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(xué)觀測研究站, 上海 200062)

0 引言

臺風(fēng)對地殼產(chǎn)生的擾動可以被地震儀、重力儀以及傾斜應(yīng)變儀等前兆儀器記錄到,往往表現(xiàn)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(xù)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(xiàn)在地震觀測記錄中。關(guān)于這種疊加的高頻信號是否與地震有關(guān),還是僅源于臺風(fēng)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(xù)數(shù)天的低頻震顫波信號,同時在中國南海上空產(chǎn)生了一次強臺風(fēng)“玲玲”,關(guān)于該信號究竟是慢地震還是西太平洋臺風(fēng)的影響,許多專家都做過探討[7-8],但并沒有明確的結(jié)論。近年來又有學(xué)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(fā)生的北極風(fēng)暴[12],激發(fā)源位置的討論從西太平洋轉(zhuǎn)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(shù)的地震儀、重力儀、應(yīng)變儀等觀測設(shè)備都能記錄到這種擾動影響[13-15],因此如何更有效、準(zhǔn)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(xué)者從災(zāi)害鏈的角度探討環(huán)境與地震觸發(fā)的關(guān)系[16-17],而臺風(fēng)本身也是災(zāi)害鏈的重要一環(huán)。以上海為例,2014年7月10日1時44分浦東新區(qū)南匯新城鎮(zhèn)(30.9°N,121.9°E)發(fā)生了一次3.2級地震,震級相較上海地區(qū)的背景水平偏高,附近居民震感強烈。在緊急會商過程中發(fā)現(xiàn)震前7月8日0時—10日12時,上海市佘山臺四分量鉆孔應(yīng)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(huán)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(zhì)判定。而后續(xù)通過對佘山臺分量應(yīng)變儀全年的背景噪聲進行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)該擾動源來自距臺站600 km的遠(yuǎn)海臺風(fēng)。佘山臺所在的東部沿海地區(qū)受西太平洋臺風(fēng)影響頻繁,因此深入了解不同路徑、不同強度的臺風(fēng)所激發(fā)的擾動信號特征可以為分析預(yù)報人員準(zhǔn)確判定信號是否受臺風(fēng)擾動提供參考。

基于此,本文以上海佘山臺四分量鉆孔應(yīng)變儀觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選取6次路徑及強度皆不相同的西太平洋臺風(fēng)事件,分析在臺風(fēng)發(fā)生及消亡過程中所激發(fā)的低頻擾動信號在時頻域及空間域的響應(yīng)特征,并結(jié)合風(fēng)速、浮標(biāo)浪高等海洋數(shù)據(jù)對擾動信號的激發(fā)機制進行探討,以期為日常數(shù)據(jù)跟蹤中類似擾動信號性質(zhì)的判定提供分析依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 觀測臺站及臺風(fēng)事件

分量應(yīng)變儀與地震儀、GPS等設(shè)備在觀測方式、觀測原理及頻段設(shè)置等方面均有不同,它是以彈性力學(xué)中“圓孔加襯問題”的解為理論依據(jù)的。儀器內(nèi)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(shè)計使得儀器可同時測量點位的體積應(yīng)變和形狀應(yīng)變的相對變化,并實現(xiàn)儀器狀態(tài)的自檢[18]。上海佘山臺分量應(yīng)變儀4個觀測分量的布設(shè)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(yōu)于5×10-11,能精確監(jiān)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(qū)于每年7—10月受臺風(fēng)影響較為顯著。大部分臺風(fēng)在太平洋西南部海面產(chǎn)生后經(jīng)東海轉(zhuǎn)向日本,少部分會經(jīng)由浙江、福建等地登陸。為了更詳盡地分析不同路徑臺風(fēng)經(jīng)過時近岸分量應(yīng)變儀記錄的低頻擾動特征,本文收集了佘山臺分量應(yīng)變儀在6次影響較大的臺風(fēng)事件中的觀測數(shù)據(jù)。臺風(fēng)路徑及基礎(chǔ)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(yīng)變儀受臺風(fēng)擾動的優(yōu)勢頻段,首先濾除原始數(shù)據(jù)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(yīng)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(yīng)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(fēng)發(fā)育、消亡過程中的響應(yīng)特征。

