强冷空气对宁波地震台垂直摆记录影响

夏超德

（中国浙江315029宁波地震台）

强冷空气对宁波地震台垂直摆记录影响

夏超德

（中国浙江315029宁波地震台）

宁波地区历史记录以来最强冷空气过境，引起VS垂直摆记录不规则抖动，本文选取气压变化数据和扰动时段垂直摆观测数据，对VS垂直摆记录资料进行矢量、差分和精度分析，分析发现：气压变化和垂直摆产生扰动时段一致，差分值最大变化是正常变化的2.7—2.9倍，且相位滞后明显。此研究冷空气对VS垂直摆的影响特征和机制提供新的解释。

垂直摆；矢量图：冷空气；相位滞后

0 引言

浙江省宁波地震台（以下简称宁波台）数字化仪器VS垂直摆倾斜仪（以下简称VS垂直摆）采用分钟值采样，可以记录到固体潮正常变化及扰动数据（任佳等，2003；张磊等，2011）。干扰主要包括：观测系统故障干扰、自然环境干扰、观测场地干扰、人为干扰、地球物理事件等（夏超德，2006）。对于地震前兆异常识别，本地自然环境或场地观测环境的干扰识别并排除尤为重要。

宁波台VS垂直摆在2012年2月3日强冷空气过境时，记录到明显不同与地震变化的脉冲信号，对比本地冷空气过境时气温、气压变化数据，采用矢量分析、差分分析及精度统计方法，探讨此次脉冲干扰信号特征，为浙江地区VS垂直摆受冷空气的影响特征提供案例。

1 观测背景

1.1 观测条件

宁波台位于杭州湾南岸，宁波盆地北部山区与平原交界处，海拔20 m，距东海海岸约16 km，是一个地理环境、地质条件较为理想的观测台站。地倾斜观测专用山洞进深约43 m，台基为上侏罗纪火山岩，岩性致密坚硬，整体性好，洞室顶覆盖层厚30 m以上，山坡上有杂草松树等植被，洞内有7道防护门，仪器室保温效果好，日温差极小，年温差小于0.2℃，温度常年保持恒定，约18.0℃，湿度大于95%。VS垂直摆记录室与摆室相距约150 m，符合《中华人民共和国地震行业标准·地震台站建设规范·地形变台站》规范要求。

1.2 观测仪器

宁波台2001年安装中国地震局地震研究所生产的VS垂直摆地倾斜仪，2010年升级为“十五”项目，仪器灵敏度0.001″，γ因子稳定，EW、NS向固体潮在同一数量级，与日、月形成的理论固体潮汐、海水潮汐同步变化。由于地处少震、弱震区，观测资料稳定性较好，可以当作正常场的变化规律进行研究。气象三要素仪安装在台站院内，距离垂直摆仪器洞室口约50 m，日变、年变存在明显的规律特征（夏超德，2006）。

2 资料分析

2012年3月1日—2日，强冷空气过境宁波，特别是2日2时前后，气压发生剧烈变化，宁波台垂直摆分钟值曲线产生不规则脉冲现象，见图1。由图1可知：3月2日02时起，NS、EW分量产生强烈不规则脉动，远大于地震波周期，最大周期约30 min；NS向脉动最大幅度达1.28×10-3″，EW向达1.48×10-3″；强烈脉动持续时间长达1.5小时，之后记录曲线持续不规则变化，而此时无较强远震发生，且与远震地震波记录曲线形态不同，且无人为干扰，由此断定垂直摆脉冲、扰动变化由冷空气过境造成。

图1　宁波台垂直摆分钟值曲线Fig.1 Minutely value curve of vertical pendulum at Ningbo Seismic Station

2.1 矢量图分析

宁波台距海岸线近，EW、NS向固体潮保持在同一数量级，正常情况下，垂直摆日、月变化具有一定规律，矢量图重复性强，走势相似度高（车兆宏等，1994；夏超德，2006）。在此选取2012年2月1日、3月31日垂直摆分钟值观测数据与3月2日数据（此3天均为当月农历初十），绘制矢量图，见图2。从图2可见，3天的曲线变化形态相似，且强冷空气过境对观测数据产生影响较明显。对比图1和图2（b），发现分钟值矢量图影响更加明显，高采样率使曲线毛糙，因强度大、变化快，甚至出现打结现象。

图2　宁波台垂直摆2012年分钟值矢量曲线（a）2月1日；（b）3月2日；（c）3月31日Fig.2 Minutely vector value curves of vertical pendulum at Ningbo Seismic Station in 2012

