台风“烟花”对江苏地区台基噪声自相关函数卓越周期的影响

杨 驰 王 俊 李正楷 朱 峰

（中国南京 210008 江苏省地震局）

0 引言

我国是世界上少数几个受台风危害最严重的国家之一。我国热带气旋登陆的持续时间平均约为4 个月，最短不到1 个月，最长可达半年。据1949 年以来的台风资料，若以热带气旋的中心气压表示其强度，我国热带气旋登陆强度有逐年增加的趋势。台风作为一种破坏性极强的天气系统会对地震台站所处观测场地的环境背景噪声产生明显的影响。研究表明，沿海地区台风引起的强烈海浪运动会使地脉动能量显著增强，从而对当地台基噪声水平产生影响。郑露露等（2017）通过台风期间台基噪声的变化来研究台风激发地脉动的源区分布及激发方式。金星等（2007）通过对台基噪声变化的研究来定位台风位置及台风强度。

测震台站的大部分观测数据是台基噪声，即台站所在场地的环境背景噪声。在短周期频段，台基噪声主要来源于近场的人类活动和风、河流等自然因素的影响；在20s 到1s 的中周期频段，台基噪声主要来源于海洋波浪的影响；在长周期频段，台基噪声主要来源于温度、气压的变化及日照、潮汐等因素的影响（中国地震局监测预报司，2017）。近年来，一些研究者利用背景噪声层析成像方法（ambient noise-based tomograhy，ANT）进行上地幔及地壳速度结构的研究（孟亚锋等，2019；冯红武等，2019；王仁涛等，2019）。该方法能够摆脱传统层析成像对于地震的依赖，而且射线路径更加均匀，得到的研究结果更加细致、可靠。同时，也有研究者致力于台基噪声本身特征的研究（葛洪魁等，2013；陈栋炉等，2018；王芳等，2019）。此类研究可以监控地震仪器工作状态及观测环境的变化，进而改善地震台网的监测能力。对台基噪声强度与频率间关系的研究及台基噪声水平空间分布差异性的研究可建立区域背景噪声模型，以利于后续深入研究。测震台站台基噪声水平可直接影响观测数据质量。自相关函数描述信号在任意2 个不同时刻t1、t2的状态之间的相关程度。本文拟通过对江苏测震台站地震波形自相关函数卓越周期小时值的计算来研究台风过境前后台站台基噪声的变化，并对结果进行分析。

1 数据

1.1 测震数据

江苏测震台网共有数字化测震台站75 个（图1），其中，深井台31 个，地面台44 个。平均密度为7.3 台/万km2，平均台间距约为28 km，苏南、苏北地区台站稍密，苏中沿海地区相对稀疏。江苏测震台网配备宽频带地震仪63 台，甚宽频带地震仪4 台，短周期地震仪8 台，仪器型号见表1。利用2021 年7 月1 日至8 月3 日75 个台站连续波形观测资料，每小时计算1 次各台站的波形自相关函数卓越周期。同时，为了研究台风“烟花”对江苏地区台基噪声能量强度的影响，取2021 年7 月18—30 日、3 月1 日至7 月31 日各台站连续波形计算台基噪声水平的速度均方根有效振幅（RMS）。

图1 江苏测震台站分布Fig.1 Distribution of seismic stations in Jiangsu Province

表1 江苏测震台网测震仪器型号及数量Table 1 Model and quantity of seismic instruments in Jiangsu Seismic Network

1.2 台风数据

台风“烟花”2021 年7 月18 日2 时在西北太平洋洋面上生成，7 月19 日早晨加强为强热带风暴，7 月21 日11 时加强为强台风级，7 月25 日12 时30 分前后登陆浙江舟山普陀区，登陆时强度为台风级，中心最大风力13 级（38 m/s）。“烟花”7 月26 日上午9 点在杭州湾西部减弱为强热带风暴级，随后于上午9 点50 分在浙江平湖沿海再次登陆，登陆时中心附近最大风力10 级（28 m/s）。登陆后持续向西偏北方向移动，在同日17 时左右从苏州吴江进入江苏省，一路从苏州穿过太湖进入无锡宜兴、常州溧阳、南京高淳等地，并朝着西北方向继续移动，受其影响，江苏地区从南向北出现大风及持续性降雨天气。7月28日凌晨，“烟花”由热带风暴级减弱为热带低压，减弱后的热带低压于7 月30 日晚上在渤海海面变性为温带气旋，30 日晚8 时对其停止编号。

台风“烟花”在江苏累计停留时间长达37 h，是有记录以来在江苏停留时间最长的台风，也是过程雨量最大的台风。根据中国天气网提供的台风位置数据可绘制台风“烟花”路径图（图2）。

图2 台风“烟花”路径Fig.2 Path of the typhoon “Yanhua”

2 研究方法

2.1 自相关函数

自相关就是函数与函数本身间的相关性，当函数中有周期性分量时，自相关函数的极大值能够很好地体现这种周期性。当信号中含有多个周期分量，有1 个周期分量振幅最大时，该分量被称为卓越的，其周期被称为卓越周期。

