2001年11月9—13日，中国西北的内陆台站记录到了一个持续约两天的低频震动波信号，由于这一地区在2001年11月14日发生了一个8.0级的强地震，而这个低频信号出现在强震发生前48 h，因此最初曾被猜测为是地震前的慢地震，或是与地震有关(杨又陵等, 2003).后来的分析研究发现它与自北冰洋从挪威和瑞典北部进入欧洲大陆的气旋风暴有关(张雁滨等, 2013)，由于震动波信号的特征与来自太平洋的气旋引发的震动信号特征有所不同，由此引起了我们对来自这一地区的气旋与欧亚大陆地震观测中的低频信号之间关系的关注.秋冬季节，来自中高纬度及极地地区形成的气旋(锋面气旋)是影响欧亚大陆的重要天气系统，它由冷暖气团相遇而形成，气旋中心的气压低于四周，直径可达数千公里.这类气旋主要产生于北大西洋及格陵兰和冰岛一带，向东南前行并作旋转运动进入欧亚大陆(Wikipedia, Extratropical cyclone, http://en.wikipedia.org/wiki/Extratropical_cyclone).对分布在欧亚大陆的全球地震台网(GSN)及中国地震台网CENC)部分地震台观测数据的分析发现(分布见图 1)，其影响范围非常大，几乎整个欧亚大陆上的地震仪都能清楚记录到由此引发的震动.本文主要采用信号分析方法，并通过与美国国家与海洋大气局(NOAA)提供的气象资料(国家环境预报中心(NCEP)和大气研究中心(NCAP)的再分析资料)进行比较分析，对欧亚大陆地震观测中由来自北欧的低压气旋风暴在运动过程中所引发的震动波信号进行了细节分析，讨论了不同震动信号变化与气旋的运动过程、气旋经过的地形地貌的关系，以及信号的产生机理.

图 1

Fig. 1

图 1 欧亚大陆地震观测台站的分布示意图(★：台站) Fig. 1 Schematic map showing distribution of seismic stations in Eurasia

常见的欧洲气旋风暴的运动区域为来自大西洋从西欧进入欧亚大陆，以及从高纬度地区北欧的斯堪的纳维亚半岛进入欧亚大陆.首先以2010年2月袭击了西班牙和葡萄牙并影响西欧多国的强风暴“辛加”为例，该风暴是近些年来西欧较强风暴，登陆前，气旋在大西洋东部徘徊多时(参见图 2中所示椭圆型的低气压值区，图像来自Physical Sciences Division, NOAA-ESRL(Visualize NCEP Reanalysis Surface Level Data))，大陆上的地震台记录到了由此引发的持续震动(例图 3)，其持续时间、强度变化特点，都与气旋的发展变化过程关联，并且三分量的观测一致，信号主频范围在0.12~0.25 Hz(4~8 s).这些特点与其它海域的海洋气旋引发的震动信号特点一致(Bromirski, 2001；张雁滨等，2010).如同来自西太平洋的热带气旋引发的信号难以被位于欧洲的地震台观测到一样，来自大西洋中低纬度的气旋所引发的信号也难在亚洲东部的地震观测中出现，即：来自西太平洋和大西洋中低纬度地区的气旋引发的震动信号难以穿越整个欧亚大陆.

图 2

Fig. 2

图 2 2010年2月25日18h, 海平面气压(单位：帕) Fig. 2 Sea-level pressure (Pa), 18 h 25 February 2010

图 3

Fig. 3

图 3 4~8 s信号例图(2010年2月25—3月2日，单位：const, t/d) (a) KONO台；(b) OBN台；(c) KIEV台. Fig. 3 Examples of 4~8 s signals at three stations (25 February—2 March 2010, Unit: const, t/d)

而在欧亚大陆北部的高纬度地区，来自北极圈的冷空气与暖气团相遇而形成的强低压气旋从北冰洋进入欧洲大陆，可深入欧亚大陆向东持续发展运动.由于气旋风暴形成的条件以及地理地形条件等都与来自其它地区的有所不同，所以引发的信号特点也有差别.以2001年11月发生在这一地区的强低压气旋为例：2001年11月9日—13日，在北大西洋北部及北冰洋有强烈的大范围低压气旋活动.11月10日由从挪威海接近欧洲大陆(参见图 4中所示椭圆型的低气压值区，图像来自Physical Sciences Division, NOAA-ESRL (Visualize NCEP Reanalysis Surface Level Data)).整个欧亚大陆地震观测表明在这一时间段内，从欧洲西部到亚洲大陆中国东南部的沿海、俄罗斯的远东；从北欧到南亚；几乎所有欧亚大陆的地震仪，无论垂直分量还是水平分量，都一致地记录到一个与此相关，持续约两天的震动波信号(图 5)，说明来自北冰洋及北欧高纬度地区的强低压气旋引发的震动波信号几乎能穿行整个欧亚大陆.而且对信号的频谱分析显示，其频率更低(主频0.08~0.12 Hz).

