台风对山东连续重力固体潮观测影响特征分析

郝军丽 张正帅 赵 洋 杜存鹏

（中国济南250014 山东省地震局）

0 引言

重力观测能精确测量地球重力场的微小变化，是研究固体潮和地震前兆的重要手段之一。连续重力观测可监测由外部因素引起的潮汐变化、地壳垂直运动、气压变化、地下水变化、地球自由震荡、地球自转速度变化等现象（江在森等，2013）。相对重力仪可以监测地下垂直运动的信息，在正常的仪器和环境噪声背景下，相对重力数据表现出稳定的时序变化特征。在外部噪声如地震、台风、人为干扰等影响下连续重力仪还会观测到一些连续的高频扰动信号，其中部分信号是与台风有关的高频信号。近年，李杰等（2009）、杨锦玲等（2013）、钟继茂等（2013，2015）对台风对重力潮汐变化的影响进行了研究。李盛等（2018）分析了广西苍梧MS5.4 地震前华南地区连续重力异常，结果表明，台站记录到的震前重力扰动系台风“银河”“妮妲”所致。王梅等（2009）对泰安地震台连续重力仪观测到的固体潮曲线“脉动加粗”“纺锤形”振幅加大现象进行了分析，认为这些异常变化为台风引起的扰动。本文基于山东重力台网连续观测资料，结合气象实况资料对观测资料中提取到的高频信号特征及成因进行研究。

1 重力台站及仪器概况

山东省现有泰安地震台、嘉祥地震台、济南地震台、烟台地震台、郯城地震台等5 个连续重力观测台站，其中，泰安地震台为PET 型重力仪，嘉祥地震台为Gphone 型重力仪，济南地震台、烟台地震台、郯城地震台均为DZW 型重力仪。重力台站概况及仪器参数如表1 所示。受采样率、仪器阻尼等因素的限制，DZW 型重力仪难以捕捉到地脉动高频信息2020 年西北太平洋和南海海域共生成22 个编号热带气旋，其中，泰安地震台PET 型重力仪记录到13 个，嘉祥地震台Gphone 型重力仪记录到12 个，济南地震台、烟台地震台、郯城地震台的DZW 型分钟采样重力仪也捕捉到了高频信号。本研究采用泰安地震台、嘉祥地震台秒采样重力数据，研究台风引起的高频信号特征，并以济南地震台重力数据为例，分析DZW 型分钟采样重力仪记录到的高频信号特征。

表1 山东省连续重力观测台站仪器参数Table 1 Gravimeterparmeters of continuous gravity stations

2 台风对山东重力台站重力观测的影响

2.1 台风“巴威”“美莎克”对山东重力仪观测数据的影响

2020 年西北太平洋和南海海域共生成编号热带气旋22 个，选取对山东连续重力仪观测数据影响较明显的08 号台风“巴威”、09 号台风“美莎克”研究热带气旋对山东连续重力仪观测数据的影响特征。图1 为台风路径图。

图1 台风“巴威”“美莎克”“安比”路径Fig.1 Distribution of Shandong continuous gravity stations andtracksof typhoons Bavi and Maysak and Ampil

2020 年第8 号台风“巴威”于8 月22 日上午在西北太平洋生成，17 时加强为强热带风暴，24 日2 时加强为台风，25 日5 时位于东海北部海面，距中朝边界偏南方约1 220 km，25 日17 时加强为强台风，26 日上午10 时位于黄海南部海面，距中朝交界偏南方约790 km，27 日11 时从朝鲜移入中国辽宁省丹东境内，随后减弱为热带风暴级，14 时移入吉林省境内，17 时在吉林省辽源市东丰县境内减弱为热带低压，20 时停止编号。台风中心最大风速45 m/s，中心最低气压950 hPa，台风中心距泰安地震台666 km，嘉祥地震台732 km，济南地震台706 km。