自相关函数可描述随机信号在任意不同时刻t1、t2的取值之间的相关程度。其定义式为

其中，τ为自相关函数的延时量；T为信号周期。周期信号中的随机信号随着时间的推移其自相关函数将衰减到0，因此，在一段时间以后信号的自相关函数中只剩下周期信号的信息，从而排除了随机信号的影响。所以可以通过计算周期信号自相关函数τ=0 时的特征卓越周期来反映信号的固有特征（图3）。自相关函数有如下特征：①自相关函数为偶函数，其图形关于y轴对称；②当τ=0 时函数取得最大值；③周期信号的自相关函数是具有与原信号相同周期的函数。

图3 自相关函数图Fig.3 Autocorrelation function diagram

2.2 速度均方根有效振幅（RMS）

数字地震计记录的数据是Counts 数，首先需要把Counts 数转换为台基噪声速度，计算公式如下

其中，v为台基噪声实测速度（m/s）；N为实际观测的Counts 数；K为数据采集器转换因子（V/Counts）；G为数据采集器前放增益；S为地震计电压灵敏度［V/(m/s)］（李媛媛等，2004）。

地震台站台基噪声速度均方根有效振幅定义式为

其中，vi为采样点台基噪声速度（m/s）。

3 结果

研究时段内，除仪器本身存在问题和长时间断记的16 个地震台站（BY、GAY、JIW、JT、QSD、RD、NT、NJ2、RG、SIY、TX、WUJ、XW、YC、YGD、LIB）之 外，共 有59 个地震台站的数据用于计算。经计算得到研究时段内江苏地震台网波形自相关函数卓越周期小时值，挑选其中观测质量较高的8 个台站的结果绘制波形自相关函数卓越周期随时间变化散点图（图4）。由图4 可见，台风“烟花”生成之前卓越周期稳定在2—4 s。2021 年7 月18 日台风“烟花”生成，台风引起剧烈的海浪运动，海浪运动产生的压力变化作用于洋底或海岸引起区域地脉动的变化，进而影响台站台基噪声。但此刻台风距海岸线较远，海水较深，海浪运动产生的压力在到达洋底前衰减严重，所以卓越周期并无明显变化。随后“烟花”风力逐渐增强并逐渐向浅海地区移动，20 日6 时起卓越周期开始明显升高。随着“烟花”进一步向江苏地区逼近，风力也再次加强，24 日2 时左右卓越周期达到峰值（4—7 s）。之后，“烟花”继续向西北方向移动，台风的部分影响区域由海洋转变为陆地，作用于海浪的能量逐渐减少，卓越周期开始下降，直到28 日左右恢复正常水平。江苏地震台网波形自相关函数卓越周期的变化与台风“烟花”的进程高度契合。

图4 2021 年7 月1 日到8 月3 日波形自相关函数卓越周期值Fig.4 The predominant period value of waveform autocorrelation function from July 1 to August 3 in 2021

此外，计算台风过境期间（2021 年7 月18—30 日）各地震台站垂直向台基噪声水平的速度均方根有效振幅（RMS 值），并与前4 个月各台站垂直向RMS 值进行比较。受台风“烟花”的影响，在59 个地震台站中RMS 值升高有35 个，下降的有24 个（图5）。虽然RMS值上升的台站占59%，但其中93.2%台站的RMS 值变化幅度不超过1×10-8m/s，91.5%台站的RMS 值变化幅度不超过正常值的20%，86.4%台站的RMS 值变化幅度不超过正常值的15%。将台风期间各台站RMS 值与2021 年3—6 月RMS 值月均值作对比（图6），由图6 可见，各台站RMS 值并未出现大幅度改变，变动幅度在正常波动范围内。

图5 台风期间RMS 值与2021 年3—6 月RMS 值Fig.5 Comparison of the RMS value during typhoon and the RMS value from March to June in 2021

图6 台风过境期间RMS 值与2021 年3—6 月RMS 值月均值Fig.6 Comparison of the RMS value during typhoon and the average monthly RMS value from March to June in 2021

4 结束语

本文利用波形自相关函数卓越周期的方法，探究了台风“烟花”对江苏地区地震台站台基噪声的影响。研究发现，受台风“烟花”的影响，江苏地震台网波形自相关函数的卓越周期由平时的2—4 s 上升到4—7 s，但RMS 值并没有明显增大。通过分析台风参数与卓越周期间的相关性发现，台风“烟花”对波形自相关函数卓越周期的影响并非来源于台风的直接作用，而主要来自台风引起的激烈海浪运动。本文对于台风“烟花”参数与卓越周期间的相关性研究多是定性的，虽能较清晰地反映这种客观规律，但台风是一种复杂的天气系统，其对于台基噪声的影响机理还需要综合利用气象资料和海洋观测资料开展更加细致深入的研究。