0 引言

地形变测量的目的是获取地形变(现时地壳运动、变形、重力)和地震地形变信息，但因其处于岩石圈、大气圈、生物圈的交界面上，不可避免的受到温度、气压、降水(雨、雪)、冰盖、地下水、河湖水位、海平面、对流层、电离层等自然界的干扰。这些因素大部分具有周期性，会通过多种途径(如地壳载荷、介质物性等)作用于地壳表层、台站介质环境和观测系统，激励、调制出被观测仪器所记录的相应周期性变化(中国地震局监测预报司，2008)。在研究现今地壳运动、构造微动态、地震地形变和地震预测时，为了获取所需有用信息，有必要对这些干扰进行分析并排除。有学者对此展开了研究：曹建玲等(2005)、王晓蕾等(2016)定量研究了温度对地倾斜观测的影响；邢喜民等(2014, 2015)、狄樑等(2017)对比分析了气象因素对形变观测的影响，且前者通过回归分析获得了有效的干扰剔除模型；许璐等(2017, 2019)通过消除水平摆观测中的干扰，从残差序列中提取了地震前的异常；何应文等(2018)、贾媛等(2020)分析并剔除了形变观测中的降雨干扰。这些研究为形变观测消除气象要素干扰及识别震兆信息提供了有效方法。

本文以巴里坤水平摆倾斜数据为研究对象，通过分析其与气温、气压和降水间的关系，确定主要干扰因素，以此建立相关回归模型以剔除干扰；并结合震例对残差序列进行分析，识别地震前可能存在的异常，为区域震情研判、跟踪分析及异常核实工作提供研究基础及方法借鉴。

1 台站概况及资料选取

巴里坤水平摆倾斜观测站地处纸房断裂东南端，巴里坤盆地北缘断裂西北端，洛包泉—碱泉子断裂以北(图 1)。观测室位于花岗岩山体的观测山洞(进深16 m，洞顶覆盖层厚度约11 m)内，2010年8月安装SQ-70D石英水平摆倾斜仪，仪器方位角与北向偏差为+5.38°，2010年9月试运行，2011年正式入网观测。2018年9月18日，对水平摆倾斜仪进行升级改造，更换数采(更换后型号为SQ-70DSI)和光源灯，但倾斜仪摆体未变动，采样数据由分钟数据变为秒数据。2019年5月26日架设辅助观测气象三要素仪ZKGD3000-M(气温、气压和降水量)，其中气温、降水量传感器置于山洞外，气压传感器放置于山洞观测室内。

选取2011—2020年倾斜两分量日均值数据进行分析，使用插值方法处理缺数部分。同时期巴里坤区域气象数据取自中国气象数据网；倾斜观测点的气象资料为辅助气象三要素仪架设后记录。

2 倾斜观测点历史气象数据估算

由于倾斜观测点气象三要素仪架设于2019年5月26日(5月27日正式入网)，所以2011年1月1日—2019年5月26日无气象数据，故文中使用区域气象观测站提供的数据进行估算。因2个观测点的海拔不同，距离相对较远(25 km)，且二者周围环境存在差异，必然导致气象数据间存在一定偏差。为了验证区域气象数据对倾斜观测点的适用程度，将倾斜观测点气象三要素架设后的数据与之进行对比分析，结果见图 2。

图 2(a)显示，两测点气温数据变化一致，无明显偏差，二者间的相关系数为0.997，说明高度线性相关。通过拟合，回归方程为

$ y=0.990 x+1.004 $

(1)

式(1)的决定系数R² = 0.995，校正决定系数R² = 0.994，F检验值为105 560.479，显著性检验sig. = 0.000＜0.01，说明方程有统计学意义，区域气温数据可用来估算倾斜观测点的气温。

由图 2(b)可知，两测点的气压数据变化趋势较为同步，但是倾斜观测点的气压明显较低，数据间存在显著差异，主要是因为倾斜观测点海拔(1 749 m)高于区域气象观测点(1 650.9 m)。对二者进行相关分析，为极显著相关，相关系数为0.997，拟合的回归方程为

$ y=0.964 x+22.131 $

(2)

式(2)的决定系数R² = 0.995，校正决定系数R² = 0.995，F检验值为109 328.194，显著性检验sig. = 0.000＜0.01，拟合效果好，可用于倾斜观测点气压数据的估算。

由图 2(c)可知，倾斜观测点降水次数和强度明显偏低，2020年5月—9月间尤为显著(主要因区域气象观测点位于天山北麓，受山地气候影响，降水较丰富)。通过区域降水数据估算倾斜观测点的降水量信度不高。因此，本文仅分析架设气象三要素后记录的降水量对倾斜观测的影响。

