宁夏及其邻区背景噪声能量来源方位及强度的季节性变化分析

谢晓峰 杨 微 李 俊 林建民王伟涛 姚 琳 吕俊强

1)宁夏回族自治区地震局，银川 750001

2)中国地震局地球物理研究所，地震观测与地球物理成像实验室，北京 100081

3)浙江省地震局，杭州 310013

4)浙江海洋学院，舟山 316000

5)中国科学院测量与地球物理研究所，大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉 430077

0 引言

自从Shapiro等(2005)从背景噪声互相关函数(Noise Cross-correlation Function，NCF)中得到面波频散信息并用于成像研究之后，噪声互相关技术得到了广泛应用。研究者利用NCF进行面波群速度、相速度成像，进而获取S波速度乃至各向异性信息(Yang et al.，2007;Yao et al.，2008;Lin et al.，2009;房立华等，2009;李昱等，2010;Zheng et al.，2011;)。同时，NCF也被用来监测地下介质的波速变化(Brenguier et al.，2008a，b;刘志坤等，2010;赵盼盼等，2012)。近年来，NCF中信号的振幅信息也被用来研究台站响应及介质的衰减特性(Prieto et al.，2009;Lin et al.，2011)。背景噪声互相关技术在地震学中得到了越来越多的应用。

随着研究的深入，研究人员发现背景噪声源的特征并不满足在三维介质中均匀随机分布的假设。大部分的噪声源仅分布于地球的表面，同时噪声源也具有特定的空间优势分布，而且其分布和强度还具有明显的季节性变化(Stehly et al.，2006;Kedar et al.，2008)。

噪声源的非均匀分布和季节性变化使得NCF并不完全收敛于2个台站间的格林函数。由于大部分面波型噪声源分布于地球表面，等效于二维的分布，因此在利用NCF中的面波信号进行相速度测量时，会引起π/4的相位差(Yao et al.，2009;Tsai，2009)。即便二维等效的噪声源也不是随方位角均匀分布的，这使得在NCF中正负半轴面波信号的强度一般有较大差异(Stehly et al.，2006)。而且在测量频散曲线时，这种非均匀性也会导致微小的误差，不易消除(朱良保等，2011)。

噪声源的分布和强度往往具有季节性的周期变化，这种变化在较长时间尺度内等效于噪声源的均匀分布，有助于NCF的收敛。但较短时间尺度内，会导致NCF中的波形产生非介质原因引起的变化，会对波速变化的测量造成影响(Yang et al.，2008)。这使得基于NCF的波速变化监测转而利用尾波信号并利用多条路径平均以提高精度(Brenguier et al.，2008a，b)。

噪声源的这种季节性变化导致一个区域内背景噪声能量的强度和方位发生变化，因此可以通过分析噪声能量的特征来获取噪声源的特定信息。目前利用的方法主要有通过NCF正负半轴面波信号强度的不对称性及信噪比，通过分析背景噪声背景能量流以及利用基于台阵的互谱慢度分析等(Stehly et al.，2006;Yang et al.，2008;鲁来玉等，2009)。这些研究不仅确认了背景噪声源的季节性变化，而且发现这种变化往往同全球的海洋和风暴活动相关。

噪声源及其能量的季节性变化具有全球尺度的规律，但在不同的地区具有不同的表现方式。对一个地区背景噪声能量季节性变化的研究，将有助于了解影响该地区的噪声起源及对NCF信号的影响。

宁夏地区位于中国西北内陆，距离海岸线较远。在宁夏这种内陆地区的噪声能量是如何分布和演化的，是否同海洋活动密切相关?为回答以上问题，我们选用了宁夏及其邻区33个宽频带台站近5年的数据，利用Stehly等(2006)提出的背景能量流的方法对该地区的背景噪声源的季节性变化进行了分析，并重点研究了5～10s及10～20s两个周期范围噪声能量的变化特征。

1 数据处理与结果分析

1.1 台站选取和噪声互相关函数的提取

使用宁夏及其邻区33个宽频带台站的垂直向记录来进行噪声互相关函数的计算，计算数据涵盖2008年1月至2012年11月共计58个月的连续数据。所使用的台站及路径分布如图1a所示。2个台站进行互相关计算得到NCF，其正负半轴上得到的波形分别反映了台站连线延长线相干区域内噪声源的信息(Snieder，2004;Stehly et al.，2006)。因此，2个台站A和B可以形成2个矢量路径，。对于每个矢量路径，分别计算其方位角，最终方位角取值为0°～360°范围。所用的33个台站共形成1056条矢量路径，对这些路径的方位分布和台站间距进行了分析，结果如图1b，c所示。

在图1b中可以看出，研究区域内路径的方位角分布较为均匀，对各个方向覆盖较好，这有利于后续获得较为可靠的背景噪声源能量在各个方向上的分布。

图1 研究所用台站及路径分布(a);路径的方位角分布情况(b);所有路径的台站间距分布情况(c)Fig.1 Station location and path coverage in Ningxia and its adjacent region(a)，azimuth distribution of all inter-station paths(b)，and distance distribution of all inter-station paths(c).

