西太平洋臺風對上海地區鉆孔應變的低頻擾動特征分析

袁 媛, 韓娜娜

(上海市地震局 上海佘山地球物理國家野外科學觀測研究站, 上海 200062)

0 引言

臺風對地殼產生的擾動可以被地震儀、重力儀以及傾斜應變儀等前兆儀器記錄到,往往表現為呈紡錘狀或尾巴似的震顫疊加在觀測背景信號曲線上,持續時間約1～3 d[1-4]。在有些強震前,類似的震顫信號也會出現在地震觀測記錄中。關于這種疊加的高頻信號是否與地震有關,還是僅源于臺風過程的影響,依然存在爭議[5-9]。如2001年昆侖山大地震前全國多個臺站觀測到了持續數天的低頻震顫波信號,同時在中國南海上空產生了一次強臺風“玲玲”,關于該信號究竟是慢地震還是西太平洋臺風的影響,許多專家都做過探討[7-8],但并沒有明確的結論。近年來又有學者提出該震顫信號可能源于歐洲北部及歐亞大陸的強溫帶氣旋[10-11]和挪威海域發生的北極風暴[12],激發源位置的討論從西太平洋轉移到了歐亞北部的海域。可見全球大氣、海洋和陸地的圈層耦合作用影響極為廣泛,而大多數的地震儀、重力儀、應變儀等觀測設備都能記錄到這種擾動影響[13-15],因此如何更有效、準確地分辨出這種擾動對真實地震異常信號的判別有重要意義。另外,有學者從災害鏈的角度探討環境與地震觸發的關系[16-17],而臺風本身也是災害鏈的重要一環。以上海為例,2014年7月10日1時44分浦東新區南匯新城鎮(30.9°N,121.9°E)發生了一次3.2級地震,震級相較上海地區的背景水平偏高,附近居民震感強烈。在緊急會商過程中發現震前7月8日0時—10日12時,上海市佘山臺四分量鉆孔應變儀觀測曲線疊加了顯著的毛刺擾動,在排除儀器、人為操作、氣壓降雨等觀測環境因素后未找到確定的擾動源,因此無法對該異常進行性質判定。而后續通過對佘山臺分量應變儀全年的背景噪聲進行統計分析后發現該擾動源來自距臺站600 km的遠海臺風。佘山臺所在的東部沿海地區受西太平洋臺風影響頻繁,因此深入了解不同路徑、不同強度的臺風所激發的擾動信號特征可以為分析預報人員準確判定信號是否受臺風擾動提供參考。

基于此,本文以上海佘山臺四分量鉆孔應變儀觀測數據為基礎,選取6次路徑及強度皆不相同的西太平洋臺風事件,分析在臺風發生及消亡過程中所激發的低頻擾動信號在時頻域及空間域的響應特征,并結合風速、浮標浪高等海洋數據對擾動信號的激發機制進行探討,以期為日常數據跟蹤中類似擾動信號性質的判定提供分析依據。

1 數據及方法

1.1 觀測臺站及臺風事件

分量應變儀與地震儀、GPS等設備在觀測方式、觀測原理及頻段設置等方面均有不同,它是以彈性力學中“圓孔加襯問題”的解為理論依據的。儀器內部有4個互成45°夾角的電容式徑向位移傳感器,水平放置在長圓筒的中平面上,這樣的設計使得儀器可同時測量點位的體積應變和形狀應變的相對變化,并實現儀器狀態的自檢[18]。上海佘山臺分量應變儀4個觀測分量的布設角度分別為150°、15°、60°和105°(正北為0°,按平面順時針方向),其分辨力優于5×10-11,能精確監測地球固體潮汐隨時間的變化,在低頻段具有極佳的觀測能力。

佘山臺位于杭州灣北部,距海岸線約43 km,其所在地區于每年7—10月受臺風影響較為顯著。大部分臺風在太平洋西南部海面產生后經東海轉向日本,少部分會經由浙江、福建等地登陸。為了更詳盡地分析不同路徑臺風經過時近岸分量應變儀記錄的低頻擾動特征,本文收集了佘山臺分量應變儀在6次影響較大的臺風事件中的觀測數據。臺風路徑及基礎信息見圖1、表1。

1.2 小波分解及平均FFT幅值分析

為了提取分量應變儀受臺風擾動的優勢頻段,首先濾除原始數據中周期2 h以上的信號;再利用db6小波將信號分解為2～4 min、4～8 min、8～16 min、16～32 min、32～64 min以及64～128 min共6個頻段;最后依次取1 h滑動時間窗對應變信號做快速傅里葉變換,獲得各個窗口的頻譜特征,取各小時的幅值均值后按時間序列得到應變信號的平均振幅分布,這有助于在時間頻率域客觀、直接地了解低頻擾動信號在臺風發育、消亡過程中的響應特征。

