西太平洋台风对上海地区钻孔应变的低频扰动特征分析

袁 媛, 韩娜娜

(上海市地震局 上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站, 上海 200062)

0 引言

台风对地壳产生的扰动可以被地震仪、重力仪以及倾斜应变仪等前兆仪器记录到,往往表现为呈纺锤状或尾巴似的震颤叠加在观测背景信号曲线上,持续时间约1～3 d[1-4]。在有些强震前,类似的震颤信号也会出现在地震观测记录中。关于这种叠加的高频信号是否与地震有关,还是仅源于台风过程的影响,依然存在争议[5-9]。如2001年昆仑山大地震前全国多个台站观测到了持续数天的低频震颤波信号,同时在中国南海上空产生了一次强台风“玲玲”,关于该信号究竟是慢地震还是西太平洋台风的影响,许多专家都做过探讨[7-8],但并没有明确的结论。近年来又有学者提出该震颤信号可能源于欧洲北部及欧亚大陆的强温带气旋[10-11]和挪威海域发生的北极风暴[12],激发源位置的讨论从西太平洋转移到了欧亚北部的海域。可见全球大气、海洋和陆地的圈层耦合作用影响极为广泛,而大多数的地震仪、重力仪、应变仪等观测设备都能记录到这种扰动影响[13-15],因此如何更有效、准确地分辨出这种扰动对真实地震异常信号的判别有重要意义。另外,有学者从灾害链的角度探讨环境与地震触发的关系[16-17],而台风本身也是灾害链的重要一环。以上海为例,2014年7月10日1时44分浦东新区南汇新城镇(30.9°N,121.9°E)发生了一次3.2级地震,震级相较上海地区的背景水平偏高,附近居民震感强烈。在紧急会商过程中发现震前7月8日0时—10日12时,上海市佘山台四分量钻孔应变仪观测曲线叠加了显著的毛刺扰动,在排除仪器、人为操作、气压降雨等观测环境因素后未找到确定的扰动源,因此无法对该异常进行性质判定。而后续通过对佘山台分量应变仪全年的背景噪声进行统计分析后发现该扰动源来自距台站600 km的远海台风。佘山台所在的东部沿海地区受西太平洋台风影响频繁,因此深入了解不同路径、不同强度的台风所激发的扰动信号特征可以为分析预报人员准确判定信号是否受台风扰动提供参考。

基于此,本文以上海佘山台四分量钻孔应变仪观测数据为基础,选取6次路径及强度皆不相同的西太平洋台风事件,分析在台风发生及消亡过程中所激发的低频扰动信号在时频域及空间域的响应特征,并结合风速、浮标浪高等海洋数据对扰动信号的激发机制进行探讨,以期为日常数据跟踪中类似扰动信号性质的判定提供分析依据。

1 数据及方法

1.1 观测台站及台风事件

分量应变仪与地震仪、GPS等设备在观测方式、观测原理及频段设置等方面均有不同,它是以弹性力学中“圆孔加衬问题”的解为理论依据的。仪器内部有4个互成45°夹角的电容式径向位移传感器,水平放置在长圆筒的中平面上,这样的设计使得仪器可同时测量点位的体积应变和形状应变的相对变化,并实现仪器状态的自检[18]。上海佘山台分量应变仪4个观测分量的布设角度分别为150°、15°、60°和105°(正北为0°,按平面顺时针方向),其分辨力优于5×10-11,能精确监测地球固体潮汐随时间的变化,在低频段具有极佳的观测能力。

佘山台位于杭州湾北部,距海岸线约43 km,其所在地区于每年7—10月受台风影响较为显著。大部分台风在太平洋西南部海面产生后经东海转向日本,少部分会经由浙江、福建等地登陆。为了更详尽地分析不同路径台风经过时近岸分量应变仪记录的低频扰动特征,本文收集了佘山台分量应变仪在6次影响较大的台风事件中的观测数据。台风路径及基础信息见图1、表1。

1.2 小波分解及平均FFT幅值分析

为了提取分量应变仪受台风扰动的优势频段,首先滤除原始数据中周期2 h以上的信号;再利用db6小波将信号分解为2～4 min、4～8 min、8～16 min、16～32 min、32～64 min以及64～128 min共6个频段;最后依次取1 h滑动时间窗对应变信号做快速傅里叶变换,获得各个窗口的频谱特征,取各小时的幅值均值后按时间序列得到应变信号的平均振幅分布,这有助于在时间频率域客观、直接地了解低频扰动信号在台风发育、消亡过程中的响应特征。