每个台站单天的数据在去除仪器响应、去除均值和趋势之后，抽样至1Hz采样率用于进行后续的互相关计算。使用ONEBIT方法(将正振幅设置为+1.0，负振幅设置为－1.0)对数据进行时域归一化处理，并进一步在频域内进行频域白化处理(Benson)。对任意2个台站上单天的数据进行互相关计算以得到每条路径上单天的NCF波形。对每条路径上的NCF按照月尺度进行叠加处理以提高信号的信噪比和稳定性。按月叠加的NCF波形将用于后续背景噪声能量时间演化规律的分析。同时将所有58个月的数据进行叠加处理以获得该条路径上NCF的叠加信号。

图2显示了经过58个月叠加之后的NCF波形，其中横轴为时间，正负半轴分别表示同一路径上沿着不同方向传播的信号走时，纵轴为每条路径对应的台站间距。将获得的NCF叠加信号分别进行5～10s和10～20s的带通滤波以观察其信号的特征，分别如图2a，b所示。图中虚线表示视速度为4.5km/s的走时曲线，对应实线为视速度2km/s的走时曲线。从图2中可以看出，在2个频段上都存在较为明显的面波信号。同时也发现在5～10s的NCF波形的面波信号之前，也存在能量较强的信号。在后续研究中，主要使用实线和虚线之间的沿大圆路径传播的面波信号进行分析。

1.2 背景噪声能量来源方向和强度的计算

背景噪声的能量来源方向和强度可以使用密集的台阵数据或者方位分布均匀的台网数据获得(Gerstoft et al.，2006)。由于宁夏地区的台站分布并不十分密集，但路径方位分布较好，因此使用Stehly提出的背景能量流的方法对背景噪声能量进行估计。

图2 经过58个月叠加之后的NCF波形，虚线和实线之间为沿大圆路径传播的面波信号Fig.2 The waveform of NCFs with respect to inter-station distance，and the surface waves traveling along the great circle indicated between line and solid lines.

背景能量流方法的主要原理为:由于计算NCF使用了频谱归一化处理，因此得到的NCF波形强度表征的是2个台站记录到信号的相干性。而这种相干性同影响该条路径上相干的噪声源的位置和强度相联系。Snieder(2004)的研究表明，其相干性主要由路径延长线两侧的相干区域内的噪声源的性质决定。将单条路径上的NCF两侧的波形强度进行面波传播的几何矫正之后，再进行所有路径上的平均化处理。在路径的方位分布较为均匀时，其结果可以较好地反映背景噪声能量及相应的背景噪声源的强度在不同方位角上的分布特点。通过对不同时期叠加得到的能量分布进行对比分析，可以获得背景噪声能量的优势方向及强度随时间的变化。对该方法的详细推导可参考相关文献(Stehly et al.，2006;王伟涛等，2011)。

对宁夏地区使用的1056条路径，首先计算图2中实线和虚线之间面波信号的包络，并利用台站间距的平方根作为权重对其进行面波几何传播衰减的矫正。将所有路径进行求和计算以获得宁夏地区背景噪声能量在不同方位角上的分布。分别对5～10s及10～20s周期范围内按照月尺度叠加的NCF波形进行上述计算处理，以获得不同周期范围内噪声能量强度和优势方位随时间的变化。

图3显示了背景噪声能量的来源方向和强度随时间的演化规律。其中横坐标表示自2008年1月起算的月数，纵坐标表示噪声能量的来源方向。色标表示以58个月内最大单月能量值归一化后的相对能量强度。其中图3a，b分别表示5～10s与10～20s的噪声能量演化规律。

从图3中可以看出，噪声的能量强度在2个周期范围内都表现出较为明显的季节性变化。其中5～10s的噪声能量主要来自于90°～150°，在120°～150°范围内能量最强。在该方位区间上，能量强度在北半球的冬季较强，夏季较弱，呈现季节性交替变化。10～20s周期噪声能量方向则较为复杂，主要可以分为 3个主要的优势区域:Ⅰ)300°～350°;Ⅱ)120°～150°;Ⅲ)170°～215°。其能量的优势来源方向随着季节发生变化，且在不同的优势方向范围内，其能量强度的变化规律也不相同。区域Ⅰ和区域Ⅱ的强度在冬季较强，区域Ⅲ的强度在夏季比较强。这表明宁夏地区10～20s的背景噪声存在较为复杂的起源位置。

图3 背景噪声优势能量的方位和强度随时间的演化规律Fig.3 Variation of the strength and dominant direction of ambient noise energy.a 5～10s的噪声能量的季节性变化;b 10～20s噪声的时间变化

