在利用VP型垂直摆倾斜仪观测地倾斜变化的过程中，往往会受到一些外界因素的影响，如气温、湿度、气压、降雨等，使得观测资料出现幅度不等的异常变化^[1]。在云县地震台VP型垂直摆倾斜仪观测数据的日、月和年变曲线中，经常可以发现一些突变现象，这些突变是地震前兆异常还是仪器故障，或是环境干扰，值得进一步探讨。云县台地处中国南方，雨季长、雨量多，台址基岩是风化、破碎的花岗岩，降雨渗透较充分，VP型垂直摆倾斜仪易受降雨干扰。在地震预报实践和短临跟踪工作中，客观分析观测资料的各种干扰因素，识别出降雨干扰的信息，弄清干扰发生的原因及其规律，才能提取较为可靠的前兆异常信息。

本文选取2013~2016年云县台VP型垂直摆倾斜仪观测资料、观测日志和降雨量资料进行分析，总结降雨对倾斜观测的干扰规律和特征，利用一元线性回归方法对降雨引起的变化扰动进行剔除，提高VP型垂直摆倾斜仪观测资料的可信度和可用度。

1 形变观测概况

云县台地处云南省西南部，主要受北北东向南汀河断裂控制，西部是龙陵-腾冲地震带，南部是耿马-澜沧地震带，东南部是思茅-普洱地震带，东北部是景东-景谷地震活跃区，整个台站位于地震多发区的汇聚位置，受多重应力的作用，台站及周边地区的介质性质、地质构造和动力特征十分复杂，具备中强地震孕育的环境条件。

形变观测山洞所在山体为破碎花岗岩，山洞全长230 m，仪器洞室进深140 m，覆盖层平均厚度大于40 m，山洞引洞设隔离塑料门4道、船舱门3道，以减小空气流动，保持恒温。仪器洞室温度约23.5 ℃，洞温日变幅小于0.002 ℃，年变幅小于0.1 ℃，相对湿度在90%左右。VP型垂直摆倾斜仪于2012-06安装试运行，置于形变山洞深130 m处，有NS、EW两个分向，实现了数字化采集，通过电脑控制实行标定和调零。考虑到仪器在试运行期的不稳定性，本文选取资料的时间从2013年开始。

2 降雨与VP型垂直摆观测的关系 2.1 研究思路与资料选取

在VP型垂直摆倾斜仪观测中，降雨是最明显的干扰因素。因云县台山洞覆盖层厚度在40~70 m之间，覆盖层较厚，当降雨量小于15 mm时，对比降雨曲线和垂直摆倾斜仪观测曲线发现，降雨对垂直摆倾斜仪观测曲线基本无影响，因降雨量小于15 mm的降雨样本数量较多，本文筛选并给出部分具有代表性的图例(表 1、图 1)，这可能是由于雨水在地表易分流、易被干燥松软的地下介质吸收、易蒸发等，渗透到覆盖层深处和基岩的雨水较少，不足以改变地下介质的密度并导致局部区域的倾斜变形。本文采用1 d或连续几天降雨量大于15 mm、能补给地下水的大气降水时间段为研究样本，根据降雨累积值，寻求VP型垂直摆倾斜仪观测资料与降雨量之间的相关性及其变化特征和规律。根据降雨持续时间和降雨量的不同，降雨可划分为孤立型降雨和连发型降雨，将降雨持续时间小于等于3 d且连续降雨量达到15 mm及以上的降雨定义为孤立型降雨，降雨持续时间大于3 d无间断的连续降雨量达到15 mm及以上的降雨定义为连发型降雨^[3]。

此次降雨分析以云县台WYY-1型(气压、气温、降雨等)综合测量仪采集的降雨整点值为原始资料，计算日降雨量。在2013~2016年期间，共有51次日降雨量大于15 mm的降雨事件，其中孤立型降雨27次，连发型降雨24次。在以云县台VP型垂直摆倾斜仪两分向观测值和日降雨量作一元线性回归分析时，为了减少随机因素和年周期带来的影响，对观测数据进行5 d均值处理，以5 d降雨量均值为自变量，垂直摆倾斜仪两分向观测数据的5 d均值为因变量。

