng)有關(guān),而另一種屬于非臺(tái)風(fēng)擾動(dòng),其擾動(dòng)源在靠近震中的內(nèi)陸區(qū)域,可能與地震有一定的聯(lián)系。王新勝等[8]利用陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)重力觀測(cè)數(shù)據(jù),分別研究了震前重力擾動(dòng)信號(hào)和臺(tái)風(fēng)引起的重力擾動(dòng)信號(hào)的主頻率特征,提出利用主頻率級(jí)差和標(biāo)準(zhǔn)差來區(qū)分二者的方法,推進(jìn)了重力觀測(cè)在強(qiáng)震短臨監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。而對(duì)寬頻帶垂直擺傾斜儀的研究較少。張燕等[9]對(duì)寬頻儀器數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析,結(jié)果顯示寬頻帶傾斜儀與寬頻帶測(cè)震儀、PET重力儀在記錄頻率范圍0.13—0.33 Hz 內(nèi)的高頻震顫波方面具有一致性,其產(chǎn)生原因與夏秋兩季的臺(tái)風(fēng)和近海海面的海風(fēng)有關(guān)。馮建琴等[10]對(duì)比分析了臨汾垂直擺傾斜儀記錄的高頻抖動(dòng)波與臺(tái)風(fēng)和地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系,結(jié)果表明高頻震顫波主要與臺(tái)風(fēng)和近海海風(fēng)干擾有關(guān),其次是遠(yuǎn)震震前形變,少部分原因不明。
本文以湖北省黃梅地震臺(tái) VP 寬頻帶垂直擺傾斜儀為研究對(duì)象,利用 VP 垂直擺傾斜儀在不同臺(tái)風(fēng)期間的連續(xù)觀測(cè)資料,分析臺(tái)風(fēng)引起的地脈動(dòng)信號(hào)在 VP 垂直擺傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)上的形態(tài)特征和頻譜特征,并研究信號(hào)的振動(dòng)幅度與臺(tái)風(fēng)風(fēng)速、臺(tái)風(fēng)中心距臺(tái)站距離之間的關(guān)系,從而為分析與排除干擾、識(shí)別地震前兆異常提供判據(jù)。
1 數(shù)據(jù)與方法
1.1 臺(tái)站與臺(tái)風(fēng)事件
黃梅地震臺(tái)地處地震構(gòu)造敏感區(qū),臺(tái)基條件良好,觀測(cè)條件穩(wěn)定。其形變觀測(cè)山洞為完整的花崗巖,建于1981年,做了防水防潮處理,覆蓋層厚度28—40 m,洞溫19.5℃, 年溫差>0.3℃, 日溫差>0.05℃[11]。洞室安裝 VP 寬頻帶垂直擺傾斜儀,多年來觀測(cè)資料連續(xù)可靠、完整率高,記錄的固體潮曲線形態(tài)清晰。在受到近海臺(tái)風(fēng)干擾時(shí),VP 垂直擺傾斜儀會(huì)產(chǎn)生明顯的同步擾動(dòng)現(xiàn)象。
本文選取2020年8號(hào)臺(tái)風(fēng)“巴威”和2021年6號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”兩次臺(tái)風(fēng)事件進(jìn)行研究。臺(tái)風(fēng)路徑如圖1所示。
臺(tái)風(fēng)“巴威”于2020年8月21日21時(shí)生成,24日升格為臺(tái)風(fēng),25日上午加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng),17時(shí)其中心位于東海北部海面上,中心附近最大風(fēng)力42 m/s,最低氣壓955 hPa,隨后持續(xù)北上,強(qiáng)度持續(xù)加強(qiáng),26日最大風(fēng)力達(dá)45 m/s,27日8時(shí)30分在中朝交界附近的朝鮮平安北道沿海登陸,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力35 m/s,中心最低氣壓970 hPa,10時(shí)減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí),17時(shí)在吉林省遼源市東豐縣境內(nèi)減弱為熱帶低壓。