天津台网噪声影响下实际监测能力及优化布局

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