圖1 選取的6次西太平洋臺風路徑圖(來源于ENVI)Fig.1 Paths of the six typhoons over the western Pacific

表1 選取的6次西太平洋臺風基礎信息表

1.3 優勢振動方向法

先利用實地相對標定方法對佘山臺分量應變數據進行校正[18-21],以避免主方向和主應變的計算混亂;然后進行數據轉換得到分量應變儀各個方向(1°～360°,間隔1°)的應變響應;最后依照1.2節方法對各方向的數據進行小波分解,計算每小時窗口的平均FFT幅值,并對比統計得到每小時應變儀振動強度最大的方向,即優勢振動方向。通過該方法可得到分量應變儀在臺風過程中不同方向的響應差異,進而為確定激發源的方位提供幫助。

2 臺風擾動特征

2.1 臺風擾動的時頻特征

將佘山臺分量應變儀第一分量(150°)在6次臺風期的觀測數據進行小波分解,并進行FFT變換,得到歷次臺風期背景噪聲信號在2～128 min 6個頻段的平均FFT幅值時程曲線(圖2)。從圖2可以看出,在這6次臺風過程中,覆蓋2～16 min的3個頻段都記錄到了顯著的擾動信號,擾動信號與臺風的發展有強烈的伴生關系,模式均為平靜-上升(臺風中心開始逼近)-峰值(臺風最盛,距離最近)-下降(臺風中心開始遠離)-平靜,其中2～4 min頻段影響最為強烈。隨著周期的增加,整個時間序列期間的振動能量不再有顯著的起伏,表明臺風擾動在減弱,在32～128 min頻段區間已經幾乎看不到臺風的影響。在這6次臺風期間,佘山臺分量應變儀記錄的低頻擾動信號變化特征一致,優勢擾動周期均為2～4 min,只是不同臺風所影響的幅值存在差別。

將不同臺風期間,佘山臺應變儀第一分量的觀測信號在2～4 min頻段的平均FFT幅值時程曲線進行疊加,每次均選取12 d,如圖3所示。可以看到,影響幅值差異的主要因素為臺風的量級以及臺風路徑與臺站的距離。在這6次臺風中,“燦鴻”和“海葵”的臺風路徑離臺站最近,“泰利”、“黃蜂”及“天鵝”的臺風中心與臺站的最近距離分別為472 km、615 km和700 km。從圖3可以看出,“燦鴻”影響最大,這次臺風雖然未登陸,但臺風中心在最強盛時段離臺站僅有150 km,中心風速約138.6 km/h;“泰利”影響位居第二,雖然臺風中心與臺站間的距離已接近500 km,但此時臺風中心風速高達204 km/h,臺風可以將強大的空氣動能源源不斷地傳遞給下方的海水,轉化為海浪能,進而不停沖擊大陸。值得注意的是,在“泰利”臺風期間,分量應變儀所記錄的擾動信號的峰值持續時間達3天,而在其他臺風期則幾乎都是尖峰變化模式,這與臺風的路徑走向關系密切。“泰利”在持續峰值的9月14—16日，其臺風中心一直在(28°N，124.8°E)附近，3天僅移動了200 km，其移動速度與距離較其他臺風更慢、更短，因此它呈現的是持續的峰值狀態；而“燦鴻”中心在最強勢的7月9—11 日的移動距離高達900 km，且移動速度快，因此峰值持續時間較短，呈現的是尖峰變化模式。由此可見,臺風的移動路徑與儀器記錄的擾動信號變化形態直接相關。“黃蜂”和“天鵝”臺風路徑與“泰利”相似,但距離更遠,因此影響幅度較小。“海葵”雖然在浙江登陸,但登陸時臺風中心風速約118.8 km/h,比“燦鴻”和“泰利”能級略低。臺風“蘇迪羅”的路徑并沒有經過東海,而是穿過臺灣,經南海在福建登陸,對東海區域的影響有限。

圖2 佘山臺分量應變儀第一分量(150°)觀測在6次臺風中2～128 min頻段的平均FFT幅值時程曲線Fig.2 Time-history curves of mean FFT amplitude recorded by the first component (150°) observation at Sheshanstation over the frequency band of 2-128 min during the six western Pacific typhoons

圖3 6次臺風期間佘山臺第一分量(150°)2～4 min頻段每小時平均FFT幅值疊加對比曲線Fig.3 Comparison of hourly average FFT amplitude curves recorded by the first component (150°) observation at Sheshan station over the frequency band of 2-4 min during the six western Pacific typhoons

