热带气旋对海南地震观测井水位及重力测项的影响

刘 阳 孙三健 解晓静 张 慧 张 帆

（中国海口570203海南省地震局）

热带气旋对海南地震观测井水位及重力测项的影响

刘 阳 孙三健 解晓静 张 慧 张 帆

（中国海口570203海南省地震局）

热带气旋“威马逊”和“海鸥”活动期间，在热带气旋低气压和强降雨的特殊自然环境下，海南观测井水位大多呈抖动上升形态，而重力仪观测数据曲线粗糙，噪声变大。通过高通滤波及频谱分析，认为受热带气旋影响，水位变化与低气压相关性较好，热带气旋引起的水位抖动周期为1—10 min；重力观测曲线与热带气旋卓越周期及中心风速等因素有关。

水位；重力；热带气旋

0 引言

海南岛地处热带北缘，属热带季风气候，年平均气温22℃—26℃，干季、雨季明显，冬春干旱，雨季一般在5—10月，干季为11月至翌年4月。夏秋多雨，年降水量1 500 —2 500 mm，多热带气旋（台风）天气，常引起海南观测井水位和重力测项观测数据产生形态变化。

海南地震前兆台网目前运行的固定地震台有9个，其中1个为综合台站，8个为流体台站（多以水位和水温观测为主）。海南省琼中地震台为国家基准地震台，具有重力、地磁和地电等观测手段，产出的数据稳定、可靠，为海南省地震监测预报工作奠定了坚实基础。

2014年海南省地震前兆台网有7个地震台8套仪器记录到19条自然环境事件，这些事件基本由热带气旋天气引起。2014年影响海南的热带气旋为“威马逊”和“海鸥”，受其影响，琼中地震台PET相对重力仪观测数据曲线粗糙，噪声变大。海口地震台、火山流体台和向荣村台等水位仪观测数据出现突升后下降的现象。下面以具有代表性的海口地震台、火山流体台、向荣村台和琼中地震台为例，分析特殊自然环境——热带气旋对水位和重力观测的影响。

1 资料选取

1.1 流体观测井参数

海南流体观测井共7口，水位观测仪器采用LN-3A数字水位仪和SWY-Ⅱ型数字水位仪，数据采样率均为1个/min。各观测井参数见表1。

表1　海南流体观测井参数Table 1 Parameters of the water level observation in Hainan Province

1.2 重力观测点背景

本文使用琼中地震台PET型相对重力仪观测资料，分析热带气旋对观测数据的影响。琼中地震台为国家基准地震台，属国家Ⅰ类台，坐落在海南省中部，台址岩基为弱磁性混合花岗岩，2007年开始采用PET型相对重力仪进行重力观测，该仪器采样率为每秒1个，可以精确测量地球重力固体潮相对微小变化。自观测以来该仪器运行稳定，产出的观测数据可信度较高。

1.3 热带气旋资料

2014年西北太平洋和南海海域共生成编号热带气旋20个，第09号热带气旋“威马逊”（Rammasun）和第15号热带气旋“海鸥”（Kalmaegi）直击海南，分别于2014年7月18日15时及9月16日9时在文昌翁田镇登陆，对海南产生了较大影响。热带气旋“威马逊”和“海鸥”的动态参数见表2，其路径与地震台站分布见图1。

表2　热带气旋“威马逊”和“海鸥”的动态参数（据中国天气网，2014）Table 2 Dynamic parameters of tropical cyclone “Rammasun”and “Kalmaegi”（According to the weather network，2014）

图1　热带气旋路径与地震台站分布（a）热带气旋“威马逊”；（b）热带气旋“海鸥”Fig.1 Tropical cyclone routes and seismic stations distribution

2 热带气旋环境下观测井水位记录特征

热带气旋“威马逊”和“海鸥”接近并登陆海南期间，为海南带来充沛降水，气压也随台风中心的移动发生较大变化。在强降水和低气压的共同作用下，海南省多个台站水位出现明显上升变化。本文以海口地区的海口地震台、火山流体台和向荣村台为例，从降水和气压两个方面对观测井水位变化特征进行分析。

2.1 降水影响

热带气旋“威马逊”和“海鸥”影响海南期间，海口地区累计降水量分别为416 mm和186 mm。受持续强降水影响，海口地震台、火山流体台和向荣村台的观测井水位均呈现明显上升变化（图2），只是变化形态和时长稍有不同。由图2可见，火山流体台及向荣村台（裂隙水井）井水位变化形态相似，均呈阶升形态，而后缓慢下降；海口地震台呈脉冲形态，且有迅速下降过程；在水位上升至最高点及恢复到原观测水平过程中，海口地震台用时较少。