图1 选取的6次西太平洋台风路径图(来源于ENVI)Fig.1 Paths of the six typhoons over the western Pacific

表1 选取的6次西太平洋台风基础信息表

1.3 优势振动方向法

先利用实地相对标定方法对佘山台分量应变数据进行校正[18-21],以避免主方向和主应变的计算混乱;然后进行数据转换得到分量应变仪各个方向(1°～360°,间隔1°)的应变响应;最后依照1.2节方法对各方向的数据进行小波分解,计算每小时窗口的平均FFT幅值,并对比统计得到每小时应变仪振动强度最大的方向,即优势振动方向。通过该方法可得到分量应变仪在台风过程中不同方向的响应差异,进而为确定激发源的方位提供帮助。

2 台风扰动特征

2.1 台风扰动的时频特征

将佘山台分量应变仪第一分量(150°)在6次台风期的观测数据进行小波分解,并进行FFT变换,得到历次台风期背景噪声信号在2～128 min 6个频段的平均FFT幅值时程曲线(图2)。从图2可以看出,在这6次台风过程中,覆盖2～16 min的3个频段都记录到了显著的扰动信号,扰动信号与台风的发展有强烈的伴生关系,模式均为平静-上升(台风中心开始逼近)-峰值(台风最盛,距离最近)-下降(台风中心开始远离)-平静,其中2～4 min频段影响最为强烈。随着周期的增加,整个时间序列期间的振动能量不再有显著的起伏,表明台风扰动在减弱,在32～128 min频段区间已经几乎看不到台风的影响。在这6次台风期间,佘山台分量应变仪记录的低频扰动信号变化特征一致,优势扰动周期均为2～4 min,只是不同台风所影响的幅值存在差别。

将不同台风期间,佘山台应变仪第一分量的观测信号在2～4 min频段的平均FFT幅值时程曲线进行叠加,每次均选取12 d,如图3所示。可以看到,影响幅值差异的主要因素为台风的量级以及台风路径与台站的距离。在这6次台风中,“灿鸿”和“海葵”的台风路径离台站最近,“泰利”、“黄蜂”及“天鹅”的台风中心与台站的最近距离分别为472 km、615 km和700 km。从图3可以看出,“灿鸿”影响最大,这次台风虽然未登陆,但台风中心在最强盛时段离台站仅有150 km,中心风速约138.6 km/h;“泰利”影响位居第二,虽然台风中心与台站间的距离已接近500 km,但此时台风中心风速高达204 km/h,台风可以将强大的空气动能源源不断地传递给下方的海水,转化为海浪能,进而不停冲击大陆。值得注意的是,在“泰利”台风期间,分量应变仪所记录的扰动信号的峰值持续时间达3天,而在其他台风期则几乎都是尖峰变化模式,这与台风的路径走向关系密切。“泰利”在持续峰值的9月14—16日，其台风中心一直在(28°N，124.8°E)附近，3天仅移动了200 km，其移动速度与距离较其他台风更慢、更短，因此它呈现的是持续的峰值状态；而“灿鸿”中心在最强势的7月9—11 日的移动距离高达900 km，且移动速度快，因此峰值持续时间较短，呈现的是尖峰变化模式。由此可见,台风的移动路径与仪器记录的扰动信号变化形态直接相关。“黄蜂”和“天鹅”台风路径与“泰利”相似,但距离更远,因此影响幅度较小。“海葵”虽然在浙江登陆,但登陆时台风中心风速约118.8 km/h,比“灿鸿”和“泰利”能级略低。台风“苏迪罗”的路径并没有经过东海,而是穿过台湾,经南海在福建登陆,对东海区域的影响有限。

图2 佘山台分量应变仪第一分量(150°)观测在6次台风中2～128 min频段的平均FFT幅值时程曲线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

图3 6次台风期间佘山台第一分量(150°)2～4 min频段每小时平均FFT幅值叠加对比曲线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

