黄梅台宽频带倾斜仪记录的台风扰动特征分析.pdf

张萍，吕品姬，刘可，等.黄梅台宽频带倾斜仪记录的台风扰动特征分析 J.地震科学进展,2023,53(7):309-314.doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-147Zhang P,L P J,Liu K,et al.Analysis of typhoon disturbance characteristics recorded by broadband tiltmeter at HuangmeistationJ.ProgressinEarthquakeSciences,2023,53(7):309-314.doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-147黄梅台宽频带倾斜仪记录的台风扰动特征分析*张萍1,2)吕品姬1,2)刘可1,2)特木其勒1,2)李垠1,2)张亦梅1,2)1)中国地震局地震研究所地震大地测量重点实验室，湖北武汉4300712)湖北省地震局，湖北武汉430071摘要利用黄梅台 VP 宽频带垂直摆倾斜仪在台风“巴威”（BAVI）和“烟花”（IN-FA）经过期间记录的连续观测资料，通过小波分解和傅里叶变换，分析台风引起的地脉动信号的扰动特征和频谱特性。结果表明：台风扰动幅度随着台风进程呈现出上升峰值下降的规律，与台风风速、台风中心与台站距离有良好的相关性；台风引起的地脉动信号的优势频率范围为 0.130.3Hz，对应周期为 3.37.7s。关键词VP 垂直摆倾斜仪；台风；地脉动；小波分解；频谱特征中图分类号：P315.63文献标识码：A文章编号:2096-7780(2023)07-0309-06doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-147Analysis of typhoon disturbance characteristics recorded bybroadband tiltmeter at Huangmei stationZhang Ping1,2),L Pinji1,2),Liu Ke1,2),Temu Qile1,2),Li Yin1,2),Zhang Yimei1,2)1)KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy,InstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,HubeiWuhan430071,China2)HubeiEarthquakeAgency,HubeiWuhan430071,ChinaAbstractThecontinuousobservationdatarecordedbybroadbandverticalpendulumtiltmeteratHuangmeistationduringthetyphoons“BAVI”and“IN-FA”werestudied.WaveletdecompositionandFouriertransformwereusedtoinvestigatethedisturbanceandspectrumcharacteristicsofthemicroseismsignalwhichcausedbythetyphoons.Theresultsshowthatthedisturbanceamplitudehasanincrease-peak-decreasepatternduringtheprocessoftyphoons，andhasa good correlation with the wind speed of typhoons，the distance between the typhoon center and the station.Thedominantfrequencyrangeofthemicroseismcausedbythetyphoonsisfrom0.13to0.3Hz，withthecorrespondingperiodof3.3to7.7s.Keywordsverticalpendulumtiltmeter;typhoon;microseism;waveletdecomposition;spectrumcharacteristics引言垂直摆倾斜仪是一种重要的地倾斜观测手段，通过连续记录地面的倾斜变化状态来反映地球的动态变化与地震孕育的关系，在地震中短和短临前兆异常监测中发挥着重要作用1-2。VP 宽频带垂直摆倾*收稿日期：2022-09-27；采用日期：2022-11-07。第一作者：张萍（1993-），女，工程师，主要从事地震监测与应急工作。E-mail：。通信作者：吕品姬（1979-），女，高级工程师，主要从事地壳形变观测数据分析与地震预测研究工作。