沙尘暴是指强风吹起地面的尘沙，使空气变得混浊、水平能见度小于1 km的天气现象（丁可，2022）。沙尘暴中的风速较大，被风卷起的沙尘颗粒与粗糙的下垫面、地表建筑物相摩擦、强沙尘暴事件带来的温度扰动和大气压变化以及地震计周围空气流动的快速变化，均会引入额外噪声信号。这些环境噪声信号被地震仪器记录下来，对地震信号的接收与传播产生干扰，降低了地震仪的灵敏度和测量精度，从而对台站观测数据质量造成显著影响。分析沙尘暴事件对测震台站环境背景噪声的影响，有助于加强对本区域测震台站噪声特征的认识，提升该地区测震台站观测质量。

内蒙古自治区西部地区位于鄂尔多斯西北缘断裂带，是地应力积累和地壳能量释放的薄弱地带，地震活动较为活跃。该区植被覆盖率低，大风天气频繁，是全国受沙尘暴影响严重的区域之一。本文选取该区域2个地表测震观测台站（乌力吉台，台站代码WLJ；额肯呼都格台，台站代码EKH）以及2个山洞测震观测台站（巴彦浩特台，台站代码BYT；乌加河台，台站代码WJH）记录，分别截取沙尘暴与晴好天气条件下24 h连续测震波形数据，采用基于改进的周期图经典谱估计的Welch方法（Welch，1967），计算噪声速度均方根（Root Mean Square，RMS）、噪声加速度功率谱密度（Power Spectral Density，PSD）值，对比分析沙尘暴天气对测震台站环境背景噪声的影响特征。

2021年3月14日17时至次日20时，阿拉善盟遭受近10年来影响范围最广、强度最大的一次沙尘暴天气影响（丁可，2022）。此次沙尘暴起源于蒙古国，于3月14日20时侵入我国内蒙古西部地区，最强时段截至3月15日12时前后，浮尘天气持续至3月19日。雅布赖气象站位于此次强沙尘暴影响的中心地区，记录到3月14日17时至次日20时最小能见度、气温、极大风速和气压等气象要素变化信息，见图 1（丁可，2022）。

图 1(Fig.1)

图 1 沙尘暴天气期间雅布赖站气象要素变化[据丁可（2022）修改] Fig.1 Changes of meteorological elements at Yabulai Station during sandstorm weather (Revised according to Ding(2022))

为分析沙尘暴天气对地震观测数据的影响，选取内蒙古西部地区乌力吉台、额肯呼都格台2个地表测震观测台以及巴彦浩特台、乌加河台2个山洞测震观测台记录进行分析。台站相关信息见表 1。

表 1(Table 1

表 1 4个测震台站信息Table 1 Basic information of 4 seismic stations 测震台站 数据采集器型号 速度计型号 频带范围 基岩类型 名称 代码 类型 乌力吉 WLJ 地表测震台 EDAS-24GN6 BBVS-120 120 s—50 Hz 花岗岩 额肯呼都格 EKH 地表测震台 EDAS-24GN BBVS-60 60 s—40 Hz 花岗岩 巴彦浩特 BYT 山洞测震台 EDAS-24IP BBVS-60 60 s—40 Hz 第三系红泥岩 乌加河 WJH 山洞测震台 EDAS-24GN6 JCZ-1 360 s—50 Hz 古生代闪长岩

表 1 4个测震台站信息 Table 1 Basic information of 4 seismic stations

（1）地表测震观测台站。乌力吉台（下文以台站代码WLJ指代）位于阿拉善左旗北部，气候干燥、降雨稀少、蒸发量大、大风天气多且风力较大，地面植被及遮挡物缺乏，多年平均气温8.6 ℃，昼夜温差显著，一般可达20 ℃—30 ℃，极端昼夜温差达40 ℃—50 ℃（段昊，2022）。额肯呼都格台（下文以台站代码EKH指代）位于阿拉善右旗南部，当地寒暑剧变，降水稀少，蒸发强烈，干燥多风。2个台站台基类型均为花岗岩。

