COVID-19武漢封城前后背景噪聲水平動(dòng)態(tài)變化

李坤林 王林松,2 馬 險(xiǎn) 謝 揚(yáng) 朱明濤

1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球物理與空間信息學(xué)院,武漢市魯磨路388號(hào),430074 2 地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢市魯磨路388號(hào),430074 3 中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院,武漢市徐東大街340號(hào),430077

由于不同區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的差異,各臺(tái)站的背景噪聲各不相同[1],同一區(qū)域不同頻段的背景噪聲也有所不同[2]。研究gPhone重力儀在不同頻段內(nèi)的噪聲水平,可為臺(tái)站選址、掌握儀器性能、校正儀器、判斷儀器近期是否具有檢測(cè)地震簡(jiǎn)正模及微弱地球動(dòng)力學(xué)信號(hào)的能力等諸多科學(xué)問題提供重要參考。

2020-01新冠疫情(COVID-19)爆發(fā),武漢持續(xù)封城近80 d,人類活動(dòng)明顯降低,使武漢地區(qū)整體背景噪聲發(fā)生變化。基于此,本文利用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)gPhone重力儀(SN:094)在2016～2020年(2018-04～09數(shù)據(jù)缺失)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù),研究其背景噪聲水平,分析2020年武漢封城前后背景噪聲的動(dòng)態(tài)變化情況。

1 數(shù)據(jù)處理及方法原理

1.1 數(shù)據(jù)處理

將每日的原始秒采樣重力觀測(cè)數(shù)據(jù)作為一個(gè)獨(dú)立的文件進(jìn)行處理。具體步驟如下:

1)基于WDD 模型[3]對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論固體潮改正,采用 Schwiderski 模型[4]進(jìn)行海潮負(fù)荷效應(yīng)改正,得到重力潮汐殘差。

2)選取單系數(shù)大氣重力導(dǎo)納值-0.3 μGal/mbar計(jì)算大氣負(fù)荷的重力效應(yīng)改正,得到經(jīng)氣壓改正的重力潮汐殘差:

δgair=-α(p-pn)

(1)

式中,α為氣壓導(dǎo)納值,p為臺(tái)站實(shí)測(cè)氣壓值,pn為臺(tái)站實(shí)測(cè)的平均氣壓。

3)低階多項(xiàng)式不能完全消除由潮汐和儀器漂移產(chǎn)生的剩余低頻信號(hào)[5],而使用9階多項(xiàng)式不僅可以解決上述問題,還可以在1 d的重力數(shù)據(jù)中很好地模擬出4次振蕩(以6 h為周期)。因此,為改正儀器漂移并消除殘余潮汐信號(hào),從經(jīng)氣壓改正的重力潮汐殘差中減去與之?dāng)M合的9階多項(xiàng)式,得到最終的重力殘差信號(hào)。

需要說明的是,利用 gPhone 重力儀進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)時(shí)會(huì)受到外界因素(如地震活動(dòng)、地下水變化)和內(nèi)部因素(如儀器故障、校準(zhǔn)系統(tǒng)升級(jí))等影響,使觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)地震擾動(dòng)、階躍、尖峰、間斷等干擾。在計(jì)算噪聲等級(jí)的過程中,無需使用Tsoft軟件對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行修正:一方面,依靠自動(dòng)處理完全消除這些信號(hào)是不可靠(如階躍)或沒有意義的(如間斷),并且會(huì)人為增加噪聲(如地震擾動(dòng))[5];另一方面,瞬態(tài)信號(hào)不僅有益于評(píng)價(jià)臺(tái)站性能,還可以通過簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的處理流程減少計(jì)算功率譜密度PSD的時(shí)間,顯著提高工作效率[6]。此外,本研究以地震平靜期的重力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),將研究期間gPhone重力儀監(jiān)測(cè)到的M>5.5的重力文件篩除,再對(duì)其他重力數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。

1.2 方法原理

1)計(jì)算每日最終重力殘差信號(hào)的均方根RMS,并選取每年RMS最小的 5 d代表此年背景噪聲最平靜的時(shí)間[5]。

2)對(duì)最平靜5 d的重力殘差信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,獲取振幅譜,并計(jì)算5 d的平均功率譜密度PSDmean。設(shè)重力殘差信號(hào)為f(j) ,j=1,2,…,N,則信號(hào)的振幅譜s(k)為:

(2)

式中,N為采樣點(diǎn)總數(shù),i為虛數(shù)單位。

信號(hào)的PSD及一定頻率范圍內(nèi)的PSDmean可寫為:

(3)

(4)

式中,Δt為采樣率,k1和k2分別為所選取頻率范圍的上下限,M為所選取頻率范圍的樣本數(shù)。

3)計(jì)算地震噪聲等級(jí)SNM和亞地震噪聲震級(jí)SSNM。SNM是衡量地震頻段背景噪聲水平的指標(biāo),根據(jù)200～600 s區(qū)間的平均功率譜求得:

SNM=lgPSDmean+0.5

(5)

同樣,可以選定1～6 h的波段計(jì)算SSNM。

2 2016～2020年噪聲水平

2.1 周期性噪聲水平

將研究期間每日最終重力殘差信號(hào)的RMS作為評(píng)價(jià)噪聲水平的指標(biāo),研究gPhone重力儀2016～2020年噪聲水平的時(shí)間序列(圖1)。 結(jié)果表明, gPhone重力儀的平均噪聲水平約為28±17 μGal;噪聲水平時(shí)間序列呈明顯的季節(jié)性變化,春夏交替時(shí)期(5月中旬)最小,秋冬季節(jié)(9月至次年2月)較大。上述結(jié)論與北半球海洋活動(dòng)季節(jié)性特征一致。

圖1 2016～2020年噪聲水平時(shí)間序列及擬合結(jié)果Fig.1 Noise level time series and fitting results from 2016 to 2020

2.2 每年最平靜5 d的PSD特征

根據(jù)RMS選取gPhone重力儀2016～2020年每年最平靜的5 d(表1),將對(duì)應(yīng)頻段內(nèi)的PSDmean作為噪聲水平估計(jì)(圖2)。由圖2可見:1)秒采樣數(shù)據(jù)PSD結(jié)果最大能反映到0.5 Hz,這一頻段內(nèi)的背景噪聲主要包括大氣活動(dòng)噪聲(<3 mHz )、地球嗡鳴信號(hào)(3～17 mHz)及地脈動(dòng)噪聲信號(hào)[1,7],且第2類地脈動(dòng)(0.1～0.5 Hz)噪聲的能量相較于第1類地脈動(dòng)(0.05～0.1 Hz)更大,說明gPhone重力儀對(duì)短周期的響應(yīng)更敏感。2)地震頻段內(nèi),2016～2020年的PSD結(jié)果均遠(yuǎn)高于NLNM曲線,2016～2018年結(jié)果較為接近,2019年和2020年結(jié)果整體一致性較好,但略高于前3 a。亞地震頻段內(nèi),2019年P(guān)SD結(jié)果最大,2016年最小。3)由圖2(a)可見,在2019年重力PSD中,約0.01 Hz處存在一個(gè)強(qiáng)烈峰值,在2018年記錄中也可觀察到類似峰值,該峰值是儀器彈簧傳感器的共振信號(hào)。由于其噪聲水平在其他方面非常低,因此本文仍選擇將產(chǎn)生該尖峰的重力數(shù)據(jù)作為最平靜數(shù)據(jù)之一。

表1 2016～2020年每年最平靜5 d計(jì)算結(jié)果

圖2 2016～2020年每年最平靜5 d的重力PSDFig.2 The gravity PSD of the 5 quietest days from 2016 to 2020

2.3 噪聲等級(jí)

依據(jù)Banka等[5]的方法計(jì)算gPhone重力儀2016～2020年的SNM與SSNM(圖3)。由圖3可見,SNM的范圍為3.500～4.278,其中2016年和2017年基本一致,且低于其他年份,2019年最高;SSNM的范圍為4.456～6.136,2016年最低,2019年最高。gPhone重力儀位于城市中,其噪聲水平高于位于地下室和山洞的gPhone重力儀[9],說明城市人為干擾是gPhone噪聲水平增加的主要貢獻(xiàn)之一[10]。

NLNM為計(jì)算地震頻段背景噪聲提供零值參考,其SNM = 0;亞地震頻段以頻率10-4 Hz(2.8 h)對(duì)應(yīng)值3.3為參考[8]圖3 SNM與SSNM計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results of SNM and SSNM

3 武漢封城前后背景噪聲動(dòng)態(tài)變化

3.1 SNM日變化情況

不同頻帶的噪聲水平之間具有高度的線性相關(guān)性,因此在進(jìn)行噪聲水平分析時(shí),只估計(jì)一個(gè)頻率范圍內(nèi)的噪聲水平即可[11]。不同于Banka等[5]的方法只計(jì)算得到每年的SNM值,本文直接計(jì)算研究期間每日地震頻段的噪聲水平(圖4),研究SNM值的日變化情況,以探究2020年武漢封城前后背景噪聲的動(dòng)態(tài)變化。