圖1 選取的6次西太平洋臺風(fēng)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(fēng)基礎(chǔ)信息表

1.3 優(yōu)勢振動方向法

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

2 臺風(fēng)擾動特征

2.1 臺風(fēng)擾動的時頻特征

將佘山臺分量應(yīng)變儀第一分量(150°)在6次臺風(fēng)期的觀測數(shù)據(jù)進行小波分解,并進行FFT變換,得到歷次臺風(fēng)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(fēng)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(fēng)的發(fā)展有強烈的伴生關(guān)系,模式均為平靜-上升(臺風(fēng)中心開始逼近)-峰值(臺風(fēng)最盛,距離最近)-下降(臺風(fēng)中心開始遠(yuǎn)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(fēng)擾動在減弱,在32～128 min頻段區(qū)間已經(jīng)幾乎看不到臺風(fēng)的影響。在這6次臺風(fēng)期間,佘山臺分量應(yīng)變儀記錄的低頻擾動信號變化特征一致,優(yōu)勢擾動周期均為2～4 min,只是不同臺風(fēng)所影響的幅值存在差別。

將不同臺風(fēng)期間,佘山臺應(yīng)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?？梢钥吹?影響幅值差異的主要因素為臺風(fēng)的量級以及臺風(fēng)路徑與臺站的距離。在這6次臺風(fēng)中,“燦鴻”和“?？钡呐_風(fēng)路徑離臺站最近,“泰利”、“黃蜂”及“天鵝”的臺風(fēng)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(fēng)雖然未登陸,但臺風(fēng)中心在最強盛時段離臺站僅有150 km,中心風(fēng)速約138.6 km/h;“泰利”影響位居第二,雖然臺風(fēng)中心與臺站間的距離已接近500 km,但此時臺風(fēng)中心風(fēng)速高達204 km/h,臺風(fēng)可以將強大的空氣動能源源不斷地傳遞給下方的海水,轉(zhuǎn)化為海浪能,進而不停沖擊大陸。值得注意的是,在“泰利”臺風(fēng)期間,分量應(yīng)變儀所記錄的擾動信號的峰值持續(xù)時間達3天,而在其他臺風(fēng)期則幾乎都是尖峰變化模式,這與臺風(fēng)的路徑走向關(guān)系密切?！疤├痹诔掷m(xù)峰值的9月14—16日，其臺風(fēng)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(fēng)更慢、更短，因此它呈現(xiàn)的是持續(xù)的峰值狀態(tài)；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(xù)時間較短，呈現(xiàn)的是尖峰變化模式。由此可見,臺風(fēng)的移動路徑與儀器記錄的擾動信號變化形態(tài)直接相關(guān)?！包S蜂”和“天鵝”臺風(fēng)路徑與“泰利”相似,但距離更遠(yuǎn),因此影響幅度較小?！昂？彪m然在浙江登陸,但登陸時臺風(fēng)中心風(fēng)速約118.8 km/h,比“燦鴻”和“泰利”能級略低。臺風(fēng)“蘇迪羅”的路徑并沒有經(jīng)過東海,而是穿過臺灣,經(jīng)南海在福建登陸,對東海區(qū)域的影響有限。

圖2 佘山臺分量應(yīng)變儀第一分量(150°)觀測在6次臺風(fēng)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(fēng)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(yīng)變儀受臺風(fēng)影響的強弱與否主要和臺風(fēng)量級、臺風(fēng)中心的位置(海上或陸域)以及與臺站間的距離有關(guān)。

