毕业论文（设计）文献综述
题 目：台风与地震噪声信号的关联性 学 院： 海洋科学学院 学生姓名： 某某某 专 业： 海洋科学 班 级： A海科 指导教师： 林教授 起止日期： 2099.3.27-2099.4.16
2099年4 月 16日 台风与地震噪声信号的关联性
摘要
在宽频地震仪上观测到地震噪声信号，通过频谱分析，具有共同的呈纺锤状叠加在观测背景信号上的包络线，与背景噪声截然不同。其强弱变化主要与台风的强度变化和气旋中心与观测点的距离变化有关。通过对台风强度，移动路径的分析，人认为陆地台站和OBS观测最强信号的时差由台风和地形等多种共同因素引起的。在比较多个台风的主频范围后得出了台风的卓越周期为3~8s。为地震观测台站对台风进行某些分析预测提供了可能的借鉴。
关键词
地震仪，地震噪声，台风，频谱变化，OBS，卓越周期
引言
天然地震产生的弹性波，尤其是经过深部地壳传播后的低频弹性波，是目前研究深部地球结构构造的主要途径。它携带了大量的深部地壳信息，但也容易受到各种环境噪音的影响。环境噪音是指经由海底传播的，除有效地震波信号之外的各种其他波动。而台风可以直接或间接地作用于海底，引发弹性波。这些弹性波传播距离较远，有些还能被陆地台站接收到，严重干扰了后期对仪器记录数据的处理分析。但这些弹性波的传播速度远远大于台风的移动速度，因此利用地震观测台站对台风进行某些分析预测便成为可能。同时，这些波动经过地层介质的传播，同样携带了部分类似于天然地震的尾噪声信号的信息。这些以前被过滤消除掉的信息完全可以被利用，来分析信号所反映的微弱的地下构造信息。这对于探寻研究地球内部构造的新方法进行了新的探索。
宽频地震观测技术提供了前所未有的丰富的地球物理信号，对其观测中的新信息和未知信息的探索、挖掘是一个正在展开的领域。目前宽频地震观测中的小振幅震颤和低频的微震动越来越受到广泛关注，逐渐成为研究热点。这些多样化的信号中一部分噪声信号是由台风引起。本文将对来自西北太平洋的台风所引起的噪声信号开展分析和研究。
地震噪声概述
在天然地震观测的时候，经常记录到这样的地震噪声信号，它们经常出现在两次地震的间隔期，由非地震因素产生，信号能量远远小于有明确震源时的信号能量，信号的随机性非常强，传统研究通常不认为其中包含任何有效的地下构造信息，或者认为它们是地震仪器能够接收到的噪声为主要成分的地震信号。这类地震信号，有效信号的信噪比非常低(远远低于0.1)，常规地震数据处理方法不能识别出信号中包含的有效信息，通常将其作为噪声成分舍弃掉。这一类信号就是地震噪声。
地震噪声在本质上是一种特殊的地震波，包括两种不同的类型：一是随机性的地震噪声，即产生噪声源的震源位置、震动的传播方向、能量的大小范围等等条件都不明确的情况下，使用地震仪器所接收到的噪声信号;二是确定性的地震噪声，即产生噪声源的震源位置、震动的传播方向、能量的大小范围等属性部分基本己知的前提下，使用地震仪器所接收到的噪声信号。
台风引起的地震噪声
