郭昱琴 李 盛 張 慧 吳 雙

（海南省地震局，海南?？?570203）

引言

我國臺灣、華南和華東沿海是世界上受熱帶氣旋襲擊最頻繁和災(zāi)害深重的區(qū)域之一，處于最南端的海南省臺風(fēng)災(zāi)害尤為嚴(yán)重[1]。近年來從熱帶氣旋角度研究地震受到越來越多的關(guān)注[2-4]。海南省地震局一些學(xué)者也多次研究了熱帶氣旋活動期間對海南流體、重力等觀測數(shù)據(jù)的影響。顧申宜等[5]認(rèn)為，井水位抖動現(xiàn)象與熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、發(fā)展和運(yùn)動過程密切相關(guān)；李盛等[6]認(rèn)為，熱帶氣旋登陸海南島陸前后，瓊中臺重力非潮汐變化值有所增大，其增大的幅度量級為10×10-8m/s2左右，和風(fēng)速、風(fēng)力及臺風(fēng)中心與重力儀的距離有關(guān)。但在定點(diǎn)形變儀器方面目前還未見研究，據(jù)張雁濱等[7]對西太平洋熱帶氣旋的研究表明，震顫波的強(qiáng)度主要與熱帶氣旋的強(qiáng)度、運(yùn)動路徑以及氣旋中心到地震觀測臺站的距離等直接相關(guān)；震顫信號的持續(xù)時間與熱帶氣旋的生命過程基本相符，震顫信號的擾動周期集中在3—7 s，強(qiáng)震顫的時間大多為2—3 d，特征呈紡錘狀疊加在觀測背景上。寬頻帶傾斜儀、重力儀也同樣觀測到了這種震顫信號。本人利用五指山臺2015—2018年數(shù)字化觀測資料，對記錄到的熱帶氣旋影響震顫波進(jìn)行分析研究。

1 臺站基本概況

五指山形變臺位于五指山市沖山鎮(zhèn)阿里山度假村旁太平山山麓半山腰（18.79°N，109.53°E）（圖1），該區(qū)域廣泛出露二疊系花崗巖和三疊系花崗巖[8]。其中五指山臺周圍基巖裸露，均為花崗巖類，且10 km范圍內(nèi)無大斷裂通過，地殼穩(wěn)定性較好。

圖1 五指山臺站構(gòu)造位置及儀器布設(shè)圖Fig. 1 Structure location and instrument layout of Wuzhishan Station

臺站洞體基巖堅(jiān)硬完整，致密均勻，測點(diǎn)周邊觀測環(huán)境也較為穩(wěn)定。臺站為無人值守臺站，觀測山洞由部隊(duì)防空洞改建。 “十五” 期間，架設(shè)的觀測儀器有DSQ水管傾斜儀、VP垂直擺和SSY銦瓦棒伸縮儀。其中DSQ水管傾斜儀和SSY銦瓦棒伸縮儀布設(shè)在主洞室內(nèi)，兩者相同分量的儀器部件平行布設(shè)且共用同一槽體，VP垂直擺則布設(shè)在主洞室南側(cè)的側(cè)洞室。洞室年溫度變化幅度小于0.2℃，日變幅度小于0.1℃，濕度小于80%。觀測山洞周邊無明顯干擾。

2 資料分析

2.1 原始曲線高頻干擾特征

五指山臺傾斜儀自觀測以來，多次記錄到日變固體潮曲線呈紡錘狀形態(tài)。2016年10月17日VP垂直擺傾斜NS和EW兩分量出現(xiàn)高頻震蕩、固體潮曲線加粗，18日震蕩現(xiàn)象加重，強(qiáng)震顫時間持續(xù)30個小時，NS分量記錄幅度大于EW分量。統(tǒng)計(jì)2015年1月1日—2018年6月30日儀器記錄到固體潮曲線出現(xiàn)變粗或畸變時，以臺站為中心點(diǎn)500 km范圍內(nèi)熱帶氣旋對形變儀器原始曲線的影響特征（表1）。

由于不同儀器的工作原理、格值及物理指示意義均不相同，因而不同測項(xiàng)不同儀器對同一種信息源的響應(yīng)也不相同。傾斜類儀器的熱帶氣旋響應(yīng)能力明顯高于應(yīng)變類儀器，特別是VP垂直擺的響應(yīng)能力最強(qiáng)，DSQ水管儀次之。除采樣率可能在一定程度上影響觀測結(jié)果外，還有可能是因?yàn)橥痦憫?yīng)的最大幅度與臺站儀器的固有頻率有較強(qiáng)的關(guān)系。VP垂直擺自振周期較小，能捕捉到更多的高頻信息，而DSQ水管儀內(nèi)部液體的性質(zhì)在一定程度上決定了該儀器具有相對較穩(wěn)定的特性。SSY伸縮儀的風(fēng)擾響應(yīng)能力最弱，原始曲線無記錄。尤其是在臺風(fēng)風(fēng)力越大、登陸點(diǎn)越近時，例如臺風(fēng)Doksuir經(jīng)過時，DSQ水管儀和VP垂直擺原始曲線都有不同程度的變粗，形態(tài)也發(fā)生畸變，呈現(xiàn)紡錘形，振幅高于正常時段（表1）。臺風(fēng)Mujigae風(fēng)力15級，登陸點(diǎn)距離觀測點(diǎn)260 km，DSQ水管儀原始數(shù)據(jù)曲線卻未受影響，可能與兩次臺風(fēng)路徑和登陸點(diǎn)距臺站的方位不一致有關(guān)系（臺風(fēng)Doksuir登陸點(diǎn)為越南廣平，而強(qiáng)臺風(fēng)Mujigae登陸點(diǎn)為廣東湛江）。