2.2 臺風(fēng)擾動的空間特征

2.1節(jié)介紹了佘山臺應(yīng)變儀第一分量觀測信號在6次臺風(fēng)期間時頻域的變化特征。事實上,分量應(yīng)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(yīng)變儀的4個分量在臺風(fēng)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(fēng)過程中均出現(xiàn)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(fēng)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(fēng)“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(fēng)期是否存在規(guī)律性的空間擾動特征,利用優(yōu)勢振動方向法計算了6次臺風(fēng)期間佘山臺分量應(yīng)變儀記錄的優(yōu)勢振動方向,如圖5所示。其中藍(lán)色線條代表臺風(fēng)來臨前,紅色為臺風(fēng)最強盛并且距離最近時期,玫紅色代表臺風(fēng)逐漸減弱并遠(yuǎn)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(fēng)的強盛期,優(yōu)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(fēng)強盛的前后時段,其優(yōu)勢振動方向并不統(tǒng)一,相對分散?？梢哉J(rèn)為優(yōu)勢方向角為激發(fā)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(fēng)期的優(yōu)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(fā)源很可能與杭州灣附近海域的入射涌浪有關(guān)。臺風(fēng)發(fā)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(fā)增強的振動信號,但這一推測還需相關(guān)的浪高數(shù)據(jù)予以佐證。

2.3 平靜期的時頻及空間響應(yīng)特征

為了解佘山臺分量應(yīng)變儀在無臺風(fēng)平靜期的響應(yīng)特征,選取2016-07-06—18這一無臺風(fēng)發(fā)生的平靜時段,對相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)進行處理,分別得到小波分解結(jié)果、平均FFT幅值時程曲線以及優(yōu)勢振動方向角等(圖7),并與前述臺風(fēng)期結(jié)果進行對比。從頻譜特征看,在無臺風(fēng)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(xiàn)上述臺風(fēng)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(xù)穩(wěn)定在同一水平,遠(yuǎn)低于臺風(fēng)時期的幅值;另外3個分量也同樣如此,均保持平穩(wěn)水平。從優(yōu)勢振動方向結(jié)果看,2016年7月,在2～4 min頻段并未形成優(yōu)勢方向,各個方向信號強度差別不大?？梢哉J(rèn)為平靜期代表了基本的背景場,而臺風(fēng)的發(fā)生使得背景場上疊加了顯著的異常擾動信號。因此,臺風(fēng)事件無疑是儀器記錄擾動信號的產(chǎn)生原因,但臺風(fēng)究竟是通過何種介質(zhì)及何種方式將擾動能量加載到臺站所在的區(qū)域,還需要進一步討論。

圖5 佘山臺分量應(yīng)變儀在6次臺風(fēng)期間的優(yōu)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(fā)機制探討

通過對6次臺風(fēng)期佘山臺分量應(yīng)變儀記錄的低頻擾動信號的時頻及空間響應(yīng)特征分析,可以認(rèn)為臺風(fēng)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(chǎn)生主要源于熱帶氣旋運動過程中與淺海區(qū)大陸架和陸地表面的摩擦、氣壓載荷變化及由此產(chǎn)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(chǎn)生的響應(yīng)。袁媛等[22]通過對比臺站附近的風(fēng)速數(shù)據(jù),認(rèn)為不同介質(zhì)對陸殼作用的效率并不一致,風(fēng)作為大氣與陸地之間作用的介質(zhì),其影響效率遠(yuǎn)沒有海洋作為介質(zhì)來得高,但未提出海浪的數(shù)據(jù)比對。為了更深入地討論噪聲的激發(fā)源,本文收集了臺風(fēng)“?？逼陂g東海及洋山兩個海洋浮標(biāo)的有效波高數(shù)據(jù)[23](圖6),進一步認(rèn)為風(fēng)速并不是影響擾動能量的主要因素,更具決定性的激發(fā)源來自于近岸海浪,分量應(yīng)變儀記錄的擾動信號的強度與近岸波高直接相關(guān)。

圖8分別展示了佘山臺分量應(yīng)變儀第一分量在臺風(fēng)“?？逼陂g2～4 min周期信號的平均FFT幅值與地面風(fēng)速、東海浮標(biāo)以及離岸更近的洋山浮標(biāo)有效波高的對比曲線。從圖中可見,臺站分量應(yīng)變儀記錄的擾動信號能量的最大值發(fā)生于臺風(fēng)登陸時,即2012年8月8日3:00。地面風(fēng)速在臺風(fēng)登陸之后依然持續(xù)增強,但擾動信號能量卻開始下降,顯然在臺風(fēng)登陸之后,擾動信號能量的變化規(guī)律與風(fēng)速相反[圖8(a)],與海域波高數(shù)據(jù)一致[圖8(b)、(c)]。