2020 年第9号台风“美莎 克”于8 月28 日生成，28 日17 时升级为热带风暴，30 日增强为强台风，9 月 1 日23 时升级为超强台风，9 月3 日5 时，降级为台风，当日8 时左右降级为强热带风暴。9 月4 日，台风“美莎克”位于内蒙古自治区呼伦贝尔境内，强度持续减弱，同日17 时许停止编号。“美莎克”台风中心距有高频信号的3 个台站最近的时间段为9 月2 日，与3 个台站间距离分别为泰安1 023.8 km、嘉祥1 083 km、济南1 024 km，台风中心最低气压930 hPa，中心最大风速52 km/s。

2020 年8 月25 日3 时至27 日8 时泰安地震台PET 型重力仪、嘉祥地震台G-phone 型重力仪记录的固体潮原始曲线出现加粗现象［图2（a）、图2（b）］。济南地震台DZW 型重力仪记录的固体潮曲线经小波变换后也可见曲线加粗变化［图2（f）］。泰安地震台重力仪“扰动”振幅约±3.5×10-8m·s-2，嘉祥地震台约±2×10-8m·s-2，济南地震台约±0.5×10-8m·s-2。由图2 可见，3 个台站该时段固体潮曲线经小波一阶变换后高频扰动信号更明显，在台风发展过程中呈“纺锤形”形态，即曲线起初呈平稳状态，23 日凌晨高频扰动信号开始显现，24 日夜间信号增强，26 日晚达到峰值，随后信号幅度逐渐减小，28 日恢复平稳状态。与前述台风的生成、增强、减弱的发展过程相比，重力仪记录到的高频信号呈滞后现象。台风“巴威”中心距出现高频信号的3 个台站最近的时间段为26 日晚23 时左右，这与3 个台站监测到的高频信号峰值时段相对应，26 日10 时至27 日凌晨为台风中心风速最高及中心气压最低的时段，此时段重力仪记录的高频信号逐渐增强并达到峰值。由图2 还可见，从8 月28 日开始，随着台风“巴威”逐渐消弱，固体潮曲线趋于平稳；同时台风“美莎克”生成，从8 月30 日开始，台风“美莎克”由热带风暴升级为强台风和超强台风，固体潮曲线逐渐加粗，高频扰动信号再次加强，至9 月2 日达到峰值，此后随着台风“美莎克”的减弱，高频扰动信号幅度逐渐变小，9 月4 日固体潮曲线回归平稳。一阶小波变换后高频信号呈纺锤状，泰安地震台重力仪记录到的“扰动”振幅约±2×10-8m·s-2，嘉祥地震台约±1.5×10-8m·s-2，济南地震台约±0.3×10-8m·s-2。9 日1—2 日为台风“美莎克”中心风速最高及中心气压最低的时段，此时段重力仪记录的高频信号逐渐增强，台风“美莎克”中心距出现高频信号的3 个台站最近的时间段为9 月2 日23 时左右，这与3 个台站监测到的高频信号峰值时段相对应。济南地震台、烟台地震台、郯城地震台DZW 型重力仪经过小波变换后也可以显示出曲线的高频扰动现象。由图2 可见，济南地震台由于仪器采样率等原因，分钟值采样的重力曲线扰动信号幅度明显小于秒采样重力数据捕捉到的高频扰动信号。

图2 台风“巴威”“美莎克”期间山东重力台站重力观测原始曲线及小波变换曲线（a）、（b）、（c）原始曲线；（d）、（e）、（f）小波变换曲线Fig.2 Original and wavelet transform data of gravity tide in Shandong during Bavi and Maysak period

图3、图4 为台风“巴威”“美莎克”风速、气压及台风中心与重力台站间距离。由图2、3、4 可见，随着台风中心与台站间距离的缩短以及台风中心风速的增强，重力仪的高频扰动出现逐渐增强现象，即重力固体潮高频扰动信号显示台风中心与台站间的距离成负相关，与台风中心气压、风速成正相关的变化规律。“巴威”台风中心距台站较“美莎克”近，但强度略低于“美莎克”。台风“巴威”造成的固体潮扰动信号幅度大于台风“美莎克”，这说明在2 次台风期间台风中心与台站间的距离对干扰信号的强弱起决定作用。

图3 台风“巴威”气压、风速及台风中心与台站间的距离Fig.3 Pressure,speed of typhoon Bavi and distance between Bavicentre and gravity station