图 4

Fig. 4

图 4 2001年11月11日0 h海平面气压(单位：帕) Fig. 4 Sea-level pressure (Pa), 0 h 11 November 2001

图 5

Fig. 5

图 5 欧亚大陆不同台站的观测信号图例(2001年11月10日—13日，单位：const, t/d) Fig. 5 Examples of signals observed at stations in Eurasia (10—13 November 2001, Unit: const, t/d)

采用各台站观测中1Hz采样的数据，首先以db小波分析方法对该震动信号的分解后发现，这个震动信号主要分布在分层后细节部分的d2和d3层中(即周期为4~8 s及8~16 s范围，例图 6)，进一步的细致分析发现，这个震动信号主要由两部分构成，一个是主频为0.15~0.25 Hz (周期约4~7 s)；而另一个的主频为0.08~0.12 Hz(周期约8~12 s)，气旋引发的震动主要由这两信号叠加而成(例图 7)，它们的变化是不同的，其中8~12 s的信号是面波信号(波速约3 km·s^-1)，这个信号在整个欧亚大陆不同台站、不同分量的观测中都表现非常一致.对2006年及2007年秋冬季节这一地区发生的多个气旋风暴的观测信号分析，也得到相同的结论，只是气旋运动地点不同，这两信号的主周期略有差别，如：3~6 s与7~10 s.

图 6

Fig. 6

图 6 观测信号与db小波分析的细节部分的d1、d2、d3层结果对比(2001年11月10日—13日，单位：const, t/d) (a) GRFO台；(b) RU台；(c) AAK台. Fig. 6 Details of db wavelet decomposition (10—13 November 2001, Unit: const, t/d)

图 7

Fig. 7

图 7 不同台站观测信号中4~7 s和8~12 s滤波结果的对比图(2001年11月10日—13日，单位：const, t/d) (a) AAK台；(b) ARU台；(c) KONO台；(d) GRFO台；(e) OBN台；(f) KIV台. Fig. 7 Comparison of filtered 4~7 s and 8~12 s signals from varied stations (10—13, November 2001, Unit:const, t/d)

从图 7可见，4~7 s，8~12 s这两部分信号的变化并不相同，将其与2001年11月海平面气压变化图(Physical Sciences Division, NOAA-ESRL提供)的对比分析发现：气旋在远海区域运动时，首先是大陆观测中4~7 s的信号开始变强，当气旋中心接近大陆近海区时8~12 s周期的强面波信号才出现，而且几乎整个欧亚大陆各地震台站的不同分量观测中都记录到了这个变化非常一致的信号.气旋中心进入大陆后，8~12 s周期的信号快速衰减，而4~7 s周期的信号却在加强，但不同台站的情况有差异.位于气旋运动路径上的观测台，当气旋中心从台站附近经过时，可观测到很强的4~7 s周期的信号，而远离气旋中心的台站观测到的信号就比较弱.以位于气旋路径上的KEV台的观测为例(图 8)：当气旋中心进入近海海域后(11月11日0 h—12 h)，与大陆其它台站的情况一致，观测中出现了8~12 s周期的震动信号，并在登陆前达到最强，而气旋登陆后，该信号很快衰减，并且当气旋中心扫过该观测台附近时(11日18 h—24 h)，其观测中出现了很强的4~7 s的震动信号，成为KEV台观测中的主要信号.

图 8

Fig. 8

图 8 KEV台不同信号对比(2001年11月10—13日，单位：const, t/d) Fig. 8 Comparison of varied signals from station KEV (10—13 November 2001, Unit:const, t/d)

由北大西洋、北冰洋等海域进入欧亚大陆的风暴气旋在运动过程中主要激发3~12 s的震动信号，能被欧亚大陆的地震仪在不同分量的观测中所记录，观测范围与气旋的强弱以及运动区域有关.该震动主要由两部分信号叠加而成，一个是主频为0.15~0.25 Hz(周期约4~7 s)；而另一个的主频为0.08~0.12 Hz(周期约8~12 s).不同的气旋，这两个信号的主频会略有些小差别.

将其变化与美国国家环境预报中心(NCEP)和大气研究中心(NCAP)再分析资料的结果进行比较分析后得到：当气旋在大洋的深海区运动时，大陆观测中0.15~0.25 Hz(周期约4~7 s)的信号开始加强，而气旋靠近大陆，进入浅海区时，会有较强的频率低于0.15 Hz(周期长于6 s)的面波信号产生，高纬度强气旋产生的面波信号甚至可穿行整个欧亚大陆(波速约3 km·s^-1).当气旋进入大陆后，震动信号中0.08~0.12 Hz (周期约8~12 s)的成分随之衰减，而0.15~0.25 Hz(周期约4~7 s)的信号却变强，说明气旋与地表相互作用所产生的震动主要是0.15~0.25 Hz的信号.这一信号在传递过程中随距离衰减较快，所以其强弱可反映气旋中心相对观测点在时间和空间上的分布变化.因此，气旋的发展变化过程以及运动路径的变化可从这两个信号的变化来反映.