E-mail：。第53卷第7期地震科学进展Vol.53No.72023年7月ProgressinEarthquakeSciencesJul.,2023斜仪的采样率为 1Hz，与分钟采样的 VS 垂直摆倾斜仪相比，观测精度更高，并且能获取更多的由大气扰动、海浪运动等产生的高频背景噪声信息，台风激发的地脉动就是其中之一。台风是一种高强度的热带气旋，它激发海浪冲击海岸和海底，使海浪之间发生非线性干涉产生地脉动3。当台风路径与中国海岸距离较近时，内陆和沿海的地形变观测仪器就能记录到这些脉动，信号的包络线通常呈现纺锤状或喇叭状4。扰动信号持续 13 天不等，周期范围为 210s，主要集中在 48s5。叠加在背景曲线上的高频扰动会对地震前兆信息的识别产生影响。因此，深入分析台风的扰动特性，对于地震前兆异常判定及地震短临预报具有重要意义。以往的研究大多利用宽频带地震仪和秒采样重力仪研究台风的扰动特性6-8。胡小刚等7对全国多个宽频带地震仪在汶川地震前的异常扰动信号进行时频分析，发现该扰动由动态特征完全不同的两部分组成，一种与台风活动有关，而另一种属于非台风扰动，其扰动源在靠近震中的内陆区域，可能与地震有一定的联系。王新胜等8利用陆态网络连续重力观测数据，分别研究了震前重力扰动信号和台风引起的重力扰动信号的主频率特征，提出利用主频率级差和标准差来区分二者的方法，推进了重力观测在强震短临监测预报中的应用。而对宽频带垂直摆倾斜仪的研究较少。张燕等9对宽频仪器数据进行小波分析，结果显示宽频带倾斜仪与宽频带测震仪、PET重力仪在记录频率范围 0.130.33Hz 内的高频震颤波方面具有一致性，其产生原因与夏秋两季的台风和近海海面的海风有关。冯建琴等10对比分析了临汾垂直摆倾斜仪记录的高频抖动波与台风和地震的对应关系，结果表明高频震颤波主要与台风和近海海风干扰有关，其次是远震震前形变，少部分原因不明。本文以湖北省黄梅地震台 VP 宽频带垂直摆倾斜仪为研究对象，利用 VP 垂直摆倾斜仪在不同台风期间的连续观测资料，分析台风引起的地脉动信号在 VP 垂直摆倾斜仪观测数据上的形态特征和频谱特征，并研究信号的振动幅度与台风风速、台风中心距台站距离之间的关系，从而为分析与排除干扰、识别地震前兆异常提供判据。1数据与方法1.1 台站与台风事件黄梅地震台地处地震构造敏感区，台基条件良好，观测条件稳定。其形变观测山洞为完整的花岗岩，建于 1981 年，做了防水防潮处理，覆盖层厚度 2840m，洞温 19.5，年温差0.3，日温差0.0511。洞室安装 VP 宽频带垂直摆倾斜仪，多年来观测资料连续可靠、完整率高，记录的固体潮曲线形态清晰。在受到近海台风干扰时，VP 垂直摆倾斜仪会产生明显的同步扰动现象。本文选取 2020 年 8 号台风“巴威”和 2021 年6 号台风“烟花”两次台风事件进行研究。台风路径如图 1 所示。黄梅台黄梅台巴威烟花图1黄梅台及台风路径Fig.1ThelocationofHuangmeistationandthepathsoftyphoons310地震科学进展2023年台风“巴威”于 2020 年 8 月 21 日 21 时生成，24日升格为台风，25 日上午加强为强台风，17 时其中心位于东海北部海面上，中心附近最大风力 42m/s，最低气压 955hPa，随后持续北上，强度持续加强，26 日最大风力达 45m/s，27 日 8 时 30 分在中朝交界附近的朝鲜平安北道沿海登陆，登陆时中心附近最大风力 35m/s，中心最低气压 970hPa，10 时减弱为强热带风暴级，17 时在吉林省辽源市东丰县境内减弱为热带低压。台风“烟花”于 2021 年 7 月 18 日2 时由热带低压升格为热带风暴，21 日升格为强台风，25 日 12 时 30 分在浙江省舟山市普陀区沿海登陆，登陆时中心附近最大风力 38m/s，中心最低气压965hPa，26 日 9 时 50 分在浙江省嘉兴平湖沿海再次登陆，登陆时中心附近最大风力 28m/s，28 日在安徽省境内减弱为热带低压，随后逐渐北上进入渤海并变性为温带气旋。图2为台风“巴威”和“烟花”的中心风速、台风中心与黄梅台的距离。两次台风经过期间，VP 垂直摆倾斜仪观测曲线均受到不同程度的影响，本文对两次台风期间的观测数据进行研究。10152025303540455060080010001200140016001800（a）（b）08-2108-2208-2308-2408-2508-2608-2707-1807-2007-2207-2407-2607-28风速/(ms1)风速/(ms1)距离/km距离/km日期距离风速0510152025303540450200400600800100012001400160018002000日期图2台风“巴威”（a）和“烟花”（b）的风速和距台站的距离Fig.2Windspeedanddistancebetweenthetyphooncenterandthestationofthetyphoons“BAVI”（a）and“IN-FA”（b）1.2 数据处理方法本文利用小波分解和傅里叶变换提取宽频带倾斜仪记录的地脉动信号，并对信号进行频谱分析，获得信号的频率范围和频谱特征。