五指山台洞体形变观测资料对热带气旋的响应特征研究＊

郭昱琴 李 盛 张 慧 吴 双

（海南省地震局，海南海口 570203）

引言

我国台湾、华南和华东沿海是世界上受热带气旋袭击最频繁和灾害深重的区域之一，处于最南端的海南省台风灾害尤为严重[1]。近年来从热带气旋角度研究地震受到越来越多的关注[2-4]。海南省地震局一些学者也多次研究了热带气旋活动期间对海南流体、重力等观测数据的影响。顾申宜等[5]认为，井水位抖动现象与热带气旋的结构特点、发展和运动过程密切相关；李盛等[6]认为，热带气旋登陆海南岛陆前后，琼中台重力非潮汐变化值有所增大，其增大的幅度量级为10×10-8m/s2左右，和风速、风力及台风中心与重力仪的距离有关。但在定点形变仪器方面目前还未见研究，据张雁滨等[7]对西太平洋热带气旋的研究表明，震颤波的强度主要与热带气旋的强度、运动路径以及气旋中心到地震观测台站的距离等直接相关；震颤信号的持续时间与热带气旋的生命过程基本相符，震颤信号的扰动周期集中在3—7 s，强震颤的时间大多为2—3 d，特征呈纺锤状叠加在观测背景上。宽频带倾斜仪、重力仪也同样观测到了这种震颤信号。本人利用五指山台2015—2018年数字化观测资料，对记录到的热带气旋影响震颤波进行分析研究。

1 台站基本概况

五指山形变台位于五指山市冲山镇阿里山度假村旁太平山山麓半山腰（18.79°N，109.53°E）（图1），该区域广泛出露二叠系花岗岩和三叠系花岗岩[8]。其中五指山台周围基岩裸露，均为花岗岩类，且10 km范围内无大断裂通过，地壳稳定性较好。

图1 五指山台站构造位置及仪器布设图Fig. 1 Structure location and instrument layout of Wuzhishan Station

台站洞体基岩坚硬完整，致密均匀，测点周边观测环境也较为稳定。台站为无人值守台站，观测山洞由部队防空洞改建。 “十五” 期间，架设的观测仪器有DSQ水管倾斜仪、VP垂直摆和SSY铟瓦棒伸缩仪。其中DSQ水管倾斜仪和SSY铟瓦棒伸缩仪布设在主洞室内，两者相同分量的仪器部件平行布设且共用同一槽体，VP垂直摆则布设在主洞室南侧的侧洞室。洞室年温度变化幅度小于0.2℃，日变幅度小于0.1℃，湿度小于80%。观测山洞周边无明显干扰。

2 资料分析

2.1 原始曲线高频干扰特征

五指山台倾斜仪自观测以来，多次记录到日变固体潮曲线呈纺锤状形态。2016年10月17日VP垂直摆倾斜NS和EW两分量出现高频震荡、固体潮曲线加粗，18日震荡现象加重，强震颤时间持续30个小时，NS分量记录幅度大于EW分量。统计2015年1月1日—2018年6月30日仪器记录到固体潮曲线出现变粗或畸变时，以台站为中心点500 km范围内热带气旋对形变仪器原始曲线的影响特征（表1）。

由于不同仪器的工作原理、格值及物理指示意义均不相同，因而不同测项不同仪器对同一种信息源的响应也不相同。倾斜类仪器的热带气旋响应能力明显高于应变类仪器，特别是VP垂直摆的响应能力最强，DSQ水管仪次之。除采样率可能在一定程度上影响观测结果外，还有可能是因为同震响应的最大幅度与台站仪器的固有频率有较强的关系。VP垂直摆自振周期较小，能捕捉到更多的高频信息，而DSQ水管仪内部液体的性质在一定程度上决定了该仪器具有相对较稳定的特性。SSY伸缩仪的风扰响应能力最弱，原始曲线无记录。尤其是在台风风力越大、登陆点越近时，例如台风Doksuir经过时，DSQ水管仪和VP垂直摆原始曲线都有不同程度的变粗，形态也发生畸变，呈现纺锤形，振幅高于正常时段（表1）。台风Mujigae风力15级，登陆点距离观测点260 km，DSQ水管仪原始数据曲线却未受影响，可能与两次台风路径和登陆点距台站的方位不一致有关系（台风Doksuir登陆点为越南广平，而强台风Mujigae登陆点为广东湛江）。

