黃梅臺寬頻帶傾斜儀記錄的臺風擾動特征分析

張萍　呂品姬　劉可　特木其勒　李垠　張亦梅

摘要利用黃梅臺 VP 寬頻帶垂直擺傾斜儀在臺風“巴威”（ BAVI）和“煙花”（ IN-FA）經過期間記錄的連續觀測資料，通過小波分解和傅里葉變換，分析臺風引起的地脈動信號的擾動特征和頻譜特性。結果表明：臺風擾動幅度隨著臺風進程呈現出上升—峰值—下降的規律，與臺風風速、臺風中心與臺站距離有良好的相關性；臺風引起的地脈動信號的優勢頻率范圍為0.13—0.3 Hz，對應周期為3.3—7.7 s。

關鍵詞 VP 垂直擺傾斜儀；臺風；地脈動；小波分解；頻譜特征

中圖分類號： P315.63文獻標識碼： A文章編號：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手段，通過連續記錄地面的傾斜變化狀態來反映地球的動態變化與地震孕育的關系，在地震中短和短臨前兆異常監測中發揮著重要作用[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，觀測精度更高，并且能獲取更多的由大氣擾動、海浪運動等產生的高頻背景噪聲信息，臺風激發的地脈動就是其中之一。

臺風是一種高強度的熱帶氣旋，它激發海浪沖擊海岸和海底，使海浪之間發生非線性干涉產生地脈動[3]。當臺風路徑與中國海岸距離較近時，內陸和沿海的地形變觀測儀器就能記錄到這些脈動，信號的包絡線通常呈現紡錘狀或喇叭狀[4]。擾動信號持續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會對地震前兆信息的識別產生影響。因此，深入分析臺風的擾動特性，對于地震前兆異常判定及地震短臨預報具有重要意義。

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風的擾動特性[6-8]。胡小剛等[7]對全國多個寬頻帶地震儀在汶川地震前的異常擾動信號進行時頻分析，發現該擾動由動態特征完全不同的兩部分組成，一種與臺風活動有關，而另一種屬于非臺風擾動，其擾動源在靠近震中的內陸區域，可能與地震有一定的聯系。王新勝等[8]利用陸態網絡連續重力觀測數據，分別研究了震前重力擾動信號和臺風引起的重力擾動信號的主頻率特征，提出利用主頻率級差和標準差來區分二者的方法，推進了重力觀測在強震短臨監測預報中的應用。而對寬頻帶垂直擺傾斜儀的研究較少。張燕等[9]對寬頻儀器數據進行小波分析，結果顯示寬頻帶傾斜儀與寬頻帶測震儀、PET重力儀在記錄頻率范圍0.13—0.33 Hz 內的高頻震顫波方面具有一致性，其產生原因與夏秋兩季的臺風和近海海面的海風有關。馮建琴等[10]對比分析了臨汾垂直擺傾斜儀記錄的高頻抖動波與臺風和地震的對應關系，結果表明高頻震顫波主要與臺風和近海海風干擾有關，其次是遠震震前形變，少部分原因不明。

本文以湖北省黃梅地震臺 VP 寬頻帶垂直擺傾斜儀為研究對象，利用 VP 垂直擺傾斜儀在不同臺風期間的連續觀測資料，分析臺風引起的地脈動信號在 VP 垂直擺傾斜儀觀測數據上的形態特征和頻譜特征，并研究信號的振動幅度與臺風風速、臺風中心距臺站距離之間的關系，從而為分析與排除干擾、識別地震前兆異常提供判據。

1 數據與方法

1.1 臺站與臺風事件

黃梅地震臺地處地震構造敏感區，臺基條件良好，觀測條件穩定。其形變觀測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，多年來觀測資料連續可靠、完整率高，記錄的固體潮曲線形態清晰。在受到近海臺風干擾時，VP 垂直擺傾斜儀會產生明顯的同步擾動現象。