首先采用 db4 小波对原始数据进行 5 层小波分解，将信号分解为 24s，48s，816s，1632s，3264s 等 5 个频段，分析台风在不同频段上的扰动差异。原始信号与分解后信号的关系可表示为：S=D1+D2+D3+D4+D5+A5，式中，S 为原始信号，D 为小波分解细节项，A 为趋势项。然后去除趋势项，重构 15 层细节，并对合成信号进行短时傅里叶变换，最终获得高频信号的频谱特征，以及信号能量随频率的分布特征。结合台风风速和行进路径，可分析台风造成的扰动幅度随台风强度和台风中心距台站距离的变化规律。2台风扰动的频谱特征2.1 小波细节分析获取黄梅台 VP 垂直摆倾斜仪在 2020 年 8 月 2229 日台风“巴威”经过期间及 2021 年 7 月 2128 日台风“烟花”经过期间的秒采样数据。采用 db4小波将数据分解为 5 阶，原始数据及分解结果见图 3 和图 4。可以看出，受台风影响，原始固体潮曲线逐渐加粗，扰动幅度逐渐增大，于某一日达到峰值之后曲线逐渐变细并慢慢恢复正常形态。小波分解结果更清晰地展现了台风对地倾斜观测的影响，曲线呈现明显的纺锤体结构，曲线形态先保持平稳，然后出现纺锤状扰动，台风离开后逐渐恢复正常状态。结合台风风速、台风中心与垂直摆倾斜仪距离图，对台风“巴威”引起的倾斜仪扰动进行具体分析。台风“巴威”于 21 日生成后逐渐加强，风速越来越大，观测曲线及小波变换曲线（图 3b，图 3c）越来越粗，2526 日风速达到最大，曲线的扰动幅度也达到最大，纺锤体结构最为明显，此时也是台风中心与台站距离最近的时段，随后随着台风逐渐远离、风力逐渐减弱，曲线也慢慢变细至恢复正常形态。因此，随着台风中心与黄梅台距离的减小、中心风速的增加，台第7期张萍等：黄梅台宽频带倾斜仪记录的台风扰动特征分析311风引起的扰动幅度逐渐增大。小波分解结果显示，台风对小波分解各个频段的影响幅度不一样，24s频段对台风的响应最强烈，振动幅度最大，48s 稍弱，随着频率降低，振动幅度也逐渐减小，3264s频段已几乎没有响应。而从台风“烟花”的小波分解结果可以看出，台风引起的扰动幅度峰值时间与风速最大时间及台风中心与台站距离最近的时间并不一致。台风“烟花”风速于 2223 日达到最大，随后逐渐减小；而倾斜仪记录的扰动幅度并未随着风速的减小而减弱，在持续增强后于 2526 日达到峰值，然后才逐渐降低。在此期间，台风中心与台站的距离持续减小，于扰动幅度达到峰值之后的 28 日，台风中心与台站的距离最近。因此，台风引起的扰动幅度达到峰值的时间是由台风风速和距离综合决定的，也说明台风引起的地脉动信号传播到倾斜仪所在位置是一个复杂的过程。综合分析可知，台风对 VP 垂直摆倾斜仪观测的干扰与台风风速和台风中心与台站距离有关，扰动幅度呈现随台风风速的增大、台风中心与台站距离的减小而不断增强的趋势。2.2 频谱特征分析将数据去趋势项后进行傅里叶变换，得到信号的频谱图（图 5）。信号的频谱成分在频谱图中得到了细化，频谱图清晰地展现了信号的频谱特征随时间的变化状态，以及不同频率上信号能量的分布情况。由图 5 可以看出，台风引起的地脉动信号的频率主要集中在 0.130.3Hz，对应的周期为 3.37.7s。随着台风行进的过程，频谱能量也表现出先增大后衰减的趋势，与台风从最初生成、逐渐靠近到最后离开的过程一致，与台风风速、台风中心与台站距离表现出相关性。两次台风事件期间，VP 垂直摆倾斜仪记录的地脉动信号的频谱特征基本一致，台风路径对 VP 垂直摆倾斜仪记录的台风扰动信号没有明显的影响。2.3 台风扰动特征机理探讨台风激发地脉动的机制可以用 Higgins 的海洋驻波理论12解释，主要源于海浪间的非线性干涉产生的海浪驻波。台风发生时蕴含的巨大能量激发海浪冲击海岸和海底，产生的反射波浪与原生海浪发生非线性干涉，形成海浪驻波。海浪驻波传播到海底，222324252627282930日期（a）原始数据（c）48 s（e）1632 s（b）24 s（d）816 s（f）3264 s222324252627282930日期222324252627282930日期222324252627282930日期222324252627282930日期222324252627282930日期8070605040倾斜量/ms倾斜量/ms倾斜量/ms倾斜量/ms倾斜量/ms倾斜量/ms1.00.500.51.02101242024105051042024图3台风“巴威”期间黄梅台宽频带倾斜仪记录的原始数据及小波分解结果Fig.3OriginalrecordsandwaveletdecompositionresultsofHuangmeibroadbandtiltmeterduringthetyphoon“BAVI”312地震科学进展2023年引起海底压强变化，其变化频率是海浪起伏引起的海底压强变化频率的 2 倍，并且可以不衰减地传到海底，从而引发强烈的地脉动。