0 引言

地震台环境噪声是影响地震观测质量的主要因素之一，固定台站可以通过严格选址、远离噪声源等措施，达到降低背景噪声、保证观测质量的目的，也可通过研究地震台噪声用以评估数据质量及监测仪器的工作状态。在宽频带地震仪正常记录范围内，仪器噪声远低于地震台环境噪声，因此噪声功率谱结果可基本反映台站真实环境噪声，包含：①频率在1 Hz以上，以干扰随距离衰减最快的人类活动、气流等环境因素（水平向影响更为明显）以及地方震为主的高频干扰；②一般认为，海洋波与海底或海岸线的非线性相互作用引起海底压力扰动（Longuet Higgins M S，1950）和中远震或微震噪声影响的低频噪声，其频率范围为1—10 s；③与自然因素相关（Bonnefoy Claudet S et al，2006），如风、急流、温度或气压变化等造成的10—50 s频率范围内的长周期噪声；④远震各类波长会在低频和长周期范围内影响背景噪声。有研究认为，产生机制同海洋有很大关系的第二类地脉动（Secondary Microseism），其功率谱与地震台位置和季节相关；在地球两半球地震台观测数据中，噪声幅度在当地冬季较高，而靠近赤道的地震台，噪声幅度全年不变（Stutzmann et al，2009）。

前人针对台风期地震台站噪声的研究多侧重于源及定位，主要涉及：①台风位置、强度、及中心风速变化与脉动变化之间的关系；②脉动源及脉动性质（王伟涛等，2011）；③研究台风引起的脉动变化以实现台风定位；④脉动均方根和卓越周期随台风的变化关系等（康兰池，2006）。

本文以台风期间，相关区域地震台站噪声均有明显增大过程入手，研究于广东登陆的201522号“彩虹”台风，利用其登陆前后的观测数据，对滤波后的台基噪声速度幅值进行对比分析，着力研究台风与非台风期相同地震计记录的变化和相关关系。

1 概述

“彩虹”台风于2015年10月1日2时在西北太平洋菲律宾群岛形成，于10月4日14时前后登陆广东湛江坡头区（图 1），在台风登录点附近，廉江、遂溪、合江地震台宽频带地震计受到影响，产出一系列记录数据。3个地震台观测仪器均为宽频带地震计，型号有CMG-3ESPC、KS-2000M，见表 1。“彩虹”台风路径及3个地震台的分布见图 1。

2 分析方法

针对廉江、遂溪、合江地震台宽频带地震计记录，从频域和时域进行分析，即针对台基噪声功率谱及滤波后台基噪声速度幅值进行相关性分析，其中频域分析侧重数据质量评估及优选特殊频带，时域相关性分析明确台风对地震计记录的影响。

2.1 数据初选

将台风作为类近场单一影响因素考虑时，地震事件、独立区域大干扰事件、地震计断记后的数采输出及各地震台标定数据等会严重影响分析模型的结果。因此，数据分析前应进行数据初选，以小时为单位将上述“干扰”剔除。

2.2 频域分析

利用Welch方法，将输入数据的N点序列分成L个允许重叠段，每段的长度为M，则

$ {{c}_{j}}\left(n \right)=c\left(n+jD \right)\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \left(j=0, 1, \cdots, L-1;n=0, 1, \cdots, M-1 \right) $

其中，jD是第j个序列的起始点。对每一数据段应用窗函数进行加权，并计算周期图

$ {P_j}\left( f \right) = \frac{1}{{MU}}{\left| {\sum\limits_{n = 0}^{M - 1} {w\left( n \right){c_j}\left( n \right){e^{ - j2\pi {nf}}}} } \right|^2}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( {j = 0,1, \cdots ,L - 1} \right) $

其中：w(n)是窗函数，U是窗函数中功率归一化因子，可选择为

$ U=\frac{1}{M}\sum\limits_{n=0}^{M-1}{{{w}^{2}}\left(n \right)} $

Welch功率谱估计是这些修正周期图的平均，即

$ {{P}_{\rm{W}}}\left(f \right)=\frac{1}{L}\sum\limits_{j=0}^{L-1}{{{P}_{j}}\left(f \right)} $

2.3 时域分析

（1）数据转换。将初选后的电压数据V_count(i)转换为速度幅值v(i)，即

$ v\left(i \right)={{V}_{\rm{count}}}\left(i \right)^*\rm{se}{{\rm{n}}_{\rm{system}}} $