本文選取2020年8號臺風“巴威”和2021年6號臺風“煙花”兩次臺風事件進行研究。臺風路徑如圖1所示。

臺風“巴威”于2020年8月21日21時生成，24日升格為臺風，25日上午加強為強臺風，17時其中心位于東海北部海面上，中心附近最大風力42 m/s，最低氣壓955 hPa，隨后持續北上，強度持續加強，26日最大風力達45 m/s，27日8時30分在中朝交界附近的朝鮮平安北道沿海登陸，登陸時中心附近最大風力35 m/s，中心最低氣壓970 hPa，10時減弱為強熱帶風暴級，17時在吉林省遼源市東豐縣境內減弱為熱帶低壓。臺風“煙花”于2021年7月18日2 時由熱帶低壓升格為熱帶風暴，21日升格為強臺風，25日12時30分在浙江省舟山市普陀區沿海登陸，登陸時中心附近最大風力38 m/s，中心最低氣壓965 hPa，26日9時50分在浙江省嘉興平湖沿海再次登陸，登陸時中心附近最大風力28 m/s，28日在安徽省境內減弱為熱帶低壓，隨后逐漸北上進入渤海并變性為溫帶氣旋。圖2為臺風“巴威”和“煙花”的中心風速、臺風中心與黃梅臺的距離。兩次臺風經過期間，VP 垂直擺傾斜儀觀測曲線均受到不同程度的影響，本文對兩次臺風期間的觀測數據進行研究。

1.2 數據處理方法

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信號，并對信號進行頻譜分析，獲得信號的頻率范圍和頻譜特征。首先采用 db4小波對原始數據進行5層小波分解，將信號分解為2—4 s，4—8 s，8—16 s，16—32 s，32—64 s 等5個頻段，分析臺風在不同頻段上的擾動差異。原始信號與分解后信號的關系可表示為：S=D 1+D2+D3+D4+D5+A5，式中，S 為原始信號，D 為小波分解細節項，A 為趨勢項。然后去除趨勢項，重構1—5層細節，并對合成信號進行短時傅里葉變換，最終獲得高頻信號的頻譜特征，以及信號能量隨頻率的分布特征。結合臺風風速和行進路徑，可分析臺風造成的擾動幅度隨臺風強度和臺風中心距臺站距離的變化規律。

2 臺風擾動的頻譜特征

2.1 小波細節分析

獲取黃梅臺 VP 垂直擺傾斜儀在2020年8月22—29日臺風“巴威”經過期間及2021年7月21—28日臺風“煙花”經過期間的秒采樣數據。采用 db4小波將數據分解為5階，原始數據及分解結果見圖3和圖4。可以看出，受臺風影響，原始固體潮曲線逐漸加粗，擾動幅度逐漸增大，于某一日達到峰值之后曲線逐漸變細并慢慢恢復正常形態。小波分解結果更清晰地展現了臺風對地傾斜觀測的影響，曲線呈現明顯的紡錘體結構，曲線形態先保持平穩，然后出現紡錘狀擾動，臺風離開后逐漸恢復正常狀態。

結合臺風風速、臺風中心與垂直擺傾斜儀距離圖，對臺風“巴威”引起的傾斜儀擾動進行具體分析。臺風“巴威”于21日生成后逐漸加強，風速越來越大，觀測曲線及小波變換曲線（圖3b，圖3c）越來越粗，25—26日風速達到最大，曲線的擾動幅度也達到最大，紡錘體結構最為明顯，此時也是臺風中心與臺站距離最近的時段，隨后隨著臺風逐漸遠離、風力逐漸減弱，曲線也慢慢變細至恢復正常形態。因此，隨著臺風中心與黃梅臺距離的減小、中心風速的增加，臺風引起的擾動幅度逐漸增大。小波分解結果顯示，臺風對小波分解各個頻段的影響幅度不一樣，2—4 s 頻段對臺風的響應最強烈，振動幅度最大，4—8 s 稍弱，隨著頻率降低，振動幅度也逐漸減小，32—64 s 頻段已幾乎沒有響應。

而從臺風“煙花”的小波分解結果可以看出，臺風引起的擾動幅度峰值時間與風速最大時間及臺風中心與臺站距離最近的時間并不一致。臺風“煙花”風速于22—23日達到最大，隨后逐漸減小；而傾斜儀記錄的擾動幅度并未隨著風速的減小而減弱，在持續增強后于25—26日達到峰值，然后才逐漸降低。在此期間，臺風中心與臺站的距離持續減小，于擾動幅度達到峰值之后的28日，臺風中心與臺站的距離最近。因此，臺風引起的擾動幅度達到峰值的時間是由臺風風速和距離綜合決定的，也說明臺風引起的地脈動信號傳播到傾斜儀所在位置是一個復雜的過程。

