降雨与蒸发对垂直摆倾斜仪观测资料的影响

杨佩琴， 林木金， 王绍然

(1.福建省地震局龙岩地震台，福建 龙岩　364000；2.福建省地震局东山地震台，福建 漳州　363400)



降雨与蒸发对垂直摆倾斜仪观测资料的影响

杨佩琴1， 林木金2， 王绍然1

(1.福建省地震局龙岩地震台，福建 龙岩364000；2.福建省地震局东山地震台，福建 漳州363400)

收集福建省龙岩台2007—2014年的形变观测资料及降雨资料，分析了降雨量-蒸发量对VS型垂直摆倾斜仪观测资料的影响，并计算了垂直摆倾斜EW分量、NS分量与降雨量-蒸发量的相关系数。结果表明，降雨量-蒸发量对垂直摆倾斜仪观测资料有显著影响，将降雨量与蒸发量综合的结果，作为垂直摆倾斜观测的辅助资料更为科学、合理。

降雨量；蒸发量；倾斜

0　引言

在众多影响垂直摆倾斜观测数据的因素中，以降雨的影响最为明显[1]。南方降雨多，雨量大，因此对于南方的垂直摆倾斜观测手段，雨量资料的收集尤为重要。龙岩地震台是闽西唯一具备定点形变观测手段的有人值守专业台站。对龙岩台有倾斜观测资料以来的研究结果[2-3]表明：在龙岩台垂直摆倾斜仪观测资料的众多干扰因素中，降雨的影响最为显著，降雨量大、时间长、影响方式复杂。

目前，进入前兆数据库的降雨资料只有观测的降雨量。对于蒸发量，似乎很少进行分析。降雨是对土壤水分的补给，蒸发是土壤含水的消耗，这是双向的过程，都会对垂直摆倾斜仪观测带来一定影响。

1　台站概况

龙岩地震台位于龙岩市新罗城区北郊虎头山的西侧半山坡上。台站安装了湖北省武汉地震仪器厂生产的VS型垂直摆倾斜仪，该仪器安装在台站东侧的山洞内，山洞所处山体东高西低，南高北低。山洞全长约100 m，洞内平均温度为19.8 ℃，年温差小于0.2 ℃。台站东边有一断层，断层呈NNE走向，倾角80°；西边为第四系覆盖层，基岩为石英砂岩，节理发育，岩性破碎，地表风化，覆盖层较厚。

龙岩市属亚热带海洋性季风气候。年平均气温18.7 ℃～21.0 ℃，平均降水量1 031～1 369 mm，日照时数1 804～2 060 h。全年气候温和，无霜期长，雨量充沛。

2　降雨量和蒸发量对垂直摆倾斜仪观测资料的影响

2.1资料的收集整理

龙岩台多年以来累积的降雨资料是人工测量的日观测值，包括降雨量和蒸发量。为了对比、分析降雨量和蒸发量对垂直摆倾斜观测资料的影响，分别收集整理了2007—2014年的观测资料，计算降雨量累加值、降雨量减去蒸发量的累加值，与垂直摆倾斜仪的EW分量和NS分量日均值进行对比分析。

2.2降雨和蒸发改变土壤的含水量

根据应用水文学[4]，深厚的岩土层可分为2个水分带。其中，地表以下到潜水面的部分是非饱和土壤水分带，也称为包气带，土壤水就是指包气带中的水分。在包气带的上部，由于经常接受降雨补给和蒸发消耗，土壤水分变化剧烈。

对龙岩台历年来降雨量和蒸发量的观测值进行统计(表1)，每年的蒸发量与降雨量的比例在1∶2～3∶4，甚至有些年份蒸发量超过降雨量。蒸发对土壤水分的消耗也是相当大的。因此，仅观测降雨量不足以排除降雨因素对垂直摆倾斜观测的干扰，还需同时观测蒸发量。

表1　历年降雨量和蒸发量统计(2007—2014年)

2.3降雨量和蒸发量对垂直摆倾斜仪观测资料的影响

根据龙岩本地的气候变化规律，因降雨和蒸发引起土壤含水量的变化模式主要有3种：①没有短时间强降雨，降雨量总体大于蒸发量，土壤含水量缓慢增加，一般在每年的1—4月，春雨绵绵，气温低，蒸发少；②短时间内强降雨，土壤含水量迅速增加，一般发生在5、6月，偶尔7、8月也会因台风带来强降雨；③降雨少，没有短时间内集中的强降雨，蒸发持续，土壤含水量缓慢、持续减少，一般发生在7、8月以后，一直到12月。