与热带气旋类似，高纬度地区的冷涡气旋也是中心为低压的漩涡，但其尺度范围比热带气旋大.对来自海洋的气旋引发的震动信号，根据Longuet-Higgins的理论(Longuet-Higgins, 1950)对这类信号的产生机理解释为：海浪对海底地壳的作用以及反射，波-波干涉形成的驻波(双倍频)信号.而从气旋运动过程与高精度数字地震仪的观测信号分析来看，气旋风暴形成的地点、运动的路径、海水的深度、进入大陆的地点的地理地形、观测台站相对于气旋风暴的位置等的不同，都能带来信号特征细节上的不同变化.

根据有关气象专家的研究，气旋的发展过程及强度变化的原因较为复杂，但以热带气旋为例，在其登陆的整个过程中，气旋与浅海区大陆架和海岸地形的相互作用(摩擦)是影响气旋变化的主要因素(陈联寿等, 2004).而Sharon Kedar、Michael Longuet-Higgins等人在北大西洋的研究结论认为：“在海水深度合适(接近共振深度)的海域，海浪的振动压力能在海底产生斯通利波和瑞利波，穿行进入大陆数千公里”(Kedar et al., 2008).本文的观测分析结果与这一结论相符.

根据以上的观点并综合欧亚大陆的观测分析结果后可推论：在气旋运动以及登陆过程中，气旋与海水以及海底之间的相互作用加大，增强了波-波干涉信号的能量，而当气旋运动所经过海域的水深合适时，能在海水和海底大陆架的分界面上形成较强的频率低于0.15 Hz(周期长于6 s)的面波(斯通利波和瑞利波)，其信号传播进大陆(波速约3 km·s^-1)，被大陆内数千公里远的地震仪所记录.而由挪威海登陆斯堪的纳维亚的气旋，由于该地区的地理地形特殊，当气旋进入到大约在0°—25°E；65°N—75°N这个范围的海域时，激发的面波信号频率更低(周期8~12 s)、更强，故推测这个海域的海水深度适合8~12 s面波的产生.强大的气旋产生的信号更是几乎可穿行整个欧亚大陆，这是其它地区的气旋不能比的.

当气旋登陆进入陆地运动时，离开了海水这个条件，其引发的震动信号的机制显然不一样了.海浪与地壳的作用变弱，气旋运动过程中与陆地表面的山形、地形之间直接地相互作用是这一阶段中高于0.15 Hz(周期短于6 s)震动信号产生的主要原因，但由于这个震动源在地表，传递过程中耗散大，信号随传播距离衰减较快.另外气旋的结构差异、气旋中心尺度范围的大小也会带来产生的震动信号特征有所不同，中高纬度地区的气旋尺度大，而且一般是非正压的，这样产生震动的波源不只是集中在气旋中心附近范围，而可能会是分布于一个非常大的区域中有多个源，在传播中，不同波源产生的信号之间会产生叠加，所以0.15~0.25 Hz(周期约4~7 s)的观测信号中，除来自于气旋与地表间的直接相互作用外，还可能来自这种作用的耦合，以及不同波源信号的非线性叠加.

大陆地震观测信号中，时间持续十几个小时以上、周期在3~12 s的连续震动一般与气旋风暴系统(包括海洋和陆地上的)的运动过程有关.在不同地理位置的不同气旋，由于相互作用的介质、地表地形等这些条件的不同，所产生的震动波信号的特征(包括信号主频特征)会有所差别.

在秋冬季，由北大西洋、北冰洋等海域进入北欧的强气旋风暴在运动过程中可引发较强的持续震动信号，其中来自挪威海进入欧亚大陆的强低压气旋在登陆斯堪的纳维亚的过程中，所产生的震动波信号几乎可以被整个欧亚大陆的地震仪观测到.其震动主要由两部信号叠加而成，一个主频约为0.15~ 0.25 Hz(周期约4~7 s)；而另一个的主频为0.08~0.12 Hz(周期约8~12 s).其中8~12 s周期的信号在所有观测台的记录中变化非常一致，反映的是气旋在由挪威海接近北欧大陆，在进入约0°—25°E；65°N—75°N这一范围的海域时，在海底与海水的界面产生的面波信号，这个特征与这个地区的海水深度、海底地形有关，气旋中心进入北欧大陆后，该信号随即衰减.气旋与地球(陆地)表面的相互作用所产生的主要是3~7 s周期的震动信号，由于这一信号源在地表，传递过程中耗散大，随距离衰减较快，所以其强弱可反映地震观测点相对与气旋中心在时间和空间上的分布变化.因此，地震观测可以用于监测气旋的运动及变化，其观测信号的变化能够反映气旋在时间和空间的运动过程和运动路径的地形地貌变化、以及不同海域对气旋作用的响应，有助探索气旋运动过程中与地球表面的相互作用机理及对气旋运动的影响.

感谢全球地震台网(GSN)、中国地震台网(CENC)、美国地震学联合研究会(IRIS)、中国地震局地球物理研究所“国家测震台网数据备份中心”为本研究提供地震数据；感谢美国国家海洋与大气局地球系统研究室(NOAA-ESRL)、美国国家环境预报中心(NCEP)和大气研究中心(NCAP)提供气象资料及数据信息.