綜合分析可知，臺風對 VP 垂直擺傾斜儀觀測的干擾與臺風風速和臺風中心與臺站距離有關，擾動幅度呈現隨臺風風速的增大、臺風中心與臺站距離的減小而不斷增強的趨勢。

2.2 頻譜特征分析

將數據去趨勢項后進行傅里葉變換，得到信號的頻譜圖（圖5）。信號的頻譜成分在頻譜圖中得到了細化，頻譜圖清晰地展現了信號的頻譜特征隨時間的變化狀態，以及不同頻率上信號能量的分布情況。

由圖5可以看出，臺風引起的地脈動信號的頻率主要集中在0.13—0.3 Hz，對應的周期為3.3—7.7 s。隨著臺風行進的過程，頻譜能量也表現出先增大后衰減的趨勢，與臺風從最初生成、逐漸靠近到最后離開的過程一致，與臺風風速、臺風中心與臺站距離表現出相關性。兩次臺風事件期間，VP 垂直擺傾斜儀記錄的地脈動信號的頻譜特征基本一致，臺風路徑對 VP 垂直擺傾斜儀記錄的臺風擾動信號沒有明顯的影響。

2.3 臺風擾動特征機理探討

臺風激發地脈動的機制可以用 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生的海浪駐波。臺風發生時蘊含的巨大能量激發海浪沖擊海岸和海底，產生的反射波浪與原生海浪發生非線性干涉，形成海浪駐波。海浪駐波傳播到海底，引起海底壓強變化，其變化頻率是海浪起伏引起的海底壓強變化頻率的2倍，并且可以不衰減地傳到海底，從而引發強烈的地脈動。這種地脈動可以在內陸傳播很遠的距離，使沿海及內陸的觀測儀器產生明顯的擾動信號。

由前文分析可知，臺風引起的擾動幅度的變化趨勢與臺風風速和距離的變化趨勢并不完全一致，這也是地脈動產生及傳播的復雜機理導致的。臺風對陸殼的擾動效應是大氣、海洋、陸地等耦合作用的結果。擾動信號的產生源于海洋上空猛烈旋轉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的巨浪對地殼的沖擊、氣旋的擾動。地球內部構造復雜，地殼厚度分布不均，地脈動信號在傳播過程中會發生變化，因此臺風引發的地脈動信號具有復雜性和未知性。

3 討論與結論

本文對黃梅臺 VP 寬頻帶傾斜儀記錄的臺風擾動特征進行研究，分析了擾動幅度與臺風中心到臺站的距離、臺風中心風速的關系。通過小波分解和傅里葉變換獲得臺風擾動信號的時頻特征。

隨著臺風靠近、遠離臺站，擾動幅度呈現上升到一定峰值然后下降的趨勢，且優勢頻段為2—4 s，即臺風擾動幅度表現出與臺風風速正相關、與臺風距離負相關的規律，擾動持續時間與臺風的生命周期保持一致。

臺風引起的地脈動信號頻率集中在0.13—0.3 Hz 范圍，卓越周期為3.3—7.7 s。不同臺風引發的地脈動信號的頻譜特征大致相同，寬頻帶傾斜儀記錄的地脈動信號的頻譜特征與臺風路徑關系并不明顯。

西太平洋是全球臺風發生最多、強度最大的地方，位于西太平洋西岸的我國，是世界上受臺風影響比較嚴重的國家之一，尤其是東海及南海區域，臺風頻發，其中8—9月是臺風的高發季。受西太平洋臺風季的影響，臺風已然成為沿海及內陸地形變觀測的自然干擾因素之一?，F有研究多集中于地震儀和秒采樣重力儀，對寬頻帶傾斜儀的研究較少。本文針對寬頻帶傾斜儀，討論臺風激發的地脈動信號的頻譜特征，有助于識別臺風干擾、判別前兆異常。

本文目前僅對黃梅地震臺進行了分析，后面還需要將研究范圍遍及全國，覆蓋沿海及內陸臺站，更深入地探討臺風的擾動特性。地脈動信號的傳播機制極其復雜，其引起的頻譜能量的變化與風速和距離的變化趨勢并不是完全一致，還需要做進一步的探究。

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