在全球范围内台风在西北太平洋上发生最多，强度也最大。我国南海地区全年几乎每月都有台风发生，其中8—9月最多，平均每年大约有 8—12个达到热带风暴强度以上的热带气旋在南海生成，占西北太平洋总数的1／3，占全球热带风暴的12％。我国地处亚洲东部，西北太平洋西岸，而在西北太平洋生成的热带气旋多取西北或偏西路径移动。因此我国是世界上少数几个受台风影响最严重的国家之一，平均每年因台风引发的各种灾害损失高达数千亿。对于台风频发的南海地区，利用短周期的记录数据来分析台风对地震噪音的影响，无疑是个探索性的尝试。 对于地震噪音与海面风速、风浪三者之间的关系，前人已进行过一些研究并取得了一些建设性的成果，对本文的分析也有着积极的指导意义。研究表明，当风吹过海面时，并不是立即引起地震噪音的变化，而是在一段时间的转换变化传播之后，地震噪音才开始增加。地震噪声的产生涉及到大气/海洋/海床三个阶段的耦合过程：（1）大气风暴的能量转换成短周期海洋波。（2）海浪的非线性相互作用产生了长周期次重力波。（3）通过涉及不规则海底地形的过程耦合次重力波和海床。
综合前人的研究来看，台风对海底地震噪音的影响有直接和间接两种方式：1）台风强烈的大气压强可以直接引起地壳的微小形变而产生在海底传播的低频波动。台风气压越低，引起的低频微小振动（本文简称“微振”）就越强烈，从而增强了地震噪音。2）另外台风也可以间接地作用于海底。波浪之间的相互作用产生的海洋声波可以转换成在海底传播的弹性波，且转换后的弹性波频率是转换前海洋声波频率的两倍。
研究指出，台风引起的地震噪声与台风的强度、运动路径以及它与观测点间的距离等密切相关。各观测台记录的信号强弱除决定于台风的强度外，同时更取决于台风中心进入大陆架后观测站与其之间的空间位置。
地震噪声的频谱特征
在地震计、重力仪、倾斜仪的观测记录中，台风引起的地震噪声的包络线呈纺锤状叠加在观测背景信号上。其强弱变化主要与台风的强度变化和气旋中心与观测点的距离变化有关。我国大陆绝大部分区域内的宽频地震计都能观测到由西太平洋的热带气旋产生的这种地震噪声。
以2006年5月西太平洋的01号强台风珍珠为例。在广州、泰安、高台站均观测到明显的地震噪声（图1）。
图1 台风珍珠所观测的震颤信号
（2006年5月14～18日）
（a） 广州台观测； （b） 泰安台观测； （c） 高台台观测．
以2006年8月西太平洋的06号台风派比安（prapiroon）和08号超级台风桑美（Saomai）为例。在广州（GZH）、成都(CHD)、武汉(WHN)、泰安(TAN)及沈阳(SNY)等台站的宽频地震计都清楚地记录到了其引起的较强地震噪声（图2）。
图2 宽频地震计记录的台风引起的震颤波信号
（2006年8月1～15日）
（a） 广州； （b）成都；（c）武汉； （d）泰安．
以2008年第8号热带风暴“凤凰”为例。在泰安（TAN）台站的JCZ-1地震仪观测到的原信号和高通滤波信号（图3）。
图3 JCZ-1地震仪记录的“凤凰”引起的地震噪声信号
（2008年7月25~31日）
以2008年第12号台风“鹦鹉”为例。在泰安（TAN）台站的JCZ-1地震仪观测到的原信号和高通滤波信号（图4）。
图4 JCZ-1地震仪记录的“鹦鹉”引起的地震噪声信号
（2008年8月18~23日）
信号持续时间基本与热带气旋的生命过程相符，但其中出现强信号的时间大多为2~3天。同时，我们也在重力仪、倾斜仪等仪器中发现相同的变化，且变化基本同步。2008年另外几次较强的14，16 和17 号台风发生期间泰安台均记录到了相似的现象。
下面，我们以台风“珍珠”为例，来分析不同台站观测到的频谱特征是否相同以及频谱的变化。
对不同台站记录到的气旋产生的地震噪声信号（采用强震颤时，1Hz采样率的数据）的频谱特征分析比较发现：地震噪声信号与地震仪观测的背景噪声信号特征（低频部分主频范围： 0.0003~0.007Hz；高频部分主频范围：0.2~0.5Hz）是截然不同的，这一点可以从图5的比较中看出。
