2016年臺風“尼伯特”激發微地動的頻率特征分析

趙家慶 陳界宏 林立青

1)中國地質大學(武漢)，地球物理與空間信息學院，武漢 430074 2)中國臺灣實驗研究院，臺北 10622

0 引言

微地動(Microseisms)是地球背景噪聲的主要組成部分(Faulkner et al，2018)，普遍存在于沿海地區寬頻帶地震儀信號中，信號的位移振幅一般為微米量級。20世紀初有學者觀測到微地動現象(Wiechert，1904)，并且發現微地動信號為波浪所激發(Gutenberg，1936；Bernard，1941)，其源主要分布在海洋和湖泊(Koper et al，2009)。Longuet-Higgins(1950)首次提出了微地動產生機制的理論，Hasselmann(1963)對該理論進行了補充，微地動信號以表面波和體波形式進行傳播(Lacoss et al，1969；Hasselmann，1963)，信號周期為0.5～20s(McNamara，2004；Gal et al，2019)。根據周期范圍和激發機理的不同，微地動通?？梢苑譃閮深?Ardhuin et al，2015)：單頻微地動(Single Frequency Microseisms，SF)，也稱為第一類微地動(Primary Microseisms，PM)，周期為10～20s(Gal et al，2019)，其產生機制為海浪運動產生的壓力傳導至海底，與海底地形耦合并轉換為地震波，與海浪具有相同的周期，因為海浪產生的壓力隨海水深度呈現指數型遞減，因此單頻微地動的源區主要分布在淺水區域(Ardhuin，2018)；雙頻微地動(Double Frequency Microseisms，DF)，又稱為第二類微地動(Secondary Microseisms，SM)，其周期范圍為0.5～10s(Gal et al，2019)，雙頻微地動的信號特征明顯，產生機理復雜，目前主流觀點認為其產生機制為兩列傳播方向相反、周期相近的海浪相互作用產生駐波，駐波產生二階壓力擾動并傳導至海底轉換為地震波，其周期為海浪周期的一半(Longuet-Higgins，1950；Gualtieri et al，2013)，水體中的共振效應在雙頻微地動的激發過程中起了重要的作用(Gualtieri et al，2013)。Kedar等(2008)首次對Longuet-Higgins-Hasselmann理論使用數值模型進行了驗證，Ardhuin等(2011)在Kedar等(2008)工作的基礎上，對數值模型進行了擴展，提出全球地震背景噪聲能量輻射模型(Global Model of Seismic Noise Energy Radiation)，該模型能夠模擬計算全球任意位置由海浪所致的雙頻微地動合成理論功率譜，并加入了海岸線反射波浪的影響。由于雙頻微地動產生于海浪間的相互作用，因此其既可以產生于遠離海岸的深海區，也可以產生于近岸海域(Bromirski et al，2005)。很多學者通過單臺站法(Koper et al，2015；Schimmel et al，2011；Bromirski et al，2002；Stutzmann et al，2012)和臺陣法(Farra et al，2016；Webb，1998；Euler et al，2014；Liu et al，2016)研究微地動源區位置的空間分布和時間變化。

臺風作為一種強對流天氣，會引起海面波浪狀態發生改變，并激發出微地動信號，國內很多學者在寬頻帶地震儀和重力儀中觀測到了臺風激發的微地動信號，且近海附近的信號比內陸地區更為明顯(張雁濱等，2010、2013；王梅等，2014、2018；蔣駿等，2012)。國內多位學者分析了微地動信號特征、源區分布及產生機制等，如Xiao等(2018)通過陸地地震儀和海底地震儀分析了中國南海微地動的源區分布及變化；Lin等(2017、2018)分析了臺風“Megi”期間不同頻段微地動源區的位置分布，根據雙頻微地動在0.1～0.2Hz頻段間的頻率彌散特征，分析了海面涌浪的分布和傳播過程。

本文使用日本和中國臺灣地區的寬頻帶地震儀數據，通過時頻分析和數值模擬方法，分析臺風“尼伯特”激發的微地動信號的頻譜變化特征及其產生原因，有助于加深我們對臺風激發微地動信號的了解。

