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福建省重力台网对米娜台风激发的微震信号源定位.docx
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福建省重力台网对米娜台风激发的微震信号源定位.docx
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每年夏、秋季,中国东南沿海会受到台风侵袭,不仅影响人民的正常生活、工作和生
产,还会造成巨大的经济损失。目前台风研究与数值预报已取得了长足的进步,但依然无
法满足防灾减灾的切实需求
[1]
。提前在海洋上进行大面积的监测仪器布设,开展台风激发
信号的定位定向工作,会因极端天气影响仪器正常工作
[2]
;利用卫星遥感技术进行台风定
位,会因台风时段的强降雨导致回波信号严重偏离
[3]
。随着陆基地震台空间分辨率的提
高,出现了归一化噪声能量流(normalized background energy flux,NBEF)方法
[4]
、频率-
波数分析法
[5]
、频率域聚束法
[6-7]
等台风激发信号的源区定位定向方法,还开始利用地震背
景噪声能量辐射模型(Ardhuin seismic spectra model,ASSM)模拟源区激发微震信号
[8]
,
已有文献证明了微震信号中存在 Rayleigh 波
[9-10]
和 P 波
[7]
成分。上述基于陆基台站利用地
震学方法进行台风激发信号的研究是对传统方法的补充,有助于提高台风监测能力。
近年来,重力测量技术除了用于地下物质运移的探测
[11]
以及地球的长周期潮汐信号的
观测
[12]
外,还用于分析重力数据高频成分中蕴含和地震震源有关的震前地球物理信号
[13-
14]
。然而,台风激发信号的干扰导致这些信号的识别和判定存在疑问
[15]
。因此,直接利用
重力观测技术进行台风激发信号的定向和定位工作,有助于区分震前与震源有关信号和台
风激发信号的差异,这将会极大促进地震震前异常信号的深入认识。
2008 年以来,中国地震局陆续引入美国基于零长弹簧技术研制的 1 Hz 采样的
gPhone 重力仪进行地震预测研究。虽然目前配备这些仪器的重力站采样率不及地震计,
空间分辨率较低,然而 1 Hz 数据中不仅存在台风激发的微震信号
[16]
,而且高密度 gPhone
重力仪组成的重力台网数据可利用扰动源扫描算法(source scanning algorithm,SSA)区分
大地震前的异常信号和台风激发信号
[14]
。这为进一步补充和印证传统方法的研究成果,发
现和发展新的台风监测数据和方法,提高该型重力仪对微震信号源的定向和定位能力提供
了新的数据和方法。
本文利用中国福建省及其相邻省份的 gPhone 重力仪 1 Hz 采样重力固体潮观测数
据,采用地震 P 波震相校时
[17]
、重力台网噪声互相关函数(noise cross-correlation
function,NCF)的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)筛选
[4]
和 NBEF 法估计信号源方位
[5]
,利用 NCF 矩阵的 Rayleigh 波互相关信号走时对 2019-09-28—2019-10-02 的台风米娜
(MITAG)运动轨迹进行定位定向的研究。将结果分别与中国气象台实际台风路径和 ASSM
正演的微震垂直位移空间分布特征进行比较,讨论 SNR 和高速互相关信号对定位结果的
影响,分析总结福建省重力台网对台风的追踪能力。本文研究可为基于重力观测数据的台
风定位和定向提供一类新的数据和方法。
1. 研究数据
本文选取 2019 年第 18 号台风 MITAG 为研究对象,以中央气象台台风网台风路径实
时发布系统公布的台风最佳路径数据为参考轨迹(http://typhoon.nmc.cn/web.html),数据时
间间隔为 1 h。MITAG 起源于关岛东部海域,在北京时间 2019-09-28 8 时成长为热带风
暴,29 日 13 时在菲律宾以东洋面发展成为强热带风暴,29 日 16 时强热带风暴绕过菲律
宾向中国台湾岛推进过程中成长为台风,30 日 8 时台风转为北上,逐渐靠近中国大陆,10
月 2 日 3 时台风中心到达浙江省舟山群岛附近后,开始转向东北并开始减弱为强热带风暴
和热带风暴。台风 MITAG 轨迹与重力台网空间分布如图 1 所示。MITAG 在其生命周期内
穿越开阔的菲律宾海和中国东海,纬度跨度超过 20°,经度跨度超过 10°,为利用中国大陆
东部沿海的 gPhone 重力仪捕捉其激发的微震信号能力测试提供了良好的试验样本。
图 1 台风米娜轨迹与重力台网空间分布
Figure 1. Path of Typhoon MITAG and Spatial Distribution of Gravity Network
下载: 全尺寸图片 幻灯片
本文收集的重力观测数据是在 MITAG 台风时段(2019-09-28—2019-10-02),由福建
省地震局和中国大陆构造环境监测网络工程安装的 7 套 1 Hz 采样 gPhone 重力仪采集的
重力固体潮观测数据。图 2 为台风时段内各重力站时频分析以及台风距和微震垂直位移时
间序列。这些重力仪在 MITAG 生命周期中观测正常,在台风中心靠近中国大陆过程中记
录到台风激发的微震增强能量,在功率谱密度增大变化前,北京时间 2019-09-29T10:
02:49 发生了棉老 Ms 6.2 地震(http://www.ceic.ac.cn/history)。
图 2 台风时段重力站时频分析以及台风距和微震垂直位移时间序列
Figure 2. Time-Frequency Analysis, Distance from Hurricane Center to Gravity Station,
and Microseisms Vertical Displacement During Typhoon MITAG
下载: 全尺寸图片 幻灯片
此外,为了模拟台风掀起海浪激发的微震信号能量影响,本文收集法国海洋开发研究
院(French Research Institute for the Exploitation of the Sea,IFREMER)采用美国国家环
境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)开发的第三代海浪模
式 WAVEWATCH-III 计算并发布的 ASSM,它包括 2 个等效压力谱数据模型,分别是考虑
海浪相互干涉影响的 REF 模型和考虑直接入射影响的 NOREF 模型,模型网格分辨率为
0.5°×0.5°,频率范围为 0.07~0.55 Hz,上述模型数据可以从 IFREMER 数据库下载
(ftp://ftp.ifremer.fr/ifremer/ww3/HINDCAST/SISMO/)。
2. 原理和方法
2.1 定位原理
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