图5 地震噪声信号和背景噪声信号的频谱（GZH）
（a）背景噪声信号； （b）地震噪声信号． 不同台站观测到的同一气旋引起的地震噪声信号的频谱特征相似（图6）。
图6 不同台站观测到的台风珍珠的地震噪声频谱比较
（a）广州；（b）武汉；（c）成都；（d）泰安
在气旋整个生命运动的时间过程中，其引起的地震噪声信号频谱特征是有些变化的。以2006年的01号强台风珍珠运动过程中广州台（GZH）所记录的信号为例（图7），对其中5月11日下午、13日晚、14和15日下午、以及信号最强的16日晚、17日早上和下午、地震噪声减弱后18日下午的信号，用相同的数据长度进行频谱分析得到图8。
图7 台风珍珠引起的地震噪声信号（广州，2006年5月11~18日）
图8 台风珍珠产生的地震噪声信号的频谱变化（GZH） （a）5月11日；（b）13日；（c）14日；（d）15日； （e）16日；（f）17日早上；（g）17日下午；（h）18日下午
从图7和图8的对比中可看到地震噪声信号还较弱时，信号的主频一般在0.3Hz左右一定范围内， 而地震噪声强的时候，信号的主频在0.2Hz左右一定范围内。分析表明，在珍珠所产生的噪声在弱—强—弱的整个变化过程中，主要以噪声信号中0.13~0.25Hz这一频段信号的由弱—强—弱的变化最为强势。
陆地台站与OBS观测到的最强噪声的时间差
在分析陆地台站观测到的噪声信号时，将台风“珍珠”运动过程中，气旋的强度变化和广州（GZH）、泰安（TAN）、高台（GTA）等台站地震仪记录的噪声信号进行比较，我们看到在5月15日凌晨珍珠的风速已达到它的最大强度， 这时广州距其中心已不到1000km。但全国的所有台站均是在16日（登陆前一天）才同时记录到强噪声信号。珍珠是5月17日晚减弱为强热带风暴并在中国汕头附近登陆的，它在17日的强度比15日要小，但所引起的噪声最强。也就是说，陆地台站观测到最强信号是在台风达到最大强度且抵达大陆架之后。
而研究指出，台风影响OBS 记录数据比较猛烈的时期一般在台风中心到达观测台站位置前的1~2d。
究其原因，笔者认为在台风生成、发展到消亡的过程中，主要分两个阶段来分析观测噪声的时间差。第一阶段：在外海生成发展过程中，OBS台站与台风中心距离较远时，其接收到的信号主要是由台风引起的风浪（见注）之间的碰撞而产生的声波，传播至OBS台站。由于距离远，接收到的信号弱；台风移动至距离较近时，由于OBS台站靠近台风中心，主要是涌浪（见注），海面比较稳定，没有声波产生。涌浪传播到岛屿、海岸或者浅海海底，发生碰撞，产生声波，传至OBS 台站。而1~2d是涌浪由台风中心传播至岛屿或海岸的时间。因为涌浪能量大，产生的声波丰富，OBS接收到的信号强。第二阶段：台风不断移动，强度增大，并进入浅海，靠近大陆架。台风与大陆架、海底地形相互作用，摩擦产生震颤，被陆地台站接受。此时，台风靠近陆地，两者相互作用强，慢慢损耗台风能量，台风强度降低。但是，台风与陆地台站距离近，加上与陆地的强相互作用，观测到的噪声信号最强。随着台风进入陆地，摩擦能量的消耗，强度进一步降低，相互作用也减弱，以至于陆地台站接受到的信号减弱，直至消失。所以，陆地台站是在台风强度达到最大后才接收到最强信号的。