其中，v为该段数据的速度幅值；V_count为记录的电压值；sen_system为系统灵敏度，由地震计灵敏度和数采转换因子组成。

（2）滤波。将转换后的速度幅值分别进行低通和带通滤波，其中低通滤波中截止频率为1 s；带通滤波中通带频率范围为1—10 s。

（3）速度幅值估计。计算整段速度记录的有效值作为该段振幅均值。

$ {{R}_{\rm{amp}}}=\sqrt{\frac{\sum\limits_{i}^{N}{{{\left({{v}_{\rm{1s-10s}}}\left(i \right)-\overline{v} \right)}^{2}}}}{N}} $

式中，R_amp为该时间段的振幅均值，v为该时间段的速度均值，N为数据长度。

（4）对比分析。在连续时间段内，对相邻地震台站的振幅均值及振幅比进行相关性分析。

3 计算结果

（1）台风前数据分析。利用地震台站平稳时间及相邻时间的大震记录进行台基噪声功率谱分析，对观测仪器性能进行初步估计，并选用仪器性能正常时记录的数据进行分析。在此选取廉江、遂溪、合江地震台2015年9月30日凌晨0时观测记录，与2015年9月24日23:53:29印度尼西亚伊里安查亚省地区6.5级地震时的观测记录进行对比，见图 2，图中左侧为9月30日观测数据台基噪声功率谱，右侧为9月24日6.5级地震记录的台基噪声功率谱。

根据台基噪声功率谱分析结果，由图 2可见，3个地震台站的观测仪器工作基本正常，记录数据100 s以下频段受环境影响大。

（2）台风期台基噪声功率谱分析。利用台风期及其前后1周的观测数据进行连续台基噪声分析，从频域分析入手，研究台风对各地震台台基噪声能量的影响，旨在发现集中且一致的频带范围。遂溪、合江、廉江地震台在“彩虹”台风前后三分向台基噪声概率密度演化关系见图 3。

从图 3可见，3个地震台低频处能量随台风期变化具有一致性，这是因为：①地震台站记录数据中的第二类地脉动来源于海浪，幅度大，受近场干扰影响小，地脉动幅度与地震台站位置相关，信噪比高；②水平两向（EW、NS）因受环境因素变化更明显，连续台基噪声谱中波动更为明显。可见，第二类地脉动记录的频段范围随地震台站位置与海岸线距离变化有所变化，根据功率谱变化结果，优选1—10 s频段进行滤波及后续时域分析。

（3）1—10 s频段范围内遂溪、合江及廉江地震台三分向速度幅值关系。根据连续时间的频域分析结果，对各地震台三分向记录进行滤波，并对滤波后数据进行相关性及对比分析。3个地震台在“彩虹”台风期间，三分向速度幅值比关系曲线见图 4，其中(a)—(c)图中上图为相邻地震台速度幅值曲线，下图为幅值比曲线。

计算可知，台风期间，其登陆区域附近地震台站记录的速度幅值明显增加，相邻地震台垂直向速度幅值线性相关系数达0.7以上，水平向结果亦存在明显线性相关，由于受环境因素干扰大，其相关性不如垂直向；相邻地震台三分向1—10 s频段速度幅值比趋于稳定（图 4）。

在上述结果基础上，结合图 1中“彩虹”台风路径与3个地震台位置，分析1—10 s频段3个地震台站三分向速度幅值比，可知：1—10 s频段，速度幅值受台风影响与台风登陆后路径相关，体现在：台风（即使在登陆后）路径距离地震台有一定距离情况下，两相邻地震台速度幅值比影响趋势一致，见图 4(a)；当台风路径穿过两地震台站并靠近其中一个时可视为近场影响，与地震台站周围环境密切相关，见图 4(b)、图 4(c)。

4 讨论

在连续时间台基噪声谱分析基础上进行时域分析，用以找寻台风与地震台站台基噪声的潜在联系。频域结果明显可见：台风对台站三分向1—10 s频段台基噪声能量影响较大，且与台风生成、发育、逐步登陆至消亡具有连续一致性。后续时域分析不难发现：相邻地震台站之间相对垂直向速度幅值对台风的敏感程度、各地震台水平向易受周围环境因素影响且互相独立，因此影响两地震台速度幅值相关性；不可否认，因第二类地脉动信噪比较高，两地震台水平向速度幅值比趋势与垂直向一致。

本研究得出的理论结果仅为作者对地震台站台基噪声时域的初步分析，有关水平向影响因素及表达方式有待进一步研究和探索，但通过垂直向速度幅值比结果的一致性与地震台站观测仪器垂直向灵敏度之间的直接联系，不难想到，该结论对地震台站仪器灵敏度监测或数据质量的把控具有推动作用。