2.2 降雨对垂直摆观测年变干扰分析

根据云县台垂直摆倾斜仪观测资料，通过分析2013~2016年的NS、EW分量日均值曲线(图 2(a)、(b))可以看出，垂直倾斜仪两分量年变曲线形态基本呈正、余弦型，NS、EW向分别在每年5~6月北倾、西倾达到最大值后变化趋势逐渐发生向南倾、东倾转折，且倾斜速率逐渐增大，到9~10月两分量倾斜速率逐渐减小，曲线由陡变缓，向南、向东倾斜结束，曲线变化趋势再次发生转折，恢复到年初的倾斜速率水平。对比分析垂直摆两分量年变曲线与降雨累积值曲线发现(图 2(c))，垂直摆两分量倾斜变化趋势的转折与降雨量的变化趋势在时间上呈现出很好的同步性，NS分量受降雨影响相对更大(表 2)，两者呈负相关，降雨后主要表现为向南倾斜; EW分量曲线形态与降雨量曲线相似，呈正相关，降雨后主要表现为向东倾斜。

2.3 降雨对垂直摆倾斜日变化干扰特征分析

为进一步总结降雨对垂直摆倾斜观测影响的特征和规律，定量分析降雨量与倾斜量的关系，选择降雨和观测原始数据的日均值，得到日降雨量大于15 mm的样本共有51次，其中孤立型降雨27次，连发型降雨24次。由于每一次降雨影响的持续时间不长，具有同步性、延迟性、持续性和突发性等特点，在同轴坐标系下对降雨量和倾斜量的关系进行分析，数据采用整点值，更能反映出降雨对垂直摆倾斜观测的影响特征规律(表 3和图 3)。

由表 3可知，无变化和变化不明显的有18个，较为明显变化的有33个，占比分别为35%和65%，其中24次连发型降雨中有17次降雨反应，占比为71%;27次孤立型降雨中有15次发生明显畸变，占比为56%。由此得到，大部分连发型降雨可以对云县台垂直摆倾斜观测造成干扰，孤立型降雨也有一半以上的数量影响倾斜观测曲线的变化。由表 3统计发现：

1) 春、冬季节降雨较少，当降雨量达到15 mm驱动值时，固体潮的畸变与降雨会有很强的相关性，变化在时间上与降雨基本同步。

2) 在夏、秋季节降雨较多，一般6月开始进入雨季，2016-04开始连续降雨(提前两个月)。在雨季初期，降雨量达到某一临界值时，降雨对倾斜观测曲线具有明显影响; 当降雨持续一段时间后，到雨季中期降雨量达到另一定值时，后续的降雨对倾斜观测的影响作用逐渐弱化，曲线趋于稳定，没有突变现象; 到了雨季末期，降雨逐渐变少，两次降雨之间的时间间隔变长，该期间的降雨对观测曲线又逐渐产生影响。

3) 两分量观测曲线对降雨的反映在时间上和形态上基本一致，当初始降雨量较少、降雨持续一段时间时，降雨对观测曲线的影响有延迟现象，并且影响效应不会马上减弱, 降水结束后还会持续一段时间。

4) 观测趋势变化特征主要表现为倾向转折、速率变化、幅度改变等。

由图 3可知，云县台垂直摆倾斜仪对当地降雨反应敏感，降雨导致观测曲线畸变的形态特征主要有4种类型：

延迟转折型:当孤立型或连发型降雨量达到15 mm以上时，在降雨时间段内，垂直摆观测曲线没有立即出现明显的变化，而是在降雨后的数h或数d后，观测曲线逐渐出现平缓转折。这种情形一般发生在间隔降水期间，即前后均有降水发生。如图 3(j)所示，2016-06-07~06-14持续降雨8 d，日降雨量分别为1.5 mm、6.3 mm、6.2 mm、14.3 mm、10.1 mm、71.7 mm、1.1 mm、1.6 mm，总降雨量110.1 mm，随着降雨量的逐渐增加，两分量的倾斜曲线由陡变缓，在连续降雨的前期倾斜方向没有立即发生转折变化，直到9日倾斜方向才开始出现缓慢转折，NS向由北倾转为南倾，EW向由西倾转为东倾，整体表现为向东南倾斜，在12日当天经过连续8 h的降雨，日降雨量达71.7 mm，转折后倾斜速率突然加速。这种情形可能是由于有多次降雨发生，降雨逐渐由地表渗透到覆盖层，再到山洞基岩，降雨对山体荷载变化的影响随着雨量的增大表现出由弱变强的现象，导致观测曲线出现缓慢延迟转折的变化。