2.2 震顫信號高頻特征

結(jié)合表1中不同臺風(fēng)對定點(diǎn)形變儀器的干擾特征，以臺風(fēng)Sonca為例，利用快速傅里葉變換，分析特殊環(huán)境下的干擾信號，三套儀器觀測到的同一氣旋引起的震顫波信號的頻譜特征相似（圖2）。對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較高的6次熱帶氣旋產(chǎn)生的強(qiáng)震顫波信號取相同的數(shù)據(jù)長度進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果列入表2。研究發(fā)現(xiàn)，不同氣旋引起的震顫波信號的主頻不完全相同，但基本都在0.2 Hz左右，主要頻率在0.04—0.34 Hz內(nèi)。DSQ水管儀兩分量主要頻率在0.04—0.34 Hz，銦瓦棒SSY伸縮儀兩分量主要頻率在0.18—0.30 Hz，VP重直擺兩分量主要頻率在0.08—0.32 Hz。傾斜儀器（DSQ水管儀和VP重直擺）北南向的主要頻率大都高于東西向，這有可能是氣旋運(yùn)動路徑均是自東向西，北南分量受到的擾動強(qiáng)度大于東西分量。

表2 不同熱帶氣旋與定點(diǎn)形變儀器震顫波信號的主頻對比(單位：赫茲)Table 2 Comparison of main frequency of tremor signals between different tropical cyclones and fixed-point deformation instruments （unit：Hz）

圖2 臺風(fēng)Sonca對五指山臺不同儀器的頻譜響應(yīng)特征Fig. 2 Spectrum characteristics of different instruments at Wuzhishan Station caused by typhoon Sonca

表1 不同臺風(fēng)對定點(diǎn)形變儀器的干擾特征Table 1 Disturbance characteristics of fixed-point deformation instruments caused by different typhoons

主頻對比分析發(fā)現(xiàn)，距離臺站越近、風(fēng)力越強(qiáng)的臺風(fēng)對臺站有一定的影響，信號主頻具有一致性，對數(shù)據(jù)曲線固體潮日變擾動強(qiáng)度略有不同；遠(yuǎn)離臺站臺風(fēng)的震顫信號擾動遠(yuǎn)低于登陸臺風(fēng)強(qiáng)度，與正常日變化相同。這可能與臺風(fēng)的路徑、距離和強(qiáng)度有關(guān)。

采用db4小波分解分解到第5層，原始信號與分解后信號關(guān)系為：S=D1+D2+D3+D4+A5，S為原始數(shù)據(jù)，D為細(xì)節(jié)項(xiàng)，A為趨勢項(xiàng)。再對合成信號進(jìn)行短時傅里葉變換，對201621號臺風(fēng)Sarika、201719號臺風(fēng)Doksuir影響DSQ水管儀和VP垂直擺的時間段，得到兩套儀器高頻信號的頻譜特征（圖3—4）。分析得到，該臺兩套傾斜類儀器中VP垂直擺北南測項(xiàng)對臺風(fēng)的響應(yīng)幅度最大，最大擾動強(qiáng)度的幅度量級為20×10-3″/ms左右，震顫波的持續(xù)時間與氣旋的生命周期有關(guān)。

圖3 臺風(fēng)Sarika對不同儀器的震顫波信號 （左圖為水管儀，右圖為垂直擺） Fig. 3 The tremor signals of typhoon Sarika to different instruments （water pipe instrument at left and vertical pendulum at right）

圖4 臺風(fēng)Doksuir對不同儀器震顫波信號 （左圖為水管儀，右圖為垂直擺） Fig. 4 The tremor signals of typhoon Doksuir to different instruments （water pipe instrument at left and vertical pendulum at right）

3 結(jié)語

通過以上分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）五指山臺的傾斜類儀器對熱帶氣旋響應(yīng)能力明顯高于應(yīng)變類儀器，特別是VP垂直擺的響應(yīng)能力最強(qiáng)，SSY伸縮儀的風(fēng)擾響應(yīng)能力最弱，原始曲線無記錄；

（2）五指山臺不同氣旋對同一儀器同一測項(xiàng)引起的震顫波信號的主要頻率不完全相同，但基本都在0.2 Hz左右，主要頻率都在0.04—0.34 Hz。DSQ水管儀兩分量主要頻率在0.04—0.34 Hz，銦瓦棒SSY伸縮儀兩分量主要頻率在0.18—0.30 Hz，VP垂直擺兩分量主要頻率在0.08—0.32 Hz；

（3）五指山臺兩套傾斜類儀器中VP垂直擺北南測項(xiàng)對臺風(fēng)的響應(yīng)幅度最大，最大擾動強(qiáng)度的幅度量級為20×10-3″/ms左右，震顫波的持續(xù)時間與氣旋的生命周期有關(guān)。

（4）臺風(fēng)Doksui風(fēng)力14級，登陸點(diǎn)距離觀測點(diǎn)347 km，DSQ水管儀原始數(shù)據(jù)曲線變粗、形態(tài)出現(xiàn)畸變，而臺風(fēng)Mujigae風(fēng)力15級，登陸點(diǎn)距離觀測點(diǎn)260 km，DSQ水管儀原始數(shù)據(jù)曲線卻未受影響，可能與兩次臺風(fēng)路徑和登陸點(diǎn)距臺站的方位不一致有關(guān)系。因臺風(fēng)形成、路徑、登陸點(diǎn)成因較復(fù)雜，未能進(jìn)一步確定真正原因。