1 數據與方法

1.1 臺風數據

臺風“尼伯特”為2016年第1號臺風(圖1)，本文使用的臺風路徑、強度等信息來自日本國立情報研究所(1)http://www.agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon。2016年7月2日21時左右，“尼伯特”在西北太平洋洋面上生成，7月3日凌晨，美國聯合臺風預警中心(Joint Typhoon Warning Center，JTWC)將其歸為熱帶低壓，之后向西北方向移動，當日9時許，日本氣象廳(Japan Meteorological Agency，JMA)將其分類為熱帶風暴，最大風速18m/s；7月4日18時，“尼伯特”增強為強熱帶風暴，最大風速達到25m/s；7月5日6時，“尼伯特”進入菲律賓海，最大風速發展至32m/s，JTWC和JMA將“尼伯特”升級為臺風級別；至7月6日0時左右，尼伯特發展為超強臺風，最大風速47m/s，當日下午，最大風速達到57m/s，臺風中心氣壓900hPa，此后“尼伯特”繼續向西北方向移動；7月7日21時左右，臺風“尼伯特”在中國臺灣臺東縣登陸，強度開始減弱，7月9日6時左右，“尼伯特”再次在中國福建省石獅市登陸，當日中午減弱為熱帶低壓后消散。

圖 1 地震臺站位置及臺風“尼伯特”路徑(a)中黑色實線為臺風“尼伯特”移動路徑，空心圓圈的顏色和大小代表臺風最大風速的大??；黑色空心和實心正三角形為7月5日至7日0.2～0.4Hz功率譜密度值顯著增強的地震臺站，其中黑色實心正三角形為干擾信號較少的臺站；黑色空心倒三角形為7月5日至7日0.2～0.4Hz功率譜密度值無明顯增強的地震臺站；(b)、(c)和(d)分別為UMJ(134.04°E，33.58°N)、KGM(128.22°E，26.76°N)和B021臺站(121.57°E，25.10°N)2016年7月2日0時至2016年7月23日0時的垂向分量波形

1.2 地震儀波形數據

本文使用的寬頻帶地震儀數據來自中國臺灣地震工程研究中心和日本F-NET網站(2)http://www.fnet.bosai.go.jp/top.php，原始數據采樣頻率100Hz。首先對臺風期間地震儀垂向分量數據進行預處理，包括去儀器響應、去線性趨勢、重新采樣至1Hz、去突跳信號。圖1(b)～(d)分別為UMJ、KGM、B021臺站7月2日0時至7月23日0時的波形圖，由圖可以發現在臺風期間，各臺站波形均出現了不同強度的幅值增強，包絡呈現紡錘狀。對于B021臺站和KGM臺站，在7月5日0時左右出現了明顯的波形幅值增強，對于北部離臺風距離相對較遠的UMJ臺站，在7月6日12時左右出現明顯波形幅值增強。

1.3 波形數據時頻特征分析

為分析臺“風尼伯”特激發微地動的頻譜特征，對臺風期間地震儀波形數據進行短時傅里葉變換(Short-Time Fourier Transform，STFT)，數據窗口長度2048s，步長1024s，采樣頻率1Hz，窗函數為漢明窗。圖2(a)、2(c)、2(e)分別為B021、KGM和UMJ臺站7月3日12時至7月9日0時短時傅里葉變換所得的功率譜。

圖 2 臺站垂向地震波的短時傅里葉變換功率譜及等值線圖(a)、(c)和(e)分別為B021、KGM、UMJ臺站功率譜；(b)、(d)和(f)分別為B021、KGM、UMJ臺站功率譜等值線圖，層級數均為20；(b)、(d)中黑色虛線表示功率譜密度(Power Spectral Density，PSD)增強頻段的低頻值變化趨勢

2 數據處理結果

分析圖2(a)、2(c)、2(e)發現，在3個臺站的功率譜中，均記錄到了由于臺風所導致的0.1～0.45Hz頻率區間的PSD增強，但不同時刻PSD增強的頻率段有所不同。對于B021臺站(圖2(a))，在7月5日5時前后，0.4Hz頻率左右出現了明顯的PSD增強現象，然后由高頻轉至低頻，7月7日0時PSD增強頻率變化至約0.2Hz，為分析0.2～0.4Hz頻段的頻率變化特點，我們繪制了7月3日12時至7月9日0時的功率譜等值線圖，如圖2(b)所示，由圖可見，自7月5日5時至7月7日0時左右，PSD增強頻段的低頻值逐漸變小，如圖2(b)中黑色虛線所示。

對于KGM臺站(圖2(c))，7月5日0時約0.4Hz頻率附近出現PSD增強，7月6日19時PSD增強頻率變化至約0.2Hz，其頻率變化如圖2(d)中黑色虛線所示。

對于位于相對北部的UMJ臺站，其功率譜(圖2(e))和功率譜等值線(圖2(f))中未發現類似B021和KGM臺站在約7月5日0時至7月7日0時之間的頻率變化特征。