綜合來看,佘山臺分量應變儀受臺風影響的強弱與否主要和臺風量級、臺風中心的位置(海上或陸域)以及與臺站間的距離有關。

2.2 臺風擾動的空間特征

2.1節介紹了佘山臺應變儀第一分量觀測信號在6次臺風期間時頻域的變化特征。事實上,分量應變儀4個不同方向的觀測分量都記錄到了同樣的低頻擾動。以“燦鴻”為例,圖4為佘山臺分量應變儀的4個分量在臺風期間的平均FFT幅值時程曲線。可以看出,雖然4個分量在臺風過程中均出現了平靜-上升-下降-平靜的模式,但不同分量擾動信號的能量幅值并不一致。第一分量(150°方向)幅值最大,第三分量(60°方向)幅值最小,這表明臺風對沿海陸殼的擾動影響程度在空間上并不一致,而是具有顯著的方向特性。

圖4 臺風“燦鴻”期間4個分量記錄的平均FFT幅值曲線Fig.4 Mean FFT amplitude recorded by four componentsduring the typhoon “Chanhom”

為更進一步確定佘山臺點在臺風期是否存在規律性的空間擾動特征,利用優勢振動方向法計算了6次臺風期間佘山臺分量應變儀記錄的優勢振動方向,如圖5所示。其中藍色線條代表臺風來臨前,紅色為臺風最強盛并且距離最近時期,玫紅色代表臺風逐漸減弱并遠離,線段長度代表該小時擾動信號的強度。從圖中可以看出在6次臺風的強盛期,優勢振動方向幾乎都指向160°左右,而且非常集中,信號強度也顯著增大;而在臺風強盛的前后時段,其優勢振動方向并不統一,相對分散。可以認為優勢方向角為激發源的方位提供了重要的指示信息。距離佘山臺南部約40 km的杭州灣,其北部海岸線整體呈“北東—西南”走向(圖6)。而臺站在臺風期的優勢振動方向160°則剛好與海岸線垂直走向呈小幅夾角,因此該擾動激發源很可能與杭州灣附近海域的入射涌浪有關。臺風發生時顯然會加強海浪攜帶的能量,對海岸的拍擊作用也隨之增強,進而激發增強的振動信號,但這一推測還需相關的浪高數據予以佐證。

2.3 平靜期的時頻及空間響應特征

為了解佘山臺分量應變儀在無臺風平靜期的響應特征,選取2016-07-06—18這一無臺風發生的平靜時段,對相應的觀測數據進行處理,分別得到小波分解結果、平均FFT幅值時程曲線以及優勢振動方向角等(圖7),并與前述臺風期結果進行對比。從頻譜特征看,在無臺風的平靜時期,佘山臺第一分量在6個頻段的背景信號都未出現上述臺風期典型的平靜-上升-峰值-下降-平靜模式,整個時間序列都持續穩定在同一水平,遠低于臺風時期的幅值;另外3個分量也同樣如此,均保持平穩水平。從優勢振動方向結果看,2016年7月,在2～4 min頻段并未形成優勢方向,各個方向信號強度差別不大。可以認為平靜期代表了基本的背景場,而臺風的發生使得背景場上疊加了顯著的異常擾動信號。因此,臺風事件無疑是儀器記錄擾動信號的產生原因,但臺風究竟是通過何種介質及何種方式將擾動能量加載到臺站所在的區域,還需要進一步討論。

圖5 佘山臺分量應變儀在6次臺風期間的優勢振動方向分布圖(2～4 min頻段)Fig.5 Distribution of the predominant polarization directions of four-component boreholestrain records at Sheshan station during the six typhoons (2～4 min)

3 激發機制探討

通過對6次臺風期佘山臺分量應變儀記錄的低頻擾動信號的時頻及空間響應特征分析,可以認為臺風事件顯著加強了臺站附近的低頻振動。張雁濱等[10]曾提出,擾動信號的產生主要源于熱帶氣旋運動過程中與淺海區大陸架和陸地表面的摩擦、氣壓載荷變化及由此產生的海浪對地殼的沖擊、以及板塊邊界斷層對氣旋的擾動所產生的響應。袁媛等[22]通過對比臺站附近的風速數據,認為不同介質對陸殼作用的效率并不一致,風作為大氣與陸地之間作用的介質,其影響效率遠沒有海洋作為介質來得高,但未提出海浪的數據比對。為了更深入地討論噪聲的激發源,本文收集了臺風“海葵”期間東海及洋山兩個海洋浮標的有效波高數據[23](圖6),進一步認為風速并不是影響擾動能量的主要因素,更具決定性的激發源來自于近岸海浪,分量應變儀記錄的擾動信號的強度與近岸波高直接相關。