臺(tái)風(fēng)“煙花”于2021年7月18日2 時(shí)由熱帶低壓升格為熱帶風(fēng)暴,21日升格為強(qiáng)臺(tái)風(fēng),25日12時(shí)30分在浙江省舟山市普陀區(qū)沿海登陸,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力38 m/s,中心最低氣壓965 hPa,26日9時(shí)50分在浙江省嘉興平湖沿海再次登陸,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力28 m/s,28日在安徽省境內(nèi)減弱為熱帶低壓,隨后逐漸北上進(jìn)入渤海并變性為溫帶氣旋。圖2為臺(tái)風(fēng)“巴威”和“煙花”的中心風(fēng)速、臺(tái)風(fēng)中心與黃梅臺(tái)的距離。兩次臺(tái)風(fēng)經(jīng)過期間,VP 垂直擺傾斜儀觀測(cè)曲線均受到不同程度的影響,本文對(duì)兩次臺(tái)風(fēng)期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。
1.2 數(shù)據(jù)處理方法
本文利用小波分解和傅里葉變換提取寬頻帶傾斜儀記錄的地脈動(dòng)信號(hào),并對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,獲得信號(hào)的頻率范圍和頻譜特征。首先采用 db4小波對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行5層小波分解,將信號(hào)分解為2—4 s,4—8 s,8—16 s,16—32 s,32—64 s 等5個(gè)頻段,分析臺(tái)風(fēng)在不同頻段上的擾動(dòng)差異。原始信號(hào)與分解后信號(hào)的關(guān)系可表示為:S=D 1+D2+D3+D4+D5+A5,式中,S 為原始信號(hào),D 為小波分解細(xì)節(jié)項(xiàng),A 為趨勢(shì)項(xiàng)。然后去除趨勢(shì)項(xiàng),重構(gòu)1—5層細(xì)節(jié),并對(duì)合成信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換,最終獲得高頻信號(hào)的頻譜特征,以及信號(hào)能量隨頻率的分布特征。結(jié)合臺(tái)風(fēng)風(fēng)速和行進(jìn)路徑,可分析臺(tái)風(fēng)造成的擾動(dòng)幅度隨臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和臺(tái)風(fēng)中心距臺(tái)站距離的變化規(guī)律。
2 臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)的頻譜特征
2.1 小波細(xì)節(jié)分析
獲取黃梅臺(tái) VP 垂直擺傾斜儀在2020年8月22—29日臺(tái)風(fēng)“巴威”經(jīng)過期間及2021年7月21—28日臺(tái)風(fēng)“煙花”經(jīng)過期間的秒采樣數(shù)據(jù)。采用 db4小波將數(shù)據(jù)分解為5階,原始數(shù)據(jù)及分解結(jié)果見圖3和圖4??梢钥闯?,受臺(tái)風(fēng)影響,原始固體潮曲線逐漸加粗,擾動(dòng)幅度逐漸增大,于某一日達(dá)到峰值之后曲線逐漸變細(xì)并慢慢恢復(fù)正常形態(tài)。小波分解結(jié)果更清晰地展現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)對(duì)地傾斜觀測(cè)的影響,曲線呈現(xiàn)明顯的紡錘體結(jié)構(gòu),曲線形態(tài)先保持平穩(wěn),然后出現(xiàn)紡錘狀擾動(dòng),臺(tái)風(fēng)離開后逐漸恢復(fù)正常狀態(tài)。