我們分析了中國臺灣和日本共117個寬頻帶地震儀垂向分量波形數據的功率譜，發現在約7月5日至7日之間，存在0.2～0.4Hz頻段PSD增強及頻率由約0.4Hz向0.2Hz變化特點的臺站共33個，主要分布在中國臺灣、琉球群島及屋久島，如圖1(a)中黑色正三角形所示。日本屋久島以北地區的臺站，在約7月5日至7日之間0.2～0.4Hz頻段雙頻微地動信號不明顯，頻譜中0.2～0.4Hz無明顯PSD增強，臺站分布如圖1(a)中黑色空心倒三角形所示。

為了分析約7月5日至7日之間PSD增強頻率由高頻(約0.4Hz)轉至低頻(約0.2Hz)現象在不同臺站出現的時間分布特征，計算每個時刻對應的0.3～0.4Hz頻段PSD值之和(圖3(a))，并得到PSD隨時間變化曲線(圖3(b))，選擇7月4日12時開始(圖3(b)中豎直虛線)從左至右第一個局部最大值點，作為臺風初始影響點(圖3(b)中黑色實心圓點)，記錄臺風初始影響點所在時間，用該時間作為當前臺站頻率由高頻(約0.4Hz)轉至低頻(約0.2Hz)現象出現的時間。我們選擇了干擾信號較少的14個臺站(圖1(a)中黑色實心正三角形)，分別提取了每個臺站的臺風初始影響點，結果如圖4 所示。由圖4 可以發現，對大部分臺站，當臺風與臺站距離在1500～2000km之間時，地震儀垂向分量信號出現PSD增強頻率由高頻(約0.4Hz)轉至低頻(約0.2Hz)的現象。

圖 3 KGM臺站7月3日12時至7月9日12時PSD之和的變化情況(a)中上下平行的2條虛線分別為計算0.3～0.4Hz頻段PSD值之和的上限頻率和下限頻率；(b)中藍色實線為0.3～0.4Hz 頻段PSD值之和隨時間的變化情況；豎直虛線表示7月4日12時，即判斷臺風初始影響的開始時間；黑色實心圓點表示臺風初始影響點

圖 4 不同臺站的臺風初始影響分布灰色曲線代表不同地震臺站0.3～0.4Hz頻段PSD值之和隨時間的變化情況；曲線中虛線部分表示臺風距離臺站1500～2000km；黑色實心圓點為臺風初始影響點

3 雙頻微地動數值模擬

在臺風“尼伯特”的影響下，約7月5日至7日之間，雙頻微地動信號在0.2～0.4Hz頻段PSD增強且頻率由高頻(約0.4Hz)轉至低頻(約0.2Hz)，單頻微地動信號無明顯變化，因此我們對臺風“尼伯特”所激發的雙頻微地動信號進行數值模擬，以探究雙頻微地動信號產生上述頻率變化的可能原因。

圖 5 垂向分量地震數據功率譜和全球地震背景噪聲能量輻射模型模擬結果(a)KGM臺站垂向分量地震數據功率譜；(b)、(c)分別為在有海岸線反射效應和無海岸線反射效應情況下，全球地震背景噪聲能量輻射模型模擬所得的合成功率譜

4 討論與結論4.1 討論

通過上述分析可知，對于B021和KGM臺站，約7月5日至7日之間雙頻微地動信號明顯，0.2～0.4Hz頻段PSD增強，且自約7月5日至7日，PSD增強頻率由約0.4Hz轉至約0.2Hz(圖2(b)、2(d))，出現這種頻率變化特點的臺站主要分布在中國臺灣、琉球群島和屋久島地區，屋久島以北的地震臺站0.2～0.4Hz頻率變化現象不明顯。通過提取臺風初始影響點，我們分析了14個地震臺站出現頻率變化現象的時間，發現當發生這種頻率變化時，臺風距離臺站的距離集中在1500～2000km之間。

雙頻微地動的產生機制為頻率相近、傳播方向相反的兩列波浪相互作用產生駐波，駐波產生二階壓力作用于海底所致。Ardhuin等(2011)提出產生雙頻微地動的海況，其中在單個風暴作用下產生雙頻微地動的海況有2種：①風暴快速移動，不同時刻產生的頻率相近、傳播方向相反的波浪相互作用激發微地動；②波浪向岸傳播并被海岸線反射，反射的離岸波浪與向岸傳播波浪發生相互作用，激發微地動。

4.2 結論

在臺風“尼伯特”期間，當臺風距離中國臺灣、琉球群島及屋久島地區的寬頻帶地震臺站1500～2000km時，在地震儀垂向分量信號功率譜中，記錄到0.2～0.4Hz頻段功率譜密度增強且增強頻率由約0.4Hz轉至0.2Hz的現象，此現象主要為海岸線反射效應所致，即由臺風產生的向岸傳播的波浪被海岸線反射，反射波浪與頻率相近、傳播方向相反的向岸傳播波浪發生相互作用，激發出0.2～0.4Hz頻段的雙頻微地動信號。