琼中地震台PET重力仪和CTS-1EF地震计记录的热带气旋信号特征分析

李盛 周雯 张慧 余宙 吴佳林

（中国海口 570203 海南省地震局）

0 引言

随着中国地震局“十五”数字化地震观测网络项目和背景场项目的实施，地震台站利用宽频带（甚宽频带）地震仪、秒采样的数字化连续重力仪的测项逐渐增加，尤其是同址观测的实现，为研究宽频带（甚宽频带）地震仪、秒采样的数字化连续重力仪观测信号的特征，深入挖掘其所蕴含的科学信息提供了便利。连续重力固体潮汐观测数据可以较好地反映地球固体潮汐的日波、半日波特征及地震孕育过程的中期特征（国家地震局科技监测司，1995）。重力固体潮连续观测可以记录与潮汐变化有关的地壳运动，精确观测地球系统各圈层物质迁移所引起的重力变化效应，是研究固体地球内部构造和运动特征的重要物理量之一。CTS-1EF 地震计是高灵敏度、宽频带、高性能新型地震计，目前已广泛应用于我国的地震监测中，其传感系统具有甚宽频带、大动态、三分量等特征，可记录50 Hz—120 s 带宽的信号，但该地震计不能记录固体潮等长周期信号。

已有研究表明，与地震计相同，连续观测的重力仪也能清晰记录地震波信号。周江林等（2015）通过研究北京地震台gPhone 型重力仪同震响应特征认为，相对于宽频带地震计，gPhone 型重力仪也能提供地震引起的地面运动信息，其首波初至、地震频带响应等特征与宽频带地震计高度相似，且gPhone 型重力仪对长周期地震面波响应较好，表现出其独有的特性；王林松等（2012）通过分析2011 年3 月11 日东日本9.0 级地震重力信号同震响应认为，由震后12 h 数据经带通滤波可以分辨7个环绕地球传播的瑞雷波记录，且在低频范围内（5×10-3Hz 以下）检测到43 个地球自由振荡基频振型及52 个谐频振型，其分布与理论模型吻合较好。其中，在1×10-3Hz 以下的低频段观测到4 个振型的谱峰分裂现象。不仅对地震，对于台风等热带气旋强对流天气，地震仪和重力仪同样可以记录信息，且观测结果能够相互佐证（郝晓光等，2008；胡小刚等，2010；蒋骏等，2010，2012；张雁滨等，2013；王梅等，2014；李盛等，2016）。

琼中基准地震台（以下简称琼中台）位于海南岛陆中部，拥有重力、地磁、地电和测震等测项，是我国最南端的连续重力观测台站。本文利用琼中台PET 重力仪、CTS-1EF 地震计记录到的热带气旋信号的波形和频谱特征，分析了PET 重力仪、CTS-1EF 地震计观测数据的特征。

1 台站、仪器概况

琼中台位于海南省琼中县县城营根镇东南,地处海南岛中部五指山区木头山东北侧小山间盆地，属国家Ⅰ类台。受热带季风气候影响，台站高温多雨的气候特征显著，年降水量达2 000 mm，年气温为8—37 ℃。台站地处区域性基底隆起的花岗岩侵入地区，地壳稳定性较好，岩基为海西—印支期花岗岩，岩性致密、坚硬，属混合花岗岩，周围10 km内无大断裂通过。琼中台地质地理位置见图1。

图1 琼中地震台位置Fig.1 The location map of Qiongzhong Seismic Station

琼中台连续重力观测采用美国Micro-g LaCoste Inc 公司生产的PET 型重力仪，这是一种全自动型重力仪，可用于测量地球各点重力随时间的变化，也可以检测周期从秒到若干年的地球物理、地球动力学效应所导致的微小重力场变化。仪器主要技术指标见表1。

表1 PET 型重力仪主要技术指标Table 1 The main specifications of PET gravimeter

CTS-1EF型宽频带地震计带宽为50 Hz—120 s，速度输出平坦，灵敏度为2×1 000 V/(m·s-1)，最大输入幅度1×10-2m·s-1，动态范围140 dB，采样率100 Hz。

2 PET 型重力仪与CTS-1EF 型地震计波形对比

海南是台风多发地区，琼中台所在的海南岛中部气候类型为典型的热带季风气候，其主要特点是全年高温，降水分旱、雨两季，季风显著，盛行热带气旋。受热带季风气候的影响，高温多雨的气候特征显著，年降水量达2 000 mm，年气温为8—37℃，月温差为10℃，每年4—10 月为雷雨季节，7—10 月为台风季节。