3 结果与分析 3.1 气温和气压对倾斜的影响

通过倾斜观测点气温、气压估算方程式(1)—(2)，计算出了2011年1月1日—2019年5月26日的历史气象数据。将其与倾斜观测点的气象三要素仪记录的数据进行合并，以此来分析气温、气压对水平摆倾斜观测的影响。

自2011年以来倾斜观测资料年变清晰，两分量年变转向时间较为同步，每年夏季于6月转向，冬季于12月转向。NS分量总体变化为趋势南倾，EW分量2011—2017年变化形态为缓慢西倾，自2018年起变化趋势反转为东倾。观测点的气温年变形态清晰，与水平摆两分量变化较为一致，而气压年变形态相较气温则不显著，且与水平摆两分量变化相反(图 3)。相关分析结果(表 1)表明，倾斜两分量与气温呈显著正相关，与气压呈显著负相关，且气温对倾斜两分量的影响大于气压的影响。另外，EW分量与气温、气压的相关程度高于NS分量。

考虑到倾斜观测数据的趋势变化，通过地震前兆信息系统(EIS 2000)中的去趋势功能，按年分段，使用一般多项式分段曲线拟合，去除两分量的趋势变化(图 4)。计算去趋势后两分量与气温、气压的相关系数，其相关性得到显著提升，且NS分量尤为明显，其与气温、气压的相关系数分别为0.771和-0.478，绝对值比初始相关系数(0.387和-0.253)增大了1倍左右(表 1)，说明倾斜观测序列的趋势性变化并非是气温、气压的影响。

温度对倾斜观测的影响途径主要有2个方面，一是作用于仪器本身，导致的不规则热形变；二是作用于观测点，地层基岩引起热弹性变形(冯锐，1978)。巴里坤水平摆倾斜观测点地处温带大陆性冷凉干旱气候区，冬冷夏热，气温直接作用于测点的裸露花岗岩山体，使得岩石热胀冷缩导致倾斜年变显著。考虑到温度对岩石的影响是一个间接的热传导过程，计算去趋势后倾斜两分量与气温的相位差特征，结果显示，NS分量相位滞后于气温约339天[图 5(a)]，消除相位差后，二者间的相关系数为0.845，相较于初始相关系数0.387，增大了118%；EW分量相位滞后于气温约333天[图 5(b)]，消除相位差后的相关系数为0.929，比二者初始相关系数0.688增大了35%。NS、EW分量相位滞后气温时长与孔静静等(2018)计算结果(343和331天)较一致。地温与近地面气温有直接的依赖关系，且相位滞后随深度的增加愈发显著。王庆良(2003)在研究大同机车厂台地温变化特征时发现，地下7 m处地温滞后地表(大气)温度约4个月，而地下12 m处地温滞后时间更长；邱泽华(2017)在论述气温对钻孔应变观测影响时，通过温度场变化的一维模型，推导出地下40 m深度处地温滞后地表可能达2年。文中计算的相位滞后时间较长，可能与观测点的地形、地表覆盖以及基岩的性质、密度、导热系数有关。

曹建玲等(2005)利用有限元方法对存在复杂地形时气温变化的影响深度及造成的地应力和地倾斜变化的量值进行了估算，发现地形造成的热汇聚和热发散会造成地下温度的不均匀分布，所引起的不均匀的热胀冷缩，会导致近地表 50 m深度范围内地应力和地倾斜的变化。狄樑等(2017)研究了气象因素对常熟台倾斜观测的影响，发现倾斜仪年变与洞温年变同步且前者受后者控制。巴里坤水平摆倾斜观测室位于山体深部，密封条件和保温性较好，观测仪器受气温的直接影响小，两分量的周期性年变与洞室地温变化一致。由于观测室无地温数据，所以基于热传导理论，通过消除倾斜与气温数据间的相位差进行分析。

另外，计算NS、EW分量与气压之间的相位差，特征曲线见图 5(c)、图 5(d)，结果显示两分量与气压相关性不显著，说明气压对巴里坤水平摆倾斜观测的影响是即时的。

气温、气压对倾斜观测的影响并非独立作用，所以将二者一同作为影响因素进行拟合，记倾斜观测数据为Y，气温为t，气压为p。利用回归分析得到以下方程，公式如下

$\begin{gathered} Y_{\mathrm{NS}}=27.9848 t-0.0798 p-69.5515 \end{gathered} $

(3)

$ Y_{\mathrm{EW}}=94.7375 t+16.9866 p-14472.917 $

(4)