注：台风产生的海面波动主要可以分为2类：一类是台风中心产生的涌浪；另一类就是主要由台风外围风区产生的风浪。涌浪以2~3倍于台风移动的速度向外传播。分析认为，涌浪具有周期长、波长大等特点，在传播过程中很难在深海区域发生干涉而产生声波。但其能量大，一旦与岛屿、海岸或者浅海海底碰撞，就会产生能量很大且频率丰富的声波，声波以波群的形式可经由水体和海底传播至 OBS 台站；风浪的方向很复杂，波浪之间容易发生碰撞、破碎而产生大量频率较高且丰富的声波，声波经由水体传播到OBS 台站。
台风的卓越周期
金星等利用宽频带速度记录的频域特征研究台风，首次定义了卓越周期。对每个频率成分与相应幅值进行作图可得到傅里叶谱。傅里叶谱能够表明，在原来信号中含有什么样的频率分量以及哪些分量的振幅大，因而来得出信号的成分。如果有的分量振幅特别大，就称这些分量是卓越的，这些分量的频率或周期，就分别称为卓越频率或卓越周期。也就是说，卓越周期指的是引起场地振动最显著的某条或某类波的一个谐波分量的周期，通过波周期分析得到的所占能量最大的周期成分。
卓越周期的变化可以反映台风信号能量的变化。当台风中心位于外海海面时，认为此时卓越周期与台风强度和台风中心移动速度有关；而当台风中心登陆陆地以后地形、气象条件等因素都产生了较大改变，卓越周期受其共同作用的结果。金星研究认为，台风信号卓越周期范围为4~ 8s。
利用2008 年8 月21~22 日台风期间JCZ-1型地震仪的观测数据，对泰安台JCZ-1型甚宽频带地震仪观测资料在0.5 ~12 s 的周期范围内进行滤波处理，得到了不同带宽的信号成分（图9）。初步得到，在3~7s内信号振幅明显加大，8 s 以后纺锤形振幅加大的情况逐渐减弱，因而得出台风的卓越周期在3~7 s 的范围。这个结果与金星得到的4~8s相差无几。
图9 2008年8月21~22日泰安台JCZ-1型甚宽地震仪带宽滤波结果
我们对广州台（GZH）所记录的，2006年西太平洋台风以上级别、运动路径接近中国大陆的共12个热带气旋产生的强噪声信号取相同的数据长度进行频谱分析，结果列入表1。从中可见不同气旋引起的噪声信号的主频不完全相同，但基本都在0.2Hz左右，主要频率范围都在0.13~0.33Hz内，即周期3~8s。这个结果也我们得到的卓越周期相同。同时，我们在对OBS台站观测到的数据进行处理后，显示振幅极值的时间间隔大致在6~8s（主要的时间间隔是 8s）的现象。从中可以看出不管是在海底还是陆地，观测站都能观察到台风的卓越周期。因此，我们可以认为，台风与地震噪声有密切的相关性。
总结
来自西太平洋的热带气旋引起的地震噪声可被我国较大范围的宽频地震观测（地震计、重力仪、倾斜仪等）记录到，噪声信号的包络线一般呈纺锤状叠加在观测背景上，信号出现时间基本与台风的生命过程相符，其中强噪声信号的持续时间大多2~3天，噪声的主要频率范围：0.13~0.33Hz（周期：3~7s）
台风引起的噪声强度主要与气旋的强度、气旋运动路径所经过区域的地质构造、观测点与气旋的距离等因素相关。而噪声信号的强弱变化主要与气旋接近大陆架浅海区的时间、地点以及登陆的过程密切相关。
利用 JCZ-1甚宽频带地震仪，通过滤波处理得到了台风的卓越周期，使我们认识到台风对地震噪声观测的影响特征，从而有助于识别这类前兆仪器记录到的各种物理现象，正确分析台风前兆信息，为灾害预报增添了一种新技术，对以后的实践工作也具有重要的借鉴作用。同时，在对地震台站观察到的信号应用于探寻研究地球内部构造的方法还有待进一步进行了新的探索。
参考文献
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