2.2 气温、气压变化影响

正常情况下，气温、气压变化缓慢，不会产生急剧上升或下降。冷空气过境导致气温、气压剧烈变化，但非同时变化。2012年3月1日、2日气温、气压记录曲线见图3，与图1垂直摆倾斜仪分量变化进行对比，可见：①1日15时至2日02时气温记录曲线变化不大；②气压在1日变化正常，15时大风降临时产生小抖动，2日01时冷空气主力降临，气压急剧变化（正常变化小于0.01 hPa/min，冷空气过境一般变化1 hPa，产生不规则小脉动，影响曲线光滑度），最大变化2.8 hPa（表1），时间长达130 min，此时垂直摆倾斜仪NS、EW分量随之发生脉冲变化，后气压缓慢上升，气温缓慢下降持续至9日结束。

表1　气压与垂直摆倾斜仪峰值变化Table 1 Air pressure and peak changes of vertical pendulum tilt meter

将图1中3月2日0时—03时垂直摆倾斜仪NS、EW分量进行放大，与气压数值变化进行对比，见图4，发现：①气压发生变化，垂直摆NS、EW分量同时发生变化，且变化趋势一致，同步性较强；②气压变化对EW分量影响较大；③气压骤升时，垂直摆观测记录曲线向南、向西倾，气压陡降时向北、向东倾。理论上，气压变化与垂直摆倾斜仪记录数据变化应为线性关系，由于分钟值记录掩盖部分变化真相，导致其非线性关系。

图3　3月1日—2日宁波台气温、气压变化曲线Fig.3 Variation curves of temperature and air pressure at Ningbo Seismic Station on March 1 and 2

图4　3月2日0时—03时垂直摆与气压分钟值对比Fig.4 Comparison of minutely values of vertical pendulum and air pressure during 0：00 to 3：00 on March 2

2.3 差分对比分析

由以上分析可知，气压及垂直摆倾斜记录在3月1日15时后产生波动，因幅度小不易发现，在此进行一阶差分，差分曲线见图5。由图5可见：垂直摆的NS、EW分量与气压差分值，在冷空气过境前的15时已发生变化，02时变化剧烈，时间吻合。差分值以3月1日08时为基准，发现各测项最大变化量NS分量为正常变化值2.9倍，EW分量为2.85倍，气压则为正常值2.7倍。由此说明，气压变化是导致垂直摆倾斜记录发生异常的重要原因。

图5　3月1日—2日垂直摆记录与气压分钟值差分曲线对比Fig.5 Comparison of minutely value curves of air pressure and vertical pendulum records on March 1 and 2

3 精度分析

此次冷空气过境宁波，低气温、高气压持续至3月9日，对垂直摆倾斜仪观测资料精度产生较大影响。将2012年1—3月观测数据进行调和分析和Nakai检验，具体结果见表2。由于此次冷空气过程持续时间长、强度大，对潮汐因子、相位、精度等均产生影响，由表2具体数据可知，特别是相位滞后，3月EW分量观测数值是1月的4倍，NS分量为2倍，变化剧烈（表2）。

表2　观测数据精度分析Table 2 Precision analysis of observed data

从调和分析、Nakai检验精度看，相位滞后下降最为明显，观测资料进行中期、长期分析时，如果进行此项分析，有可能出现类似假异常，不利于地震预测预报，进行相关研究时应该避免此类情况发生。

4 结束语

此次冷空气过境宁波，导致气压发生急剧变化，引起垂直摆倾斜仪分钟值曲线发生不规则脉动变化，且相位滞后明显。在对中期、长期地震资料进行分析时，应仔细研判，避免将此类干扰与远震记录混淆，并注意与地震前兆异常的区别。希望通过此次强冷空气对宁波VS垂直摆的影响特征分析，为识别并排除此类干扰提供参考。

车兆宏，刘天海，尹荣珍.大同—阳高地震形变前兆演变过程//国家地震局科技监测司.地震形变前兆特征的识别与研究［C］.北京：地震出版社，1994：75-84.

任佳，王长江，马利军，等.对VS垂直摆倾斜仪异常图像的初步认识［J］.华北地震科学，2003，21（1）：43-45.

夏超德.宁波地震台垂直摆分钟值矢量图特征［J］.华南地震，2006，26（3）：54-60.

张磊，汪翠枝，刘文兵，等.蓟县垂直摆观测数据变化分析［J］.华北地震科学，2011，29（3）：34-38.

Abstract

It is recorded that the vertical pendulum trembles irregularly as the strongest cold air pass through Ningbo area.In this paper，the air pressure variation data and the observation data of vertical pendulum during the disturbed period are selected for vector，difference and precision analysis.The results show that the disturbance of air pressure and vertical pendulum records are accordance in time.The maximum change of difference value is 2.7—2.9 times larger than the normal change and with phase delay.This study provides new interpretation of the feature and mechanism of the influence of cold air on vertical pendulum observation.

Influence of strong cold air on the observation of vertical pendulum tiltmeter at Ningbo Seismic Station

Xia Chaode
（Ningbo Seismic Station，Zhejiang Province 315029，China ）

vertical pendulum，vector chart，cold air，phase delay

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.014

夏超德（1963—），男，工程师，主要从事地形变观测工作。E-mail： dvh2008@126.com