据式(3)计算，NS分量的F检验值为4 523.563，显著性检验sig. = 0.000＜0.01，说明相关性显著；决定系数R² = 0.714，表明方程的拟合效果较好。据式(4)计算，EW分量的F检验值为11 549.940，显著性检验sig. = 0.000＜0.01，决定系数R² = 0.865，回归方程拟合效果也较好。

使用式(3)—(4)来消除NS、EW分量年周期变化时，因二者相位分别滞后于气温约339和333天，所以气温数据按对应天数进行后置处理，而气压则使用倾斜测项同步数据。两分量剔除气温、气压干扰后，残差曲线见图 6。

由图 6可见，倾斜数据年变周期得到较好的消除，趋势变化更为清晰，有助于震前异常信息的获取。研究时段内，观测站周边300 km范围内共发生3次5级以上地震，分别为2012年2月10日巴里坤M_S 5.3、2014年4月30日哈密M_S 5.1和2020年3月20日蒙古M_S 5.9地震。异常表现为：巴里坤M_S 5.3地震前，EW分量出现加速西倾后反转的微弱异常；哈密M_S 5.1地震前，NS分量出现由趋势南倾转向加速北倾的异常；蒙古M_S 5.9地震前，EW分量异常变化显著，自2019年起由西倾趋势转向持续东倾，至地震发生时，东倾幅度达1 035×10^-3″(图 6)。

3.2 降水对倾斜观测的影响

取2019年5月27日以来倾斜观测点气象三要素仪所记录的降水量数据，使用24小时累计值与倾斜两分量日均值进行对比分析(图 7)。选取2个典型时段，见图 7中时段1和时段2，发现降水会造成NS分量南倾，EW分量不显著波动，降水结束后干扰不会立即结束，而是持续一段时间后恢复正常趋势。NS分量受降水的影响程度要大于EW分量，主要体现在前者的曲线形态在降雨后起伏波动更大(呈“V”字型)。以时段2为例，该时段内无校准、调零及其他环境干扰，5月22日夜间持续降水(总量4.5 mm)，导致原本处于北倾趋势变化的NS分量反转为南倾，降幅为152×10^-3″，而同时段的EW分量仅出现小幅波动。相关分析显示，降雨与NS、EW分量的相关系数分别为0.217和0.089，亦表明NS分量受降雨影响较大。

从降水的影响机理来分析，巴里坤水平摆倾斜观测山洞洞顶覆盖层较薄(约11 m)，花岗岩山体裸露且裂缝密布，雨水不易被吸收，可直接入渗到基岩深部，这会导致台基附近岩石密度与体积发生变化，产生膨胀、浮托等微小变形，从而引起倾斜的相应变化(孙伶俐等，2010)。同时，因观测山洞处于近东西走向的山体南侧，地势北高南低，降水后南侧积水，所产生的膨胀力大于北侧，所以NS分量南倾。而EW分量在降水后变化不显著，可能与山体的裂缝走向为近东西向有关。由于本研究数据中的降水事件较少，后续还需持续进行降水后的观测对比分析。

一般采用一元线性回归方法来分析降雨对倾斜观测值的影响，进而剔除降雨干扰，这在降水丰沛地区的台站应用较多(刘其寿等，2010；郑永通等，2015；杨佩琴等，2016)。巴里坤区域为温带大陆性干旱气候区，降水少且强度低，自观测点气象三要素仪架设以来，截至2020年底，单日降水量最高不超过10 mm，累积降水量不足100 mm(为93.2 mm)，且无降水天气居多。从年尺度来看，相较于气温、气压，降水干扰占比低，且集中在夏秋季节，对倾斜观测的持续影响时间相对较短，非必要不采用一元线性回归方法进行降水干扰消除。在进行日常跟踪分析、异常核实和震情趋势研判时，需结合降水量数据进行对比分析，防止误判。

4 结论

(1) 巴里坤水平摆倾斜仪观测受气象要素干扰明显，气温影响最大，气压次之，降水干扰最小。EW分量受气温、气压的影响程度比NS分量大。倾斜观测在消除趋势及相位差后，与气温的相关性显著提升。

(2) 从年尺度看，降水对巴里坤水平摆倾斜仪观测的干扰占比低，持续时间较短，且具有明显的滞后效应。降水后会造成NS分量南倾，EW分量轻微波动，且NS分量受降水影响的程度大于EW分量。

(3) 气温和气压双因子参与拟合的回归方程，可以较好地消除巴里坤水平摆倾斜仪观测数据年变周期，凸显EW、NS分量曲线的形态变化。震例分析显示，在台站周边300 km范围内5级及以上地震前，该倾斜测项数据曲线存在较为清晰的趋势转折变化，对于该区域未来M≥5地震前兆异常的获取具有一定指示意义。