图2　热带气旋“威马逊”和“海鸥”期间水位及降水记录曲线（a）“威马逊”期间；（b）“海鸥”期间Fig.2 Water level and precipitation record during tropical cyclone“Rammasun” and “Kalmaegi”

降水对观测井水位的影响主要与井—含水层系统的水动力条件有关，取决于观测井距降水渗入补给区的距离和观测层顶板的埋深，且与含水层系统的径流与排泄条件有关（车用太等，1993）。海口地震台ZK26井深706 m，为承压水井，目前观测第7含水层水位（表1），多年观测经验表明，降水对该井存在半年的滞后效应。向荣村台和火山流体台观测井则为裂隙水井（表1），且观测层顶板埋深较浅，易受大气降水渗入补给影响，热带气旋带来的持续降雨易导致其水位上升。

2.2 气压影响

气压是井水位动态变化的影响因素之一（汪成民，1988），选取热带气旋“威马逊”和“海鸥”期间，海口地震台和火山流体台观测井水位及气压数据（“海鸥”期间向荣村台气压断记），进行高通滤波（图3）。

图3　热带气旋“威马逊”和“海鸥”期间水位及气压记录曲线及高通滤波（a） 海口台；（b） 火山台Fig.3 Water level and air pressure records curve and high-pass filter during tropical cyclone “Rammasun” and “Kalmaegi”

结合表1，从图3井水位与气压动态变化曲线形态看，海口地震台和火山流体台井水位与气压发生抖动变化的时间，与热带气旋经过海南的时间（7月18日12时—19日04时和9月16日02时—22时）吻合；海口地震台井水位与气压呈现较好的负相关性，火山流体台对应关系较差。高通滤波曲线显示，两台站井水位及气压均在热带气旋登陆前出现明显抖动现象，时间上与动态变化曲线相符。海口地震台水位与气压的高通滤波变化形态和时间相似和接近，而火山流体台二者对应关系稍差。

顾申宜等（2012）研究发现，在热带气旋移动范围内，气压出现振动式下降与上升变化，由于井水位与气压关系密切（负相关），故井水位也出现震荡式升降变化。在2014年“威马逊”和“海鸥”登陆海南期间，海口地震台和火山流体台井水位和气压受热带气旋影响，均发生震荡变化，海口地震台井水位与气压测项的高通滤波变化形态具有相似性，且在时间上具有一致性，而火山流体台二者对应关系稍差，说明气压对海口地震台井水位影响较大。

通过上述分析发现，在热带气旋登陆海南期间，观测井水位上升是气压和降水综合作用的结果，承压深水井受井孔气压影响较大，而裂隙水井受降水影响较大。

3 水位高频扰动频谱特征

对2014年7月18日—19日“威马逊”期间，海口地震台、火山流体台和向荣村台水位进行频谱分析，与正常天气时频谱变化进行对比（图4），发现：①正常天气时，各井水位变化周期为100—102min；②热带气旋期间，井水位偏离正常形态，主要为高频数据，变化周期范围多在100—101min；③热带气旋期间功率谱幅度明显较大。

由图4可见，海口地震台在正常天气和热带气旋期间，功率谱幅度均小于其他台站。笔者认为此现象与观测井自身条件及观测层位有关。这是因为：①承压水井观测较深层的水位变化，长期观测数据显示，海口地震台观测井水位日变化小，长期动态稳定，不易受外界环境影响；②裂隙水井观测较浅层水位变化，日变化较大，易受外界环境影响（如降水、渗入补给等）；③热带气旋天气对承压水井的水位影响较小，功率谱幅度变化不大，而裂隙水井则受到较大影响，功率谱幅度达到正常天气时2倍以上。

图4　热带气旋“威马逊”引起的水位变化频率曲线（a）正常形态；（b）热带气旋形态Fig.4 Frequency content of water level caused by tropical cyclones

4 相对重力观测记录特征

在热带气旋“威马逊”和“海鸥”期间，琼中地震台相对重力仪重力潮汐变化值曲线明显变粗，噪声变大，经高通滤波，脉动加粗特征更加明显（图5），表现为“纺锤形”，波动最大幅度分别约17×10-8m·s-2和24×10-8m·s-2，且“海鸥”期间重力仪波动振幅稍大。从时间上看，热带气旋在重力潮汐变化曲线脉动加粗现象出现后登陆海南，有一个滞后时间。

图5　热带气旋信息与重力固体潮及高通滤波曲线（a）热带气旋“威马逊”；（b）热带气旋“海鸥”Fig.5 Tropical cyclone information and the tidal gravity and high-pass filtering curve

金星和康兰池（2007）及王梅等（2009）利用宽频带地震仪对热带气旋信号的频率域进行了深入分析，得出热带气旋信号卓越周期范围为3—8 s；卓越周期随热带气旋中心风速增大而增大；卓越周期受风源移动速度与地震台站角度综合影响，成反比关系。另外，据以往记录到的重力仪“震前扰动”现象，如汶川8.0级地震前的“重力扰动”，其扰动周期为4—8 s（郝晓光，2008），与台风信号卓越周期基本相同。