综合来看,佘山台分量应变仪受台风影响的强弱与否主要和台风量级、台风中心的位置(海上或陆域)以及与台站间的距离有关。

2.2 台风扰动的空间特征

2.1节介绍了佘山台应变仪第一分量观测信号在6次台风期间时频域的变化特征。事实上,分量应变仪4个不同方向的观测分量都记录到了同样的低频扰动。以“灿鸿”为例,图4为佘山台分量应变仪的4个分量在台风期间的平均FFT幅值时程曲线。可以看出,虽然4个分量在台风过程中均出现了平静-上升-下降-平静的模式,但不同分量扰动信号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,这表明台风对沿海陆壳的扰动影响程度在空间上并不一致,而是具有显著的方向特性。

图4 台风“灿鸿”期间4个分量记录的平均FFT幅值曲线Fig.4 Mean FFT amplitude recorded by four componentsduring the typhoon “Chanhom”

为更进一步确定佘山台点在台风期是否存在规律性的空间扰动特征,利用优势振动方向法计算了6次台风期间佘山台分量应变仪记录的优势振动方向,如图5所示。其中蓝色线条代表台风来临前,红色为台风最强盛并且距离最近时期,玫红色代表台风逐渐减弱并远离,线段长度代表该小时扰动信号的强度。从图中可以看出在6次台风的强盛期,优势振动方向几乎都指向160°左右,而且非常集中,信号强度也显著增大;而在台风强盛的前后时段,其优势振动方向并不统一,相对分散。可以认为优势方向角为激发源的方位提供了重要的指示信息。距离佘山台南部约40 km的杭州湾,其北部海岸线整体呈“北东—西南”走向(图6)。而台站在台风期的优势振动方向160°则刚好与海岸线垂直走向呈小幅夹角,因此该扰动激发源很可能与杭州湾附近海域的入射涌浪有关。台风发生时显然会加强海浪携带的能量,对海岸的拍击作用也随之增强,进而激发增强的振动信号,但这一推测还需相关的浪高数据予以佐证。

2.3 平静期的时频及空间响应特征

为了解佘山台分量应变仪在无台风平静期的响应特征,选取2016-07-06—18这一无台风发生的平静时段,对相应的观测数据进行处理,分别得到小波分解结果、平均FFT幅值时程曲线以及优势振动方向角等(图7),并与前述台风期结果进行对比。从频谱特征看,在无台风的平静时期,佘山台第一分量在6个频段的背景信号都未出现上述台风期典型的平静-上升-峰值-下降-平静模式,整个时间序列都持续稳定在同一水平,远低于台风时期的幅值;另外3个分量也同样如此,均保持平稳水平。从优势振动方向结果看,2016年7月,在2～4 min频段并未形成优势方向,各个方向信号强度差别不大。可以认为平静期代表了基本的背景场,而台风的发生使得背景场上叠加了显著的异常扰动信号。因此,台风事件无疑是仪器记录扰动信号的产生原因,但台风究竟是通过何种介质及何种方式将扰动能量加载到台站所在的区域,还需要进一步讨论。

图5 佘山台分量应变仪在6次台风期间的优势振动方向分布图(2～4 min频段)Fig.5 Distribution of the predominant polarization directions of four-component boreholestrain records at Sheshan station during the six typhoons (2～4 min)

3 激发机制探讨

通过对6次台风期佘山台分量应变仪记录的低频扰动信号的时频及空间响应特征分析,可以认为台风事件显著加强了台站附近的低频振动。张雁滨等[10]曾提出,扰动信号的产生主要源于热带气旋运动过程中与浅海区大陆架和陆地表面的摩擦、气压载荷变化及由此产生的海浪对地壳的冲击、以及板块边界断层对气旋的扰动所产生的响应。袁媛等[22]通过对比台站附近的风速数据,认为不同介质对陆壳作用的效率并不一致,风作为大气与陆地之间作用的介质,其影响效率远没有海洋作为介质来得高,但未提出海浪的数据比对。为了更深入地讨论噪声的激发源,本文收集了台风“海葵”期间东海及洋山两个海洋浮标的有效波高数据[23](图6),进一步认为风速并不是影响扰动能量的主要因素,更具决定性的激发源来自于近岸海浪,分量应变仪记录的扰动信号的强度与近岸波高直接相关。