以2007年的观测数据为例进行说明分析(表2，图1)。

表2　2007年降雨量和蒸发量及产生的影响统计

注：a 降雨量日值；b 蒸发量日值； c 降雨量累加值；d 降雨量-蒸发量；e EW分量日均值；f NS分量日均值图1　2007年降雨量和蒸发量与垂直摆倾斜仪观测数据

01月01日—04月17日，主要是春雨绵绵，长达三个半月的时间，降雨334.8 mm，蒸发174.8 mm，虽然降雨增加土壤含水，但是在春季植被生长迅速，通过植被的蒸腾作用消耗掉相当一部分的土壤含水，因此尽管降雨量大于蒸发量，就土壤含水而言，可能整体含水没有明显增加，EW分量表现为缓慢下降，NS分量表现为缓慢上升。

04月18日—05月06日，25天内降雨达303.6 mm，其中04月18日降雨41.3 mm，04月22日—04月25日降雨146.6 mm，04月30日—05月1日降雨达93.7 mm，蒸发只有55.4 mm。短时间内的强降雨，引起EW分量和NS分量的大幅度变化，EW分量急速上升，NS分量急速下降。

05月07日—05月31日，降雨量和蒸发量基本持平，EW分量和NS分量表现为平缓变化形态。

06月01日—06月20日，20天内降雨达347 mm(其中仅3天无降雨)，引起垂直摆倾斜仪2分量的大幅度变化。

06月21日—08月05日，降雨88.6 mm，蒸发258.9 mm，EW分量表现为缓慢下降，NS分量缓慢上升。

08月06日—09月05日，降雨461.9 mm，其中08月11日—08月17日降雨213.4 mm，09月02日—09月04日降雨115.7 mm，仅2天无降雨；蒸发仅有72.7 mm。同样引起垂直摆倾斜仪2分量的大幅度变化。

09月06日—12月31日，进入秋冬季节，降雨只有84.6 mm，蒸发达302.1 mm，EW分量缓慢下降，NS分量缓慢上升。

由图1也可以看出，如果仅计算降雨量累加值(图1c)，不能很好解释在无降雨的时间段，垂直摆倾斜仪观测数据的变化。如果计算降雨量减去蒸发量(图1d)，降雨量减蒸发量的日值观测曲线与龙岩台垂直摆倾斜EW分量日均值曲线(图1e)基本呈同方向变化，EW分量略有滞后；与NS分量日均值曲线(图1f)呈反向变化，NS分量略有滞后。这主要是因为山洞上方覆盖的山体地势是东高西低，南高北低，高处覆盖山体厚，低处覆盖山体较薄。降雨和蒸发这2个过程通过改变土壤水分含量，引起基岩载荷的改变，对垂直摆倾斜仪观测数据产生显著的影响。

对2007—2014年的观测资料进行分析(图2)，用降雨量减蒸发量可以很好地对应并解释垂直摆倾斜观测数据的大部分变化趋势，降雨量减蒸发量与龙岩台垂直摆倾斜EW分量的变化呈正相关，与NS分量的变化呈负相关。这也说明降雨因素对垂直摆倾斜观测资料的影响非常大。

逐年计算垂直摆倾斜EW分量、NS分量与降雨量-蒸发量的相关系数(表3)，由相关系数也可以看出，EW分量、 NS分量的变化与降雨量-蒸发量的相关性显著。这说明，降雨量-蒸发量对龙岩台垂直摆倾斜观测资料的影响很明显，在对资料进行分析使用的时候需要先剔除降雨量-蒸发量的影响。

注：a 降雨量累加值；b 降雨量-蒸发量累加值；c EW分量日均值；d NS分量日均值图2　降雨量和蒸发量与垂直摆倾斜仪观测数据对比分析(2007—2014年)