圖7 佘山臺分量應(yīng)變儀在無臺風(fēng)期的小波分解、平均FFT幅值時程曲線以及優(yōu)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(fēng)“?？逼陂g分量應(yīng)變儀平均FFT幅值與風(fēng)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(biāo)有效波高與擾動信號能量的相關(guān)性較好,但峰值時間有所偏差。東海浮標(biāo)位于外海區(qū)域,離岸較遠(yuǎn),與佘山臺直線距離約307 km,隨著臺風(fēng)中心逐漸靠近大陸,東海浮標(biāo)區(qū)域的浪高峰值比近岸出現(xiàn)得更早。從離岸更近的洋山浮標(biāo)的數(shù)據(jù)可以看出,其浪高峰值比東海浮標(biāo)晚到約3 h,與臺站分量應(yīng)變儀記錄的擾動能量峰值時間一致。隨著臺風(fēng)登陸,浮標(biāo)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(fù)到正常背景水平?？梢钥闯?離臺站更近的洋山浮標(biāo)的有效波高數(shù)據(jù)與臺站記錄的低頻擾動能量變化的相關(guān)性更好,同時也說明擾動的激發(fā)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(fā)現(xiàn),分量應(yīng)變儀在臺風(fēng)期間記錄的低頻擾動信號的優(yōu)勢頻段為2～4 min,周期較長;儀器的優(yōu)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(biāo)的有效波高相關(guān)。因此認(rèn)為分量應(yīng)變儀記錄的這種低頻擾動信號,其激發(fā)源來自近岸淺海區(qū)域。涌浪在近岸淺水處通過非線性相互作用產(chǎn)生的長重力波很有可能是擾動信號的激發(fā)源[24-25],這種波周期介于20～300 s間,是大風(fēng)浪作用期間近岸波能的重要組成部分。當(dāng)臺風(fēng)中心位于海域時,強大的空氣動能源源不斷轉(zhuǎn)化給臺風(fēng)下方的海水,激發(fā)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(fā)低頻振動信號,被分量應(yīng)變儀清晰地記錄到。

4 結(jié)語

本文基于上海佘山臺四分量鉆孔應(yīng)變儀的觀測數(shù)據(jù),選取近年來西太平洋發(fā)生的6次臺風(fēng)事件,提取出臺風(fēng)激發(fā)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(jié)論:

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

(2) 在臺風(fēng)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(fēng)發(fā)生的平靜期,分量應(yīng)變儀各個方向的振動強度無明顯差別,沒有特定的優(yōu)勢振動方向。臺風(fēng)影響期的優(yōu)勢振動方向與臺站所處海岸線的走向密切相關(guān)。

(3) 在無臺風(fēng)發(fā)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(yōu)勢振動方向法對信號的時頻及空間特征進行比對,科學(xué)判定同類噪聲擾動是否為臺風(fēng)激發(fā)。

(4) 分量應(yīng)變儀記錄的臺風(fēng)擾動信號能量與近岸浪高的相關(guān)性較好。通過綜合分析,認(rèn)為儀器記錄的低頻信號是由近岸淺海區(qū)域的海洋長重力波激發(fā)產(chǎn)生的。沿海臺站若有相關(guān)波高數(shù)據(jù)配合,可以與臺站信號進行比對研究,進而得到信號激發(fā)源的科學(xué)判據(jù)。

本文僅在低頻區(qū)間分析了西太平洋臺風(fēng)對我國東海近岸區(qū)域的擾動特性。除此之外,臺風(fēng)在不同頻段對不同區(qū)域的擾動特征是否一致,以及臺風(fēng)激發(fā)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(xué)參考,同時臺風(fēng)作為確定性的自然事件,也可成為地球物理觀測臺站數(shù)據(jù)研究與分析的寶貴資源。