圖4 2016～2020年SNM值的日變化情況Fig.4 Variations of the daily SNM values from 2016 to 2020

從現(xiàn)有最長(zhǎng)時(shí)間序列的SNM日變化值看出,地震頻段噪聲幅度穩(wěn)定在1σ內(nèi),說明gPhone重力儀的噪聲水平多年來相對(duì)穩(wěn)定。但SNM值在2020年初期一定連續(xù)時(shí)間內(nèi)明顯低于3.684(2018-10～2020-12 SNM日變化值的mean-1σ)。與表1對(duì)比發(fā)現(xiàn),2020年最平靜5 d的日期并未處于封城期間。圖3中2020年SNM值為4.075,高于封城期間SNM值,說明依據(jù)計(jì)算整個(gè)頻段RMS選取的平靜期并不一定是 SNM 最小的時(shí)間[2,12]。

進(jìn)一步對(duì)低值區(qū)域進(jìn)行局部分析可知, 除2020-02-15(臺(tái)灣花蓮發(fā)生M5.4地震)外,2020-01-23～04-21的 SNM均不高于3.684。此時(shí)間范圍與武漢的封城時(shí)間一致:2020-01-23封城,2020-02-10全市范圍所有住宅小區(qū)實(shí)行封閉管理,2020-04-08武漢市解除離漢離鄂管控通道,2020-04-22公共交通全面有序恢復(fù)運(yùn)營(yíng)。說明在此極為安靜的情況下,gPhone重力儀背景噪聲處于較低水平。該動(dòng)態(tài)變化實(shí)時(shí)反映了人類活動(dòng)程度對(duì)臺(tái)站噪聲水平的影響。

3.2 背景噪聲頻譜特征

為進(jìn)一步分析2020年武漢封城期間因人類活動(dòng)受限導(dǎo)致的噪聲水平動(dòng)態(tài)時(shí)頻變化,采用短時(shí)傅里葉變換方法分析2020-01-23～04-21重力殘差信號(hào)的時(shí)變規(guī)律。通常情況下,背景噪聲主要由周圍環(huán)境噪聲和儀器設(shè)備噪聲2個(gè)部分組成,且環(huán)境噪聲比儀器噪聲更高[9]。為減少儀器噪聲對(duì)結(jié)果的影響,將2019年和2020年相同時(shí)間段進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算2 a同期重力殘差信號(hào)在0.5～500 mHz頻段內(nèi)的頻譜變化(圖5)。

圖5 2019年和2020年同期噪聲水平時(shí)頻分析Fig.5 Time-frequency analysis of noise level in the same period of 2019 and 2020

由圖可見,2019年和2020年同期均可清楚識(shí)別到具有較高噪聲的水平條紋, 8～14 mHz頻率范圍內(nèi)存在明顯的高噪聲,且冬季較大,進(jìn)入春季后逐漸降低。此頻率范圍對(duì)應(yīng)于圖2中的凸起,為地球嗡鳴信號(hào),其激發(fā)與海洋活動(dòng)有關(guān)[13]。此外,在頻率超過100 mHz處也可觀察到來自海洋的高頻噪聲,屬于第2類地脈動(dòng)信號(hào)。2019年白天噪聲水平較高,夜間較低,可清楚識(shí)別出垂直條紋;2020年同期難以識(shí)別出明顯的日夜差異,說明疫情防控政策的實(shí)施導(dǎo)致白天人類活動(dòng)受限,其噪聲變化與安靜夜間處于同一水平。時(shí)頻分析結(jié)果進(jìn)一步表明,gPhone環(huán)境噪聲水平取決于周圍的人類活動(dòng),2020年封城期間環(huán)境噪聲水平明顯低于2019年同期。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)gPhone重力儀的背景噪聲水平呈明顯的季節(jié)性變化,春夏交替時(shí)期(5月中旬)達(dá)到最小值,秋冬季節(jié)(9月至次年2月)較大;

2)gPhone重力儀2016～2020年的SNM范圍為3.500～4.278,SSNM范圍為4.456～6.136,噪聲較高;

3)2020年武漢封城期間,gPhone重力儀背景噪聲水平較2019年同期驟減,直至2020-04-22武漢全面恢復(fù)公共交通才恢復(fù)到以往水平。

本文結(jié)果對(duì)研究臺(tái)站及其周邊人類活動(dòng)對(duì)重力儀環(huán)境噪聲水平的影響具有一定的參考價(jià)值。