表3　垂直摆倾斜仪2分量与降雨量-蒸发量的相关系数统计

2.4震例分析

2007—2014年，在福建区域发生了5次震感比较强烈的显著地震事件(M>4.5)(表4)。

表4　2007—2014年福建省显著地震事件

以降雨量-蒸发量为自变量，垂直摆倾斜仪各分量的变化为因变量，做相关分析(图3)，可以在一定程度上剔除降雨对垂直摆倾斜观测的影响。在剔除了降雨量-蒸发量的影响之后，垂直摆倾斜仪的NS分量和EW分量有一定的年变规律。但是在2007—2008年，年变规律完全被破坏。在这个时间段内，一共发生了4次M>4.5级以上地震，并且，这4次地震事件均发生于与龙岩为同一个或者毗邻的NW向和NE向断裂带交错的棋盘状构造带内，顺昌、古田与龙岩同位于NE向的邵武—河源断裂带和政和—海丰断裂带附近，永春与龙岩同位于NW向的九龙江断裂，长泰位于龙岩毗邻的晋江—永安断裂，孕震构造不可避免地会对龙岩的地质构造产生影响。对龙岩台垂直摆倾斜仪观测资料剔除了降雨量-蒸发量的影响后，地震前兆异常信息得以反映出来。2013年9月4日福建仙游虽然发生了5.0级地震，但是由于仙游所处构造带与龙岩距离较远且关联不大，影响甚微。

图3　垂直摆倾斜仪与降雨量-蒸发量一元线性相关分析残差值

3　结论

通过对龙岩台降雨量、蒸发量和垂直摆倾斜观测数据综合分析研究得出：

1)降雨量减蒸发量与龙岩台垂直摆倾斜观测数据的变化显著相关，与EW分量呈正相关，与NS分

量呈负相关。

2)降雨量减蒸发量与龙岩台垂直摆倾斜观测数据变化的相关程度优于降雨量。

3)由于龙岩台垂直摆倾斜仪的观测环境所致，降雨和蒸发都对垂直摆倾斜观测有影响，因此作为垂直摆倾斜观测的辅助观测手段，仅观测降雨量不足以排除对龙岩台垂直摆倾斜仪观测的干扰，还需同时观测蒸发量。

4)对龙岩台垂直摆倾斜仪观测资料剔除了降雨量-蒸发量的影响后，一些地震前兆异常信息得以反映出来。

降雨和蒸发对垂直摆倾斜观测的影响，也不完全是一一对应的。短时间的集中强降雨，或者长时间降雨山体含水已经饱和的情况下，都有可能在山体表面形成径流，汇入江河。其次，山体含水率的改变也不完全是蒸发所致，还有植被的生长、山体含水对地下水的补给等等。关于降雨量和蒸发量对于垂直摆倾斜观测资料的影响程度，还应做进一步的定量分析。

本文的研究内容，主要是基于龙岩台垂直摆倾斜仪的观测环境得出的结论，对于高温且多雨的南方洞室倾斜观测资料的分析具有一定参考意义。

[1]国家地震局科技监测司. 地震地形变观测技术[M]. 北京: 地震出版社, 1995: 284-285.

[2]刘其寿, 杨佩琴, 王绍然, 等. 龙岩地震台地倾斜资料干扰因素分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2010, 30(S1): 91-95.

[3]郑永通, 张华, 杨佩琴, 等. 垂直摆倾斜仪干扰原因分析[J]. 华南地震, 2015, 35(2): 100-105.

[4]范世香, 高雁, 程银才. 应用水文学[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2012: 19-25.

Rainfall and Evaporation Effects on Vertical Pendulum Tiltmeter Observations

YANG Pei-qin1, LIN Mu-jin2, WANG Shao-ran1

(1.Longyan Seismic Station, Earthquake Adminstration of Fujian Province, Longyan 364000, China;2.Dongshan Seismic Station, Earthquake Adminstration of Fujian Province, Zhangzhou 363400, China)

Using deformation data and rainfall data of Longyan station from 2007 to 2014, we analyzed the effect of rainfall-evaporation on VS vertical pendulum tilt observational data, calculated the correlation coefficient between rainfall-evaporation and the EW component of the vertical pendulum tilt and the correlation coefficient between rainfall-evaporation and the NS component of the vertical pendulum. The results show that rainfall-evaporation has a significant effect on vertical pendulum tilt observational data in Longyan seismic station. It is more scientific and reasonable to take rainfall and evaporation into consideration in order to analyze vertical pendulum tilt observation data.

rainfall; evaporation; tilt

2016-01-06

杨佩琴(1973—)，女，福建长汀人，工程师，主要从事地震监测和分析预报工作．E-mail：23910084@qq.com

P315.725

A

1003-1375(2016)03-0028-04

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.005

杨佩琴，林木金，王绍然．降雨与蒸发对垂直摆倾斜仪观测资料的影响[J]．华北地震科学，2016，34(3):28-31.