2.2 震颤信号高频特征

结合表1中不同台风对定点形变仪器的干扰特征，以台风Sonca为例，利用快速傅里叶变换，分析特殊环境下的干扰信号，三套仪器观测到的同一气旋引起的震颤波信号的频谱特征相似（图2）。对观测数据质量较高的6次热带气旋产生的强震颤波信号取相同的数据长度进行频谱分析，结果列入表2。研究发现，不同气旋引起的震颤波信号的主频不完全相同，但基本都在0.2 Hz左右，主要频率在0.04—0.34 Hz内。DSQ水管仪两分量主要频率在0.04—0.34 Hz，铟瓦棒SSY伸缩仪两分量主要频率在0.18—0.30 Hz，VP重直摆两分量主要频率在0.08—0.32 Hz。倾斜仪器（DSQ水管仪和VP重直摆）北南向的主要频率大都高于东西向，这有可能是气旋运动路径均是自东向西，北南分量受到的扰动强度大于东西分量。

表2 不同热带气旋与定点形变仪器震颤波信号的主频对比(单位：赫兹)Table 2 Comparison of main frequency of tremor signals between different tropical cyclones and fixed-point deformation instruments （unit：Hz）

图2 台风Sonca对五指山台不同仪器的频谱响应特征Fig. 2 Spectrum characteristics of different instruments at Wuzhishan Station caused by typhoon Sonca

表1 不同台风对定点形变仪器的干扰特征Table 1 Disturbance characteristics of fixed-point deformation instruments caused by different typhoons

主频对比分析发现，距离台站越近、风力越强的台风对台站有一定的影响，信号主频具有一致性，对数据曲线固体潮日变扰动强度略有不同；远离台站台风的震颤信号扰动远低于登陆台风强度，与正常日变化相同。这可能与台风的路径、距离和强度有关。

采用db4小波分解分解到第5层，原始信号与分解后信号关系为：S=D1+D2+D3+D4+A5，S为原始数据，D为细节项，A为趋势项。再对合成信号进行短时傅里叶变换，对201621号台风Sarika、201719号台风Doksuir影响DSQ水管仪和VP垂直摆的时间段，得到两套仪器高频信号的频谱特征（图3—4）。分析得到，该台两套倾斜类仪器中VP垂直摆北南测项对台风的响应幅度最大，最大扰动强度的幅度量级为20×10-3″/ms左右，震颤波的持续时间与气旋的生命周期有关。

图3 台风Sarika对不同仪器的震颤波信号 （左图为水管仪，右图为垂直摆） Fig. 3 The tremor signals of typhoon Sarika to different instruments （water pipe instrument at left and vertical pendulum at right）

图4 台风Doksuir对不同仪器震颤波信号 （左图为水管仪，右图为垂直摆） Fig. 4 The tremor signals of typhoon Doksuir to different instruments （water pipe instrument at left and vertical pendulum at right）

3 结语

通过以上分析，可以得出如下结论：

（1）五指山台的倾斜类仪器对热带气旋响应能力明显高于应变类仪器，特别是VP垂直摆的响应能力最强，SSY伸缩仪的风扰响应能力最弱，原始曲线无记录；

（2）五指山台不同气旋对同一仪器同一测项引起的震颤波信号的主要频率不完全相同，但基本都在0.2 Hz左右，主要频率都在0.04—0.34 Hz。DSQ水管仪两分量主要频率在0.04—0.34 Hz，铟瓦棒SSY伸缩仪两分量主要频率在0.18—0.30 Hz，VP垂直摆两分量主要频率在0.08—0.32 Hz；

（3）五指山台两套倾斜类仪器中VP垂直摆北南测项对台风的响应幅度最大，最大扰动强度的幅度量级为20×10-3″/ms左右，震颤波的持续时间与气旋的生命周期有关。

（4）台风Doksui风力14级，登陆点距离观测点347 km，DSQ水管仪原始数据曲线变粗、形态出现畸变，而台风Mujigae风力15级，登陆点距离观测点260 km，DSQ水管仪原始数据曲线却未受影响，可能与两次台风路径和登陆点距台站的方位不一致有关系。因台风形成、路径、登陆点成因较复杂，未能进一步确定真正原因。