图4 台风“美莎克”气压、风速及台风中心与台站间的距离Fig.4 Pressure,speed of typhoon Maysak and distance between Maysakcentre and gravity station

2.2 台风“安比”对泰安地震台重力仪的影响

台风“安比”于2018 年7 月17 日在西太平洋生成，18 日20 时升级为热带风暴，20 日8 时升级为强热带风暴，22 日12 时20 分在上海市崇明岛沿海登陆，18 时降为热带风暴，23 日11 时进入山东，然后北上经过河北、天津，7 月25 日停止编号。台风路径见图1。台风中心最大风速28 m/s，中心最低气压980 hPa，台风穿过山东腹地，与泰安地震台间最近距离71.2 km。台风“安比”属于热带风暴级台风，风力与强度均小于2020 年台风“巴威”“美莎克”。泰安地震台秒采样重力仪和济南地震台分钟采样重力仪均记录到该信号，选取记录到更明显干扰信号的泰安地震台PET 型重力仪秒采样数据进行分析。

图5 为台风“安比”期间泰安地震台重力观测原始曲线及小波变换曲线。由图5 可见，台风期间泰安地震台重力固体潮观测原始曲线出现加粗现象，一阶小波变换后高频干扰信号呈纺锤形，与台风“巴威”“美莎克”期间的干扰信号形状类似。由台风“安比”气压、风速及台风中心与台站间的距离可见（图6），2018 年7 月21 日17 时至22 日16 时台风中心气压最低，风速最高，21 日18 时左右固体潮观测曲线出现干扰信号并于22 日开始有明显增强现象，23 日台风进入山东后重力固体潮观测干扰信号强度逐渐达到峰值，随着台风中心远离，24 日后干扰信号开始减弱，25 日固体潮观测曲线逐渐恢复平稳。泰安地震台重力固体潮测值受台风“安比”干扰的过程仍呈现与距离及台风中心气压成负相关、与台风中心风速成正相关的规律。此次台风干扰过程中，干扰信号峰值滞后于台风中心气压、风速的极值，与距离间有较高的相关度。

图5 台风“安比”期间泰安地震台重力固体潮观测原始曲线（a）及小波变换曲线（b）Fig.5 Original and wavelet transform data of gravitytide in Shandong duringAmpilperiod

图6 台风“安比”气压、风速及台风中心与台站间的距离Fig.6 Pressure,speed of typhoon Ampil and distance betweenAmpilcentre and gravity station

3 谱分析

对台风“巴威”“美莎克”期间泰安地震台、嘉祥地震台的重力资料进行高通滤波（汉宁窗，窗口长21，步长为5），滤除长周期重力固体潮成分，然后进行傅里叶变换（陈益惠等，1988；戴勇等，2012；杨锦玲等，2013），结果见图7。表2 为2 个台站台风期间每天振幅谱峰值及其对应的频率。由图1、7 可见台风对重力的扰动影响，且振幅谱的变化过程与台风生成、发展、远离的过程相符。从振幅上来看，2 个台站的谱值变化趋势一致。由图3（a）、5（a）、6（a）中台风中心与台站间的距离可见，台风中心与台站间的距离越小，振幅谱幅值越大，在相距最近时达到峰值，随着台风逐渐远离，幅值逐渐变小，直至恢复正常水平。2 个台站的振幅谱幅值在2020 年8 月26 日、9 月2 日及2018 年7 月23 日前后变化较剧烈。从频率上看，随着台风来临，振幅谱峰值频率从0.26 Hz、0.32 Hz 减小至0.20 Hz、0.23 Hz，当台风逐渐远离后，峰值对应的频率又不断增大直至恢复正常。脉动的幅度和频率都反映出台风中心从生成到不断向台站靠近、风速增强、气压降低的过程。

图7 台风“巴威”、“美莎克”期间泰安地震台、嘉祥地震台滤波后重力振幅谱（a）泰安台（8 月24—28 日）；（b）嘉祥台（8 月24—28 日）；（c）泰安台（8 月31 日至9 月4 日）；（d）嘉祥台（8 月31 日至9 月4 日）Fig.7 Gravity amplitude spectrum of Taian and Jiaxiang stations during Bavi andMaysakperiods