图8分别展示了佘山台分量应变仪第一分量在台风“海葵”期间2～4 min周期信号的平均FFT幅值与地面风速、东海浮标以及离岸更近的洋山浮标有效波高的对比曲线。从图中可见,台站分量应变仪记录的扰动信号能量的最大值发生于台风登陆时,即2012年8月8日3:00。地面风速在台风登陆之后依然持续增强,但扰动信号能量却开始下降,显然在台风登陆之后,扰动信号能量的变化规律与风速相反[图8(a)],与海域波高数据一致[图8(b)、(c)]。

图7 佘山台分量应变仪在无台风期的小波分解、平均FFT幅值时程曲线以及优势振动方向(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)

图8 台风“海葵”期间分量应变仪平均FFT幅值与风速及有效波高对比曲线Fig.8 Comparison of the mean FFT amplitude with the wind speed and significantwave height during the typhoon “Haikui”

整体来看,东海浮标有效波高与扰动信号能量的相关性较好,但峰值时间有所偏差。东海浮标位于外海区域,离岸较远,与佘山台直线距离约307 km,随着台风中心逐渐靠近大陆,东海浮标区域的浪高峰值比近岸出现得更早。从离岸更近的洋山浮标的数据可以看出,其浪高峰值比东海浮标晚到约3 h,与台站分量应变仪记录的扰动能量峰值时间一致。随着台风登陆,浮标所在海域的浪高降低,陆上台站记录的扰动能量也随之减弱,直至恢复到正常背景水平。可以看出,离台站更近的洋山浮标的有效波高数据与台站记录的低频扰动能量变化的相关性更好,同时也说明扰动的激发源来自近海,浪高代表海浪能量的强度,而海浪能量的强度决定了陆上接收到的扰动信号能量的强度。

通过对信号时频及空间特征的综合分析发现,分量应变仪在台风期间记录的低频扰动信号的优势频段为2～4 min,周期较长;仪器的优势振动方向为160°左右,该方向与台站所在海岸的海浪入射方向一致,并且扰动信号能量与近海浮标的有效波高相关。因此认为分量应变仪记录的这种低频扰动信号,其激发源来自近岸浅海区域。涌浪在近岸浅水处通过非线性相互作用产生的长重力波很有可能是扰动信号的激发源[24-25],这种波周期介于20～300 s间,是大风浪作用期间近岸波能的重要组成部分。当台风中心位于海域时,强大的空气动能源源不断转化给台风下方的海水,激发强烈的海浪,原本微弱的近岸长重力波随之大大增强,并以一种自由长波的形式向岸传播[26-29],不断拍击光滑凹形的杭州湾海岸线,进而激发低频振动信号,被分量应变仪清晰地记录到。

4 结语

本文基于上海佘山台四分量钻孔应变仪的观测数据,选取近年来西太平洋发生的6次台风事件,提取出台风激发的显著低频扰动信号,并对其进行了时频及空间域特征的分析与讨论,得到以下结论:

(1) 在低频区间,台风激发的扰动信号的优势周期为2～4 min,信号能量随台风进程而变化,并主要与台风量级、台风中心的位置(海上或陆域)以及与台站间的距离有关。

(2) 在台风中心不断逼近海岸时,佘山台4个分量记录的扰动信号均开始增强,但不同方向记录的信号强度存在较显著的差别,其中振动强度最大的方向为160°,表明该方向的影响最为强烈。而在无台风发生的平静期,分量应变仪各个方向的振动强度无明显差别,没有特定的优势振动方向。台风影响期的优势振动方向与台站所处海岸线的走向密切相关。

(3) 在无台风发生的平静期未记录到低频扰动信号。在日常跟踪分析中,可以利用小波分解、平均FFT幅值分析和优势振动方向法对信号的时频及空间特征进行比对,科学判定同类噪声扰动是否为台风激发。

(4) 分量应变仪记录的台风扰动信号能量与近岸浪高的相关性较好。通过综合分析,认为仪器记录的低频信号是由近岸浅海区域的海洋长重力波激发产生的。沿海台站若有相关波高数据配合,可以与台站信号进行比对研究,进而得到信号激发源的科学判据。

本文仅在低频区间分析了西太平洋台风对我国东海近岸区域的扰动特性。除此之外,台风在不同频段对不同区域的扰动特征是否一致,以及台风激发扰动信号的阈值等都值得更深入的探讨研究。这些研究不仅能为地震前兆异常识别提供科学参考,同时台风作为确定性的自然事件,也可成为地球物理观测台站数据研究与分析的宝贵资源。