热带气旋的强度一般根据平均风速进行评定，当底层中心附近最大平均风速大于32.7 m·s-1时，将其称为台风。2009—2016 年，共有23 个台风级以上的热带气旋在琼中台300 km 范围内活动。限于篇幅，本文仅选择较有代表性的3 个热带气旋——“威马逊”“海鸥”“莎莉嘉”（台风的详细信息可通过网址http://typhoon.zjwater.gov.cn/default.aspx###进行查询）为例进行分析，研究其对琼中台重力非潮汐变化的影响。

PET 型重力仪观测的原始重力数据（秒采样）包含潮汐、非潮汐信号（含地震波、漂移等）及其他干扰等信息；而CTS-1EF 型宽频带地震计观测数据不包含1/3 日波、半日波、周日波等长周期（极低频）潮汐波信号，无零漂等现象。因此，应用Tsoft 软件对重力观测原始数据进行潮汐改正和零漂改正，获得改正后的重力残差信号。因地震计的采样率为100 Hz，而重力仪的采样率为1 Hz，因此须将地震计观测数据降采样为1 Hz（取垂直方向）。由于PET型重力仪观测的是重力加速度值，其单位是10-8m·s-2；而地震计观测的是速度值，其单位是10-8m·s-1，因此采用2 种方式将二者归算到统一的物理量进行比较：一是对降采样的垂直向地震计观测数据进行求导，使其变为加速度值；二是对重力残差数据进行积分，使其转化成速度值，再与地震计原始数据进行比较。以下分析中，分别选取受热带气旋活动影响的重力仪、地震计记录到的数据波形作为实例，采用这2 种方式进行归一化比较。

2.1 速度

“威马逊”“海鸥”“莎莉嘉”等3 个热带气旋信息列于表2。首先，对比受热带气旋影响的积分后重力残差数据与地震计原始数据波形（即比较速度值）（图2）。需要说明的是，对连续重力原始秒数据进行潮汐改正，改正的是理论固体潮值，重力残差数据中仍会残留一些固体潮信号，若用消除理论固体潮后的重力残差数据直接进行积分，则积分后的重力残差数据固体潮信息仍很明显，与地震计数据相比，差别较大。为此，在对消除理论固体潮信号的重力残差进行积分之前，需先进行高通滤波，高通滤波的截止频率定为0.01 Hz，这样即可完全消除固体潮等长周期信号。图2 中的截取波形基本包含了热带气旋在积分后重力残差数据与地震计原始数据上扰动产生、升高、扰动高潮和扰动消减（2014 年7 月19 日琼中台地震计原始数据缺失，未能完全呈现“威马逊”热带气旋影响消减过程的波形）。3 个热带气旋分别在积分后重力残差数据上及地震计原始数据上产生的最大扰动幅度见表3。结合图2、表2、表3 来看，3 个热带气旋的重力仪、地震计波形基本类似。但在热带气旋影响较小时段，可明显看出地震计波形的稳定性稍差，有所起伏；而积分后的重力高通滤波波形则无起伏，这应与地震计、重力仪记录的背景噪声不同有关。在热带气旋引起的扰动幅度方面，重力高通滤波积分后的波形与地震计波形扰动幅度均与热带气旋中心与琼中台间的距离成正比；与地震波形情况一致（李盛等，2018），地震计数据的最大扰动幅度大于重力仪数据，3 个热带气旋的地震计、重力仪数据最大扰动幅度比分别1.110:1、1.070:1 和1.002:1；“莎莉嘉”热带气旋引起的信号扰动幅度最大，其次是“海鸥”热带气旋的，最小为“威马逊”热带气旋的，这说明尽管“威马逊”热带气旋风速、最大风力均最大，但因其台风中心最接近琼中台时的距离最大，所以引起的最大扰动幅度反而最小。

表2 3 个热带气旋的信息Table 2 The information of the 3 tropical cyclone

表3 3 个热带气旋分别在积分后重力残差数据上及地震计原始数据上产生的最大扰动幅度Table 3 The information of waveforms recorded by seismometer and gravimeter