中国气象局将“威马逊”定义为超强台风，是中国41年以来最强台风，中心最大风速为60 m/s。从卓越周期随热带气旋中心风速增大而增大的角度分析，该台风超出金星等对热带气旋的研究范围。其卓越周期超出8 s，即超出重力仪“震前扰动”信号周期（王梅等，2009）。“海鸥”中心的最大风速为40 m/s，与以往诸多台风强度相同，其卓越周期在3—8 s。另由图1可知，热带气旋“威马逊”“海鸥”的移动路径与琼中地震台角度基本相同，就目前掌握的资料，笔者认为，“威马逊”卓越周期超过重力仪“震前扰动”信号周期，是导致其对重力波动幅度比热带气旋“海鸥”小的主要原因。

由图5可见，热带气旋“威马逊”和“海鸥”期间，重力曲线变粗时间分别为7月17日14时至7月20日23时及9月15日13时至9月18日10时，对比图1的热带气旋路径发现，热带气旋对重力产生影响时中心已到近海，此时，热带气旋中心与琼中地震台的距离分别为581 km和705 km，并向中国大陆移动，中心风速均在38 m/s以上（表1）。但热带气旋停止编号时，中心风速已降至16 m/s甚至更低，重力观测曲线仍未恢复到正常观测水平。

5 结论

热带气旋“威马逊”和“海鸥”登陆海南期间，海南观测井水位及重力观测数据发生变化，分析认为：①观测井水位上升是气压和降水综合作用的结果，承压深水井受井孔气压影响较大，裂隙水井受降水影响较大；②观测井水位功率谱幅度明显大于正常天气时的变化，且水位偏离正常形态，主要为高频数据，周期范围多在100—101min；③热带气旋对重力的扰动幅度与其卓越周期有关，卓越周期越接近重力“震前扰动”信号周期，对重力的扰动幅度越大。热带气旋开始对琼中地震台重力观测产生影响需要一定条件：热带气旋中心已到近海，与台站的距离较近，并向中国大陆地区移动，中心风速在38 m/s以上，即使热带气旋活动结束，对重力观测仪器的影响仍未结束。

重力观测仪器具有宽频带、高灵敏度和高精度传感器的特性，可记录一定范围内降雨拍打地面及热带气旋和海浪摩擦产生的次声波等信息。热带气旋对观测井水位产生影响，是因为地表与观测井水面同时受到气压作用时，受地层与水体应力传递差异性及降雨渗透等作用影响，水位升高。两种观测仪记录的物理量不同，导致记录的变化形态不同。通过高通滤波发现，重力观测仪“纺锤形”滤波记录比水位高通滤波时间长，即重力观测仪对热带气旋的响应时间较长。

热带气旋对海南地震观测井水位和重力观测产生影响，通过分析井水位和重力数据的变化特征，可对今后开展相关跟踪分析工作提供基础资料，便于区分自然环境与其他（场地环境和人为干扰等）因素对地震观测数据的影响，并为不明原因的干扰排查提供有利依据。

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金星，康兰池.利用宽频带速度记录的频域特征研究台风［J］.自然灾害学报，2007，16（4）：27-35.

汪成民，车用太，万迪堃，董守玉.地下水微动态研究［M］.北京：地震出版社，1988：27-34.

王梅，季爱东，郑建常.热带气旋引起的重力扰动现象［J］.地震学报，2009，31（6）：641-649.

郝晓光，胡小刚，许厚泽，钟敏，等.汶川大地震前的重力扰动［J］ .大地测量与地球动力学，2008，28（3）：129-131.

Abstract

In this article，the observation record characteristics of water level and gravity，during the tropical cyclone “Rammasun” and “Kalmaegi” are summarized and analyzed.The results show that，under the special natural environment such as depression and heavy rainfall，most of the well water level rises.The gravity curve become rough and with larger noise.The correlation of water level changes and the strong rainfall is good through high-pass filtering.The water level vibration period caused by tropical cyclone is 1—10 min according to spectrum analysis.The gravity observation curve affected by tropical cyclones has a relationship with factors such as predominant period and center wind speed of the tropical cyclone.

Characteristics analysis of the influence of tropical cyclones to water level and gravity in Hainan Province

Liu Yang，Sun Sanjian，Xie Xiaojing，Zhang Hui and Zhang Fan
（Earthquake Administration of Hainan Province，Haikou 570203，China）

water level，gravity，tropical cyclones

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.003

刘阳（1984-10—），女，工程师，主要从事地震前兆观测与研究工作

中国地震局三结合课题（162101）