这种地脉动可以在内陆传播很远的距离，使沿海及内陆的观测仪器产生明显的扰动信号。由前文分析可知，台风引起的扰动幅度的变化趋势与台风风速和距离的变化趋势并不完全一致，这也是地脉动产生及传播的复杂机理导致的。台风对陆壳的扰动效应是大气、海洋、陆地等耦合作用的结果。扰动信号的产生源于海洋上空猛烈旋转的热带大气漩涡与陆地的摩擦、气压载荷变化以及由此引发的巨浪对地壳的冲击、气旋的扰动。地球内部构造复杂，地壳厚度分布不均，地脉动信号在传播过程中会发生变化，因此台风引发的地脉动信号具有复杂性和未知性。3讨论与结论本文对黄梅台 VP 宽频带倾斜仪记录的台风扰动特征进行研究，分析了扰动幅度与台风中心到台站的距离、台风中心风速的关系。通过小波分解和傅212223242526272829日期212223242526272829日期212223242526272829日期212223242526272829日期212223242526272829日期212223242526272829日期14012010080倾斜量/ms倾斜量/ms倾斜量/ms倾斜量/ms倾斜量/ms倾斜量/ms4202410505102010010202010010201050510（a）原始数据（c）48 s（e）1632 s（b）24 s（d）816 s（f）3264 s图4台风“烟花”期间黄梅台宽频带倾斜仪记录的原始数据及小波分解结果Fig.4OriginalrecordsandwaveletdecompositionresultsofHuangmeibroadbandtiltmeterduringthetyphoon“IN-FA”23（a）242526272829日期23242526272829日期00.10.20.30.40.5频率/Hz00.10.20.30.40.5频率/Hz00.20.40.60.81.000.20.40.60.81.0（b）图5台风“巴威”（a）和“烟花”（b）期间黄梅台宽频带倾斜仪记录的信号的频谱图Fig.5SpectrogramsofHuangmeibroadbandtiltmeterduringthetyphoons“BAVI”（a）and“IN-FA”（b）第7期张萍等：黄梅台宽频带倾斜仪记录的台风扰动特征分析313里叶变换获得台风扰动信号的时频特征。随着台风靠近、远离台站，扰动幅度呈现上升到一定峰值然后下降的趋势，且优势频段为 24s，即台风扰动幅度表现出与台风风速正相关、与台风距离负相关的规律，扰动持续时间与台风的生命周期保持一致。台风引起的地脉动信号频率集中在 0.130.3Hz范围，卓越周期为 3.37.7s。不同台风引发的地脉动信号的频谱特征大致相同，宽频带倾斜仪记录的地脉动信号的频谱特征与台风路径关系并不明显。西太平洋是全球台风发生最多、强度最大的地方，位于西太平洋西岸的我国，是世界上受台风影响比较严重的国家之一，尤其是东海及南海区域，台风频发，其中 89 月是台风的高发季。受西太平洋台风季的影响，台风已然成为沿海及内陆地形变观测的自然干扰因素之一。现有研究多集中于地震仪和秒采样重力仪，对宽频带倾斜仪的研究较少。本文针对宽频带倾斜仪，讨论台风激发的地脉动信号的频谱特征，有助于识别台风干扰、判别前兆异常。本文目前仅对黄梅地震台进行了分析，后面还需要将研究范围遍及全国，覆盖沿海及内陆台站，更深入地探讨台风的扰动特性。地脉动信号的传播机制极其复杂，其引起的频谱能量的变化与风速和距离的变化趋势并不是完全一致，还需要做进一步的探究。参考文献赵莹.全台网垂直摆倾斜仪背景噪声水平分析 J.大地测量与地球动力学，2019，39(8)：869-874ZhaoY.ResearchonbackgroundnoiselevelofverticalpendulumtiltmeterinChinaJ.JournalofGeodesyandGeodynamics，2019，39(8)：869-8741杨玲英，毕灵晶，杨星，等.云南垂直摆映震能力研究 J.地震科学进展，2022，52(5)：203-214YangLY，BiLJ，YangX，etal.StudyonseismicresponseabilityofverticalpenduluminYunnanJ.ProgressinEarthquakeSciences，2022，52(5)：203-2142AsterRC，McNamaraDE，BromirskiPD.GlobaltrendsinextremalmicroseismintensityJ.GeophysicalResearchLetters，2010，37(14)：L143033王梅，季爱东，郑建常.台风引起的重力扰动现象 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