表2 振幅峰值对应的频率Table 2 Frequency corresponds to themaximum amplitude

对比台风“巴威”“美莎克”期间泰安地震台、嘉祥地震台重力固体潮频谱图（图7）可见，二者频率分布基本一致，但在整个台风期间泰安地震台谱值幅度相对较大，结合图3 可见，2020 年8 月26—27 日台风风速最大，气压最低，同时段台风中心距泰安地震台较近，距嘉祥地震台较远，可见台风中心位置距台站越近，对重力的扰动越明显。由表2 可见，台风“巴威”“美莎克”引起的脉动频率为0.20—0.25 Hz，对应卓越周期为4—5 s，与由采样率同为秒采样的宽频带地震仪得到的台风卓越周期4—8 s 较一致。

4 时频分析

对台风“巴威”“美莎克”期间泰安地震台、嘉祥地震台的重力观测数据进行插值、去趋势处理，然后利用小波变换进行滤波，去除背景噪声，将台风造成的重力观测异常信号提取出来，图8 为泰安地震台、嘉祥地震台重力观测信号小波时频图。由图8 可见，高频信号区域、强度相关度都较高，故高频信号来源一致，为重力固体潮受台风干扰的信号。台风造成的重力信号相对频率较高，而2 个台站重力观测信号强度不一致，由图3、图4可见，该现象与台站同台风中心间的距离差异有关。以台风“巴威”期间泰安地震台重力小波时频图[图8（a）]为例，2020 年8 月24 日开始出现高频信号，频率0.2—0.3 Hz，25日信号逐渐增强，至26—27日，信号强度达到峰值，频率0.125—0.500 Hz。信号的出现、逐渐增强、减弱的过程与台风发生、发展过程及台风中心与台站间的距离、气压、风速等均有较大相关性。由时频分析、差分分析、傅里叶变换所得结论相同。

图8 台风“巴威”“美莎克”期间重力固体潮观测小波时频图Fig.8 Wavelet time-frequency diagram of gravity tide in Shandong station during Bavi and Maysak

由图8（a）、8（c）可见，高频信号能量主要分布在2—8 s，其中，4 s—5 s 信号能量最集中且信号最强。胡小刚等（2010）研究认为，优势频率为0.20—0.25 Hz 的信号主要与台风有关，这与本文研究结果相符。图8（b）为台风“巴威”“美莎克”期间泰安地震台PET型重力仪及嘉祥地震台Gphone型重力仪固体潮观测0.001—0.100 Hz时频图。由图8（b）可见，在此频率范围内也有能量分布，优势成分主要为0.001—0.050 Hz，且信号出现时间、强度与0.20—0.25 Hz 的台风信号吻合，3 次台风过程中泰安地震台、嘉祥地震台重力固体潮观测时频图在此频率范围内都出现了此类信号，故认为此频段信号仍可能主要受台风干扰。

5 结束语

以泰安地震台、嘉祥地震台、济南地震台为例，对重力固体潮观测分钟值进行小波变换处理，提取了重力仪记录的高频信息；并通过傅里叶变换和小波时频分析分别对泰安地震地震台、嘉祥地震台的重力仪观测值进行了谱分析和时频分析，得出台风对山东连续重力固体潮观测的影响特征如下。

（1）台风强度、路径及台风中心位置、风速、气压等与重力固体潮测值的变化密切相关。台风中心距台站越近，风速越大，气压越低，重力固体潮的扰动也越明显。

（2）3 次台风引起的重力固体潮扰动主要频率范围为0.20—0.25 Hz，对应的卓越周期为4 —5 s。

（3）台风“巴威”“美莎克”期间泰安地震台PET 型重力仪、嘉祥地震台Gphone 型重力仪固体潮观测在0.001—0.100 Hz 内均有能量分布，主要分布在0.001—0.050 Hz，高频信号出现时间、强度与频率为0.20—0.25 Hz 的台风信号吻合，且3 次台风过程中泰安地震台、嘉祥地震台重力固体潮观测时频图在此频率范围内都出现了此类信号。认为此频段信号仍可能主要受台风干扰。