图2 重力残差高通滤波积分后波形、地震计记录地震波形和热带气旋中心与琼中地震台间的距离（a）“威马逊”热带气旋；（b）“海鸥”热带气旋；（c）“莎莉嘉”热带气旋Fig.2 The waveform after high-pass filter integral of gravity residual,the seismic waveform of seismometer recorded and the distance between tropical storm center and Qiongzhong Seismic Station

时频分析（JTFA）即时频联合域分析（joint time-frequency analysis）的简称，作为分析时变非平稳信号的有力工具已成为现代信号处理研究的热点之一。时频分析方法提供了时间域与频率域的联合分布信息，可清楚描述信号频率随时间的变化。图3 为“海鸥”热带气旋影响期间重力残差高通滤波积分与地震计数据的时频曲线。由图3 可见，在0.150 Hz 以下的低频段，重力仪记录的信号强度比地震计的大得多。已有研究表明，热带气旋的信号频段主要为0.125—0.250 Hz（李杰等，2009；钟继茂等，2015；王新胜等，2016；李盛等，李盛等，2018；李盛，2020），由图3 也可见，重力残差高通滤波积分与地震计数据在0.125—0.250 Hz 频段的信号较强，也即二者受“海鸥”热带气旋影响明显。

图3 受“海鸥”热带气旋影响的重力残差高通滤波积分值（a）、地震计记录地震波形时频图（b）Fig.3 The time-frequency map of high-pass filter integral of the gravity residual in Qiongzhong station (a) and the seismic waveform recorded by the seismometer (b)during the influence of “Seagull”

2.2 加速度

图4 为“海鸥”热带气旋影响期间重力残差数据与测震求导数据的波形（即加速度）。由图4 可见，积分后重力残差数据与地震计原始波形数据对比结果一致（地震计原始数据最大扰动幅度为4 002.6×10-8m·s-2，重力仪残差数据最大扰动幅度为3 905.5×10-8m·s-2，扰动幅度比为1.02），在此不再赘述。图5 为“海鸥”热带气旋影响期间重力残差和测震求导数据频谱对比。由图5 可见，二者的频谱特征一致性较好，与前述时频图（图3）的情况类似，在0.150 Hz 以下的低频段，重力残差数据比地震计求导数据信号强；在0.125—0.250 Hz信号较强，这表明信号受热带气旋影响明显。

图4 2014 年“海鸥”热带气旋影响期间重力残差和测震求导数据波形对比（a）重力仪；（b）地震计Fig.4 The comparison of gravity residuals and derivation data of seismic waveforms during the influence of“Seagull”

图5 “海鸥”热带气旋影响期间重力残差和测震求导数据频谱对比（a）重力仪；（b）地震计Fig.5 The comparison of spectra of gravity residuals and derivation data of seismic waveforms during the influence of“Seagull”

3 结论与讨论

通过比较速度、加速度2 个物理量的方式，对PET 型重力仪、CTS-1EF 型地震计记录的热带气旋信号进行分析，得到以下结论。

（1）无论是比较加速度值（重力残差和测震数据求导）还是速度值（重力残差高通滤波后积分和地震计原始数据），记录到的热带气旋信号波形均具有很好的一致性。

（2）3 个热带气旋的重力残差高通滤波积分数据与地震计原始数据在0.150 Hz 以下低频段的频谱特征有所差异，这主要表现为重力残差高通滤波积分数据在该频段内信号较强，表明重力仪相对于地震计更善于捕捉长周期信号。而在0.150—0.250 Hz 频段，二者信号均较强，这也进一步表明热带气旋信号主频段为0.125—0.250 Hz。

（3）3 个热带气旋对PET 重力仪与CTS-1EF 宽频带地震计所记录的速度值和加速度值均产生明显扰动影响，且PET 重力仪的最大扰动幅度均小于地震计，但差异很小，这可能与2 台仪器墩体位置的细微差异有关。

因此，在对台站PET（gPhone）型重力仪进行数据跟踪分析时，对于一些不明原因的扰动，若不能判断是否受到热带气旋扰动的影响，可结合宽频带地震计数据进行分析，以排除或确认扰动的来源。

已有研究主要侧重于重力仪、地震计记录的地震波形特征。本文结合海南的气候特点，研究了PET 型重力仪和CTS-1EF 型地震计所记录的热带气旋信号特征，所得结果有助于更全面地认识重力仪、地震计观测数据的特性。