結(jié)合臺(tái)風(fēng)風(fēng)速、臺(tái)風(fēng)中心與垂直擺傾斜儀距離圖,對(duì)臺(tái)風(fēng)“巴威”引起的傾斜儀擾動(dòng)進(jìn)行具體分析。臺(tái)風(fēng)“巴威”于21日生成后逐漸加強(qiáng),風(fēng)速越來越大,觀測(cè)曲線及小波變換曲線(圖3b,圖3c)越來越粗,25—26日風(fēng)速達(dá)到最大,曲線的擾動(dòng)幅度也達(dá)到最大,紡錘體結(jié)構(gòu)最為明顯,此時(shí)也是臺(tái)風(fēng)中心與臺(tái)站距離最近的時(shí)段,隨后隨著臺(tái)風(fēng)逐漸遠(yuǎn)離、風(fēng)力逐漸減弱,曲線也慢慢變細(xì)至恢復(fù)正常形態(tài)。因此,隨著臺(tái)風(fēng)中心與黃梅臺(tái)距離的減小、中心風(fēng)速的增加,臺(tái)風(fēng)引起的擾動(dòng)幅度逐漸增大。小波分解結(jié)果顯示,臺(tái)風(fēng)對(duì)小波分解各個(gè)頻段的影響幅度不一樣,2—4 s 頻段對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)最強(qiáng)烈,振動(dòng)幅度最大,4—8 s 稍弱,隨著頻率降低,振動(dòng)幅度也逐漸減小,32—64 s 頻段已幾乎沒有響應(yīng)。
而從臺(tái)風(fēng)“煙花”的小波分解結(jié)果可以看出,臺(tái)風(fēng)引起的擾動(dòng)幅度峰值時(shí)間與風(fēng)速最大時(shí)間及臺(tái)風(fēng)中心與臺(tái)站距離最近的時(shí)間并不一致。臺(tái)風(fēng)“煙花”風(fēng)速于22—23日達(dá)到最大,隨后逐漸減?。欢鴥A斜儀記錄的擾動(dòng)幅度并未隨著風(fēng)速的減小而減弱,在持續(xù)增強(qiáng)后于25—26日達(dá)到峰值,然后才逐漸降低。在此期間,臺(tái)風(fēng)中心與臺(tái)站的距離持續(xù)減小,于擾動(dòng)幅度達(dá)到峰值之后的28日,臺(tái)風(fēng)中心與臺(tái)站的距離最近。因此,臺(tái)風(fēng)引起的擾動(dòng)幅度達(dá)到峰值的時(shí)間是由臺(tái)風(fēng)風(fēng)速和距離綜合決定的,也說明臺(tái)風(fēng)引起的地脈動(dòng)信號(hào)傳播到傾斜儀所在位置是一個(gè)復(fù)雜的過程。
綜合分析可知,臺(tái)風(fēng)對(duì) VP 垂直擺傾斜儀觀測(cè)的干擾與臺(tái)風(fēng)風(fēng)速和臺(tái)風(fēng)中心與臺(tái)站距離有關(guān),擾動(dòng)幅度呈現(xiàn)隨臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的增大、臺(tái)風(fēng)中心與臺(tái)站距離的減小而不斷增強(qiáng)的趨勢(shì)。
2.2 頻譜特征分析
將數(shù)據(jù)去趨勢(shì)項(xiàng)后進(jìn)行傅里葉變換,得到信號(hào)的頻譜圖(圖5)。信號(hào)的頻譜成分在頻譜圖中得到了細(xì)化,頻譜圖清晰地展現(xiàn)了信號(hào)的頻譜特征隨時(shí)間的變化狀態(tài),以及不同頻率上信號(hào)能量的分布情況。
由圖5可以看出,臺(tái)風(fēng)引起的地脈動(dòng)信號(hào)的頻率主要集中在0.13—0.3 Hz,對(duì)應(yīng)的周期為3.3—7.7 s。隨著臺(tái)風(fēng)行進(jìn)的過程,頻譜能量也表現(xiàn)出先增大后衰減的趨勢(shì),與臺(tái)風(fēng)從最初生成、逐漸靠近到最后離開的過程一致,與臺(tái)風(fēng)風(fēng)速、臺(tái)風(fēng)中心與臺(tái)站距離表現(xiàn)出相關(guān)性。兩次臺(tái)風(fēng)事件期間,VP 垂直擺傾斜儀記錄的地脈動(dòng)信號(hào)的頻譜特征基本一致,臺(tái)風(fēng)路徑對(duì) VP 垂直擺傾斜儀記錄的臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)信號(hào)沒有明顯的影響。
2.3 臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)特征機(jī)理探討
臺(tái)風(fēng)激發(fā)地脈動(dòng)的機(jī)制可以用 Higgins 的海洋駐波理論[12]解釋,主要源于海浪間的非線性干涉產(chǎn)生的海浪駐波。臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)蘊(yùn)含的巨大能量激發(fā)海浪沖擊海岸和海底,產(chǎn)生的反射波浪與原生海浪發(fā)生非線性干涉,形成海浪駐波。海浪駐波傳播到海底,引起海底壓強(qiáng)變化,其變化頻率是海浪起伏引起的海底壓強(qiáng)變化頻率的2倍,并且可以不衰減地傳到海底,從而引發(fā)強(qiáng)烈的地脈動(dòng)。這種地脈動(dòng)可以在內(nèi)陸傳播很遠(yuǎn)的距離,使沿海及內(nèi)陸的觀測(cè)儀器產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)信號(hào)。