3 结论和讨论

依据功率谱密度，背景噪声在10～20s及5～10s之间存在2个明显的峰值，地震学家将此范围内的背景噪声称为地脉动(Microseism)，并将周期10～20s的地脉动称为第1类地脉动(Primary Microseism)，5～10s的地脉动称为第2类地脉动(Secondary Microseism)(Cessaro，1994)。第1类地脉动的周期同全球海浪的周期接近，一般认为是海岸在海浪压力驱动下产生的。第2类的脉动被认为是两列周期相同、方向相反的第1类地脉动干涉形成的。它可能由近海岸反射与入射波耦合产生，也有可能在深海的特定区域产生(Hasselmann，1963;Friedrich et al.，1998;Kedar et al.，2008)。

为研究宁夏地区2类地脉动噪声的可能起源区域，利用图3中得到的噪声能量的来源方向对噪声源的可能位置进行了反向投影分析。其结果如图4所示，其中图4a，b分别表示5～10s和10～20s的噪声源可能分布区域。

从图4a中可以看出，5～10s噪声源投影方位同中国东南沿海的海岸线分布较为一致，在该方位范围内，噪声能量的强度在冬季较强，夏季较弱。研究表明，噪声强度的季节性变化往往同海浪的高度相关。而海洋的海浪高度在南北半球具有不同的变化规律，一般来说海浪的高度在该大洋所在半球的冬季较高(Stutzmann et al.，2009)。受中国东南部漫长的大陆架的影响，该区域内水深较浅，易与同频反向的海浪相互耦合。由于宁夏地区地处中国西北内陆，而5～10s的噪声衰减较快，因此其优势方向主要反映噪声能量很强的区域，其方位为120°～150°。该范围同台湾海峡所在方位较为吻合，这可能是由于台湾海峡区域的海底地形构造易于产生较强的第2类地脉动噪声(Chen et al.，2011)。同时，中国东临太平洋，其激发能量主要表现出北半球大洋的特征，冬季较强，夏季较弱。这同宁夏地区5～10s的面波强度的变化是相符的。

图4 利用反向投影方法获得的各个优势方位上噪声能量的主要区域Fig.4 Possible region of dominant ambient noise energy obtained by back-projection.

宁夏地区10～20s的噪声能量构成则较为复杂。首先该周期范围内噪声能量的优势方向随着季节具有比较大的变化，再者，在同一个优势区域内，强度随季节的变化规律也不同。在图4b中分别以黑、红、蓝线表征了区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。观察3个区域可以发现，其分别对应着北大西洋，太平洋和印度洋。区域Ⅰ和Ⅱ内噪声能量的强度在冬季较强，夏季较弱。这可能是由于北大西洋和太平洋都主要表现为北半球大洋的特征。区域Ⅲ内噪声能量随季节的变化则正好相反，夏季较强，冬季较弱。这一区域主要对应印度洋，而印度洋属于南半球，同北半球大洋的能量强度变化趋势相反。除去能量强度的变化，其优势能量的来源方向也随着季节在这3个区域内发生变化。这表明宁夏地区的第1类地脉动应该同时受到3个大洋的影响，且在不同的季节由不同的大洋起主导作用。

随着背景噪声研究的深入，对背景噪声源能量的分布和演化的分析显得越来越重要。由于背景噪声能量的分布并不是完全的均匀和随机的，因此得到的NCF也不完全收敛于理论格林函数。当利用NCF来进行波速结构的成像研究时，往往对单天的NCF进行年尺度的叠加，并对NCF的正负半轴的波形进行反转叠加处理以等效于噪声源的均匀分布。由于波速结构的测量对噪声源的分布并不是十分敏感，所以由此得到的结果是可靠的。而在另外一些基于NCF的应用中，则需考虑噪声源的分布和演化的影响。例如，利用NCF进行介质衰减特征估计时，利用一个台站的射入(Incoming)和溢出(Outgoing)能量将会得到不同的结果(Tsai，2011)。在利用NCF进行波速变化测量时，往往通过比较月尺度或周尺度叠加的NCF同年尺度叠加的NCF的波形来获得走时或波速随时间的演化情况。而往往期望测量的波速变化较小，此时噪声源的变化可能会引起路径上非介质变化引起的系统走时变化(Zhan et al.，2013)。此时，往往需要对多条路径上的结果进行平均处理，或者利用后续散射形成的尾波部分来进行计算，以获得更为稳定的结果(Brenguier et al.，2008a，b)。而获得更加稳定、精确的结果，则需要对噪声源能量的时空演化规律进行全面深入的研究。

我们的研究表明，宁夏地区的地脉动噪声能量具有明显的季节性变化，尤其是第1类地脉动噪声同时受到多个大洋的共同作用，具有复杂的演化规律。因此，在该区域内进行基于NCF的波速变化监测以及进行衰减估计时，应对噪声能量的时空演化进行充分的考虑，设法消除其可能的影响以获得稳定可靠的结果。

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