延迟速率变化型：在降雨时间段内未发生明显的扰动现象，而是在降雨后的数h或1~3 d后，观测曲线倾斜速率突然增大，这种情形一般是在雨季初期，两个以上孤立型的降雨，或者是初始降雨量不大、但持续时间长的连发型降雨。如图 3(e)所示，2014-06-17~06-20连续降雨，最大降雨量发生在19日，持续4 d的总降雨量为45.2 mm，但在降雨期间，两分量曲线没有明显畸变，趋势、幅度和速率保持与降雨前一致，但在降雨持续时间段内到20日曲线倾斜速率逐渐发生改变，其中NS向向南倾斜速率减小，EW向向东倾斜速率也减小，图 3(f)也属于延迟速率变化型。

同步转折型：在降雨时间段内曲线倾斜方向发生转折改变，这种情形一般是突然的孤立型强降雨，或者是雨季中期连发型降雨，会使倾斜方向与降雨发生同步转折现象。如图 3(g)所示，2015-01-08~01-11出现连续强降雨天气，降雨量达92.1 mm，强降雨发生后NS分量急速南倾，变化幅度39.4 ms，东西分量急速东倾，变化幅度49.0 ms，变化幅度达到正常变化的2倍以上，01-08 14:00~01-11 00:00降雨最为集中，连续降雨时间达33 h，降雨量达76 mm，两分量的变化幅度达到正常变化的3倍以上，表现出降雨对地倾斜观测曲线转折影响的同步性。这期间垂直摆倾斜仪器运行正常，可以确定此时间段内的干扰因素为降雨。

同步加速型：在降雨时短时间段内曲线速率出现急剧变化，这种情形一般是在初始降雨量非常大的情况下突然发生。如图 3(k)所示，2016-10-09垂直摆在短短数h内发生急剧变化状态，在降雨量19.1 mm的影响下，NS向于数h内曲线发生南倾，变化量达到10 ms左右，EW向发生东倾，变化量达到36 ms左右，加速倾斜过程整整持续了18 h。图 3(l)也属于同步加速型。

3 去除降雨干扰

云县台VP型垂直摆倾斜仪观测曲线受降雨影响明显，在年变曲线上表现为NS向与降雨量呈负相关，EW向呈正相关(图 3)。降雨量的多少、持续时间和降雨类型影响观测曲线的变化幅度和形态。可以利用一元线性回归方法分析降雨对垂直摆倾斜仪观测值的影响，从而剔除降雨干扰^[1]。

对云县台2013~2016年垂直摆倾斜仪两分量进行数据预处理，去掉仪器故障引起的台阶、突跳、畸变等信息，获得完整可靠的观测数据序列。对降雨量数据提取5 d均值，以降雨累积量5 d均值为自变量，NS、EW向的5 d均值为因变量，作一元线性回归分析。由NS、EW两分量观测值与一元线性回归之差(残差)可以看出(图 4)，去除降雨扰动信息后，固体潮曲线形态发生明显变化，看到原始曲线所没有的高频畸变现象。将2013~2016年发生在云县周边的3次M_S5.0以上地震标注在残差图上发现，在地震前NS、EW一元线性回归残差值曲线均有幅度大小不等的异常信息，NS向异常信息形态表现为突跳、毛刺等畸变现象，EW向异常信息则为急剧转折。

4 结语

当日降雨量达到15 mm以上，降雨会对云县台垂直摆形变观测产生影响，扰动响应覆盖了与地震有关的前兆异常信息，可以利用一元线性回归方法分析降雨对垂直摆倾斜仪观测值的影响，从而剔除降雨干扰。

1) 在年变曲线中，NS分量与降雨呈负相关，表现为向南倾，EW分量曲线形态与降雨累积值曲线相似，呈正相关，表现为向东倾，且NS分量受降雨干扰影响的程度比EW分量大。

2) 在日变曲线中，降雨对观测曲线形态的影响特征有延迟转折型、延迟速率变化型、同步转折型、同步加速型4种类型。在雨季初期和末期，降雨对垂直摆观测曲线干扰影响较明显，在雨季中期，降雨对倾斜观测的干扰弱化，倾斜量趋于稳定，降雨影响的驱动降雨量值为15~20 mm。

3) 2014~2015年在云县台周边200 km范围内发生的3次M_S5.0以上地震前，倾斜仪两分量观测数据的一元线性回归残差曲线均存在明显的中短临异常，其特征表现为高频突跳、毛刺、趋势转折等畸变现象。