由前文分析可知,臺(tái)風(fēng)引起的擾動(dòng)幅度的變化趨勢(shì)與臺(tái)風(fēng)風(fēng)速和距離的變化趨勢(shì)并不完全一致,這也是地脈動(dòng)產(chǎn)生及傳播的復(fù)雜機(jī)理導(dǎo)致的。臺(tái)風(fēng)對(duì)陸殼的擾動(dòng)效應(yīng)是大氣、海洋、陸地等耦合作用的結(jié)果。擾動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生源于海洋上空猛烈旋轉(zhuǎn)的熱帶大氣漩渦與陸地的摩擦、氣壓載荷變化以及由此引發(fā)的巨浪對(duì)地殼的沖擊、氣旋的擾動(dòng)。地球內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜,地殼厚度分布不均,地脈動(dòng)信號(hào)在傳播過程中會(huì)發(fā)生變化,因此臺(tái)風(fēng)引發(fā)的地脈動(dòng)信號(hào)具有復(fù)雜性和未知性。
3 討論與結(jié)論
本文對(duì)黃梅臺(tái) VP 寬頻帶傾斜儀記錄的臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)特征進(jìn)行研究,分析了擾動(dòng)幅度與臺(tái)風(fēng)中心到臺(tái)站的距離、臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)速的關(guān)系。通過小波分解和傅里葉變換獲得臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻特征。
隨著臺(tái)風(fēng)靠近、遠(yuǎn)離臺(tái)站,擾動(dòng)幅度呈現(xiàn)上升到一定峰值然后下降的趨勢(shì),且優(yōu)勢(shì)頻段為2—4 s,即臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)幅度表現(xiàn)出與臺(tái)風(fēng)風(fēng)速正相關(guān)、與臺(tái)風(fēng)距離負(fù)相關(guān)的規(guī)律,擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間與臺(tái)風(fēng)的生命周期保持一致。
臺(tái)風(fēng)引起的地脈動(dòng)信號(hào)頻率集中在0.13—0.3 Hz 范圍,卓越周期為3.3—7.7 s。不同臺(tái)風(fēng)引發(fā)的地脈動(dòng)信號(hào)的頻譜特征大致相同,寬頻帶傾斜儀記錄的地脈動(dòng)信號(hào)的頻譜特征與臺(tái)風(fēng)路徑關(guān)系并不明顯。
西太平洋是全球臺(tái)風(fēng)發(fā)生最多、強(qiáng)度最大的地方,位于西太平洋西岸的我國,是世界上受臺(tái)風(fēng)影響比較嚴(yán)重的國家之一,尤其是東海及南海區(qū)域,臺(tái)風(fēng)頻發(fā),其中8—9月是臺(tái)風(fēng)的高發(fā)季。受西太平洋臺(tái)風(fēng)季的影響,臺(tái)風(fēng)已然成為沿海及內(nèi)陸地形變觀測(cè)的自然干擾因素之一?,F(xiàn)有研究多集中于地震儀和秒采樣重力儀,對(duì)寬頻帶傾斜儀的研究較少。本文針對(duì)寬頻帶傾斜儀,討論臺(tái)風(fēng)激發(fā)的地脈動(dòng)信號(hào)的頻譜特征,有助于識(shí)別臺(tái)風(fēng)干擾、判別前兆異常。
本文目前僅對(duì)黃梅地震臺(tái)進(jìn)行了分析,后面還需要將研究范圍遍及全國,覆蓋沿海及內(nèi)陸臺(tái)站,更深入地探討臺(tái)風(fēng)的擾動(dòng)特性。地脈動(dòng)信號(hào)的傳播機(jī)制極其復(fù)雜,其引起的頻譜能量的變化與風(fēng)速和距離的變化趨勢(shì)并不是完全一致,還需要做進(jìn)一步的探究。
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