圖8分別展示了佘山臺分量應變儀第一分量在臺風“海葵”期間2～4 min周期信號的平均FFT幅值與地面風速、東海浮標以及離岸更近的洋山浮標有效波高的對比曲線。從圖中可見,臺站分量應變儀記錄的擾動信號能量的最大值發生于臺風登陸時,即2012年8月8日3:00。地面風速在臺風登陸之后依然持續增強,但擾動信號能量卻開始下降,顯然在臺風登陸之后,擾動信號能量的變化規律與風速相反[圖8(a)],與海域波高數據一致[圖8(b)、(c)]。

圖7 佘山臺分量應變儀在無臺風期的小波分解、平均FFT幅值時程曲線以及優勢振動方向(2016-07-06—18)Fig.7 The wavelet decomposition,mean FFT amplitude,and the predominant polarization directions of four-componentborehole strain records at Sheshan station during no typhoon periods (2016-07-06—18)

圖8 臺風“海葵”期間分量應變儀平均FFT幅值與風速及有效波高對比曲線Fig.8 Comparison of the mean FFT amplitude with the wind speed and significantwave height during the typhoon “Haikui”

整體來看,東海浮標有效波高與擾動信號能量的相關性較好,但峰值時間有所偏差。東海浮標位于外海區域,離岸較遠,與佘山臺直線距離約307 km,隨著臺風中心逐漸靠近大陸,東海浮標區域的浪高峰值比近岸出現得更早。從離岸更近的洋山浮標的數據可以看出,其浪高峰值比東海浮標晚到約3 h,與臺站分量應變儀記錄的擾動能量峰值時間一致。隨著臺風登陸,浮標所在海域的浪高降低,陸上臺站記錄的擾動能量也隨之減弱,直至恢復到正常背景水平。可以看出,離臺站更近的洋山浮標的有效波高數據與臺站記錄的低頻擾動能量變化的相關性更好,同時也說明擾動的激發源來自近海,浪高代表海浪能量的強度,而海浪能量的強度決定了陸上接收到的擾動信號能量的強度。

通過對信號時頻及空間特征的綜合分析發現,分量應變儀在臺風期間記錄的低頻擾動信號的優勢頻段為2～4 min,周期較長;儀器的優勢振動方向為160°左右,該方向與臺站所在海岸的海浪入射方向一致,并且擾動信號能量與近海浮標的有效波高相關。因此認為分量應變儀記錄的這種低頻擾動信號,其激發源來自近岸淺海區域。涌浪在近岸淺水處通過非線性相互作用產生的長重力波很有可能是擾動信號的激發源[24-25],這種波周期介于20～300 s間,是大風浪作用期間近岸波能的重要組成部分。當臺風中心位于海域時,強大的空氣動能源源不斷轉化給臺風下方的海水,激發強烈的海浪,原本微弱的近岸長重力波隨之大大增強,并以一種自由長波的形式向岸傳播[26-29],不斷拍擊光滑凹形的杭州灣海岸線,進而激發低頻振動信號,被分量應變儀清晰地記錄到。

4 結語

本文基于上海佘山臺四分量鉆孔應變儀的觀測數據,選取近年來西太平洋發生的6次臺風事件,提取出臺風激發的顯著低頻擾動信號,并對其進行了時頻及空間域特征的分析與討論,得到以下結論:

(1) 在低頻區間,臺風激發的擾動信號的優勢周期為2～4 min,信號能量隨臺風進程而變化,并主要與臺風量級、臺風中心的位置(海上或陸域)以及與臺站間的距離有關。

(2) 在臺風中心不斷逼近海岸時,佘山臺4個分量記錄的擾動信號均開始增強,但不同方向記錄的信號強度存在較顯著的差別,其中振動強度最大的方向為160°,表明該方向的影響最為強烈。而在無臺風發生的平靜期,分量應變儀各個方向的振動強度無明顯差別,沒有特定的優勢振動方向。臺風影響期的優勢振動方向與臺站所處海岸線的走向密切相關。

(3) 在無臺風發生的平靜期未記錄到低頻擾動信號。在日常跟蹤分析中,可以利用小波分解、平均FFT幅值分析和優勢振動方向法對信號的時頻及空間特征進行比對,科學判定同類噪聲擾動是否為臺風激發。

(4) 分量應變儀記錄的臺風擾動信號能量與近岸浪高的相關性較好。通過綜合分析,認為儀器記錄的低頻信號是由近岸淺海區域的海洋長重力波激發產生的。沿海臺站若有相關波高數據配合,可以與臺站信號進行比對研究,進而得到信號激發源的科學判據。

本文僅在低頻區間分析了西太平洋臺風對我國東海近岸區域的擾動特性。除此之外,臺風在不同頻段對不同區域的擾動特征是否一致,以及臺風激發擾動信號的閾值等都值得更深入的探討研究。這些研究不僅能為地震前兆異常識別提供科學參考,同時臺風作為確定性的自然事件,也可成為地球物理觀測臺站數據研究與分析的寶貴資源。