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天津台网噪声影响下实际监测能力及优化布局

2013-12-25庞群英刘双庆岳秀侠

防灾科技学院学报 2013年1期
关键词:台网台站天津

庞群英,刘双庆,岳秀侠

(天津市地震局,天津 300201)

0 引言

天津台网在首都圈工程改造完成后,增加了3个井下宽频带仪器观测的台站和3个海上观测实验台。目前,天津台网有34个台站是全国地震台站密度最大的台网。台网作为首都圈的一员,共享首都圈108个台站的地震波记录,天津台网的监测能力大大地提高了。天津北部构造为基岩,而其他地区大部分为浮土覆盖层,东南部地区更受到海洋的影响。天津台网现有的独立的监测能力如何?在噪声影响下,即天津台网在实际运行和工作中的监测能力如何?作者通过计算得到噪声影响下的监测能力,并针对出现的情况,对天津台网的布局和优化提出了建议。

1 噪声的计算

1.1 计算原理

FFT变换采用蝶形快速 FFT算法[1]。功率谱密度采用1024点汉明窗函数截断,512点半覆盖的滑动窗,并利用了Welch修正算法,以改进传统窗函数的不足。6分钟的100 sps的数据有36 000个(取215个数据),可以保证上述窗函数参数的功率谱密度的计算稳定性,可靠频率在0.0~50Hz之间。如果是50 sps数据,取214个数据,其截止频率减半。

1.2 台站的选取和所需数据文件的获取

利用天津市的MSDP软件(全国普及的),截取天津市台网24小时(00时至23时)的波形数据,每小时各截取6分钟长度波形数据,导出成evt格式文件作为计算所需要的源数据。对此6分钟的源数据,其要求是没有地震事件、仪器标定、及明显的人为干扰。如果个别台站数据为空,则导出时,选择不导出该台站。

1.3 台站噪声的计算

用于计算台网各台站的噪声0~50 Hz功率谱(采样率100 sps;如果采样率为50 sps,则截止频率减半),以及0~1.5 Hz的 FFT噪声谱。在Matlab环境下运行噪声处理程序。

1.4 计算结果

每一个台站生成图片42张和一个计算结果文件。计算结果文件有8列,分别为功率谱频率、UD、EW、NS功率谱密度、FFT频率、UD、EW、NS傅立叶谱(图1)。

本文截取天津台网所有台站2012年5月27日全天24小时波形文件,每小时截取6分钟长度波形数据,导出存储为EVT格式文件。通过运行噪声处理程序,计算得出27日每个小时频率0.5~1.5Hz区间的傅里叶变换噪声平均值。

2 监测能力的计算

2.1 计算原理

根据近震震级公式[2]

图1 计算结果图 红色-UD分量,蓝色-EW分量,绿色-NS分量Fig.1 Calculation Result of the red-UD component blue-EW component and green-NS component

本文采用:

图2 天津台网监测能力及不同时间的监测能力对比图Fig.2 Monitor Range and Comparison of Tianjin Seismic Station Network in different time

其中,Aμ是以μm为单位的地动位移,是台站两水平向的噪声振幅水平平均(利用量规函数的特征周期从 μm/s转为 μm单位).R(Δ,T)为起算函数,T为与距离有关的测震特征周期,makeup=0为台站震级补偿(可按实际修改)。

2.2 程序运行方法

本程序主要修改程序调用的station_noise.txt文件的内容,station_noise.txt文件里面的内容分别是台站字符代码,台站名称,经度,纬度(degree),台址震级补偿 makeup(一般地,-0.3~0.3级),EW向噪声水平(um/s),SN向噪声水平(um/s,白天和黑夜的噪声水平不同,则计算的监测水平也有所不同)。文件为无类型标记的逗号隔开各列数据的ascii码文件。

另外,需根据天津台网实际情况,修改计算范围和计算的空间步长及信噪比,计算出天津台网噪声水平。程序生成 result2image.txt文件,即监测能力文件。

3 计算结果及分析

本文取2012年5月27日(00时至23时)天津台网各台连续波形数据,每小时各截取6分钟长度(没有地震事件、仪器标定、及明显的人为干扰),利用上述程序进行天津台网监测能力计算,得出数据,并用网格定点形式汇出一天中每个时段的天津台网监测能力图。本课题以00点为基准,用其余23个小时的监测能力与00点监测能力一一进行了对比,得出各小时与00点监测能力对比图。受篇幅所限,只给出了部分监测能力图和对比图(图2)。

从图中可以看出天津市区最小地震监测能力ML1.0,东部沿海为最小地震监测能力稍弱为2.0,北部山区最小地震监测能力最弱为 ml2.3。从计算所得24小时监测能力图看,在无任何外围台参与计算的情况下,天津市80%左右的地区可以监测到 ML0.8级地震,在本市行政区边界地区,监测能力普遍为1.4左右。蓟县地区,在无任何外围台站参与计算的情况下,监测能力为ML1.6~ML2.2。

从01—23点分别与00点监测能力对比图看,凌晨4点至中午12点与0时相比较,在本市东南部区域(117.3°~117.7°E,38.7°~39.1°N),存在 ML0.2~0.3的震级差;凌晨06时至中午12时与0时比较,在我市东部的小块地区(117.8°~118.0°E,39.3°~39.4°N),存在 ML0.2~0.3的震级差;下午 13时、15时,19—23时,在我市西南部(116.9°~117.1°E,38.8°—38.9°N)与0时对比的监测能力竟达到 ML0.8~1.0。19时至 23 时,在南部地区(115.7°~118.0°E,38.7°~39.2°N)也存在ML0.4~0.5的监测能力差值。17时至20时,我市近40%地区与0时相比较存在ML0.2~0.3差值。经进一步观察和研究,综和全天情况,如下三个区域与0时对比差异最大。本市东部区域(39.3°~39.4°E,117.85°~118.0°N)即滨海新区汉沽区与宁河县芦台镇交界处;本市西部地区(39.3°~39.4°E,116.9°~117.2°N),武清区石各庄镇、陈嘴镇、黄庄街、杨村等地;本市南部地区(38.7°~38.9°E,116.85°~117.1°N),即静海中南部、陈官屯、西翟庄、唐官屯等地。

4 结论与建议

以前台网计算的监测能力都是去除台基噪声后的理论值,本研究是选取2012年5月27日天津台网波形文件,计算得出27日当天各小时的噪声水平,在加入噪声后计算得出得出天津台网的监测能力,即实际监测能力。

由于本课题计算中未选用周边省份台站数据,计算得到天津行政线边缘地震监测能力较弱。而实际工作中我们采用了周边省份的100余个台站参与天津台网地震监测,从而大大提高了天津边缘的地震监测能力。通过各小时的监测能力图可以直观看到,蓟县地区的监测能力为ML1.6—ML2.2,明显低于我市其他地区的监测能力水平。建议加密北部特别是蓟县地区站点的建设,从而提升此地区的监测能力。

本课题的研究结果,与监测工作中的实际情况有很强的一致性。研究中所呈现的3个与0点监测能力对比差异大的区域,正是台网监测能力薄弱区域。上述区域除台站密度低外,主要的问题是噪声水平高。建议在上述区域增加建台,更为重要的实地调研造成上述区域噪声水平高的原因,采取合理措施降低干扰,切实提高监测能力。

[1] 任枭,刘瑞丰,梁建宏,国家数字地震台网台站地动噪声功率谱分析[J],地震地磁观测与研究,2004,25(1):23 -28

[2] 中国地震局监测预报司.地震参数——数字地震学在地震预测中的应用[M],地震出版社,北京,2003,10

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