（2）山洞测震观测台站。巴彦浩特台（下文以台站代码BYT指代）位于贺兰山西麓冲积扇，台基类型为第三系红泥岩，距巴彦浩特断裂5.7 km（图 2），观测山洞覆盖层厚约35 m，山洞进深约60 m，洞长75 m，年平均温度约14.5 ℃，年温差小于0.5 ℃。乌加河台（下文以台站代码WJH指代）台基类型为古生代闪长岩，观测山洞进深约130 m，观测室温度日变化≤0.02 ℃，年变化≤0.50 ℃。

图 2(Fig.2)

图 2 台站位置示意 Fig.2 Station location diagram

台站环境噪声水平对测震台站观测质量具有显著影响。Peterson（1993）通过选取全球范围内75个地震台站相对安静时段的波形记录（剔除了非地震噪声的记录，如地震事件、仪器标定等），通过计算地震噪声的加速度功率谱密度，给出全球地震环境低噪声模型（New Low Noise Model，NLNM）和高噪声模型（New High Noise Model，NHNM）。在此基础上，McNamara等（2004）研究发现，功率谱概率密度函数（Probability Density Function，简称PDF）能较全面地反映地震环境噪声的时空变化特征，并能用于测定台站噪声水平和波形质量。此后，PDF方法被广泛用于地震观测环境噪声水平评价。在我国，有学者采用PDF方法，对流动观测台站与固定观测台站背景噪声进行研究，并提出流动观测台站架设选址参考方法以及不同台基观测方式对固定观测台站的影响机制（葛洪魁等，2013；杨亚运等，2023）；还有学者将PDF方法应用于区域测震与预警台网的观测效能分析（蔡辉腾等，2019；安全等，2021；郭延杰等，2023；徐建权等，2023）。这些研究对深入分析区域噪声特性和观测动态范围具有重要意义。

选取内蒙古西部地区乌力吉（WLJ）、额肯呼都格（EKH）、巴彦浩特（BYT）、乌加河（WJH）测震台在沙尘暴和晴好天气条件下各24 h测震波形数据，其中沙尘暴天气时段为2021年3月14日18时至15日18时，晴好天气时段为2022年9月26日18时至27日18时，采用如下步骤进行数据处理：①使用MSDP软件，将波形数据导出间隔为1 h的seed格式数据段（梁向军等，2012）；②为降低长周期功率谱估计偏差，对每个数据段进行预处理，包括去除仪器响应、去长周期以及去均值（安全等，2024）；③对预处理数据进行快速傅里叶变换，计算每个数据段地震噪声加速度功率谱密度PSD值（包文超等，2024）；④对加速度PSD值采用1/3倍频程进行平滑处理，使其在对数坐标上均匀分布（安全等，2024）；⑤将加速度PSD值转换为速度PSD值，进而计算RMS均值。

台址周围背景环境集中在1—20 Hz的高频范围内，同时兼顾1—20 s周期内低频噪声的相对频率分布变化。因此，确定PSD值计算的频率范围为0.01—20 Hz。噪声速度均方根RMS值用于表征台站整体噪声水平，故下文就1—20 Hz高频部分的RMS值展开分析，以评估台站噪声水平。

通过以上数据处理，得到研究时段内4个测震台站1—20 Hz频段2组测震数据（沙尘暴干扰和晴好天气条件下）的RMS值，绘制各台站RMS值时间分布图，见图 3。

图 3(Fig.3)

图 3 1—20 Hz频段RMS值随时间分布 Fig.3 Distribution of RMS values in the 1-20 Hz band over time

由图 3可见：①在2种天气条件下，不同台站RMS值变化差异显著，且沙尘暴天气影响下RMS值三分向噪声明显较大，其中EKH台RMS最大差值在10 dB以上，而其他台站也基本在10 dB上下。分析认为，该台台址远离城镇聚居区，受人为活动干扰较少，日常环境噪声较小，进一步表明地表测震台站抗沙尘暴天气干扰效果有限。②在2021年3月14日18时—15日5时沙尘暴期间，4个测震台RMS值三分向曲线均出现较大波动，表明在此时段内，地震仪受外部环境变化干扰明显，噪声水平升高。③2021年3月14日19时—次日0时，WLJ台RMS值突然升高，推测在此次沙尘暴过程中，风向由NE转向SW，而台站以北为山地，其他方向均为平坦荒漠，NE向大风在山地地形影响下，风速增大，形成地方性强风，使得风扰增大，从而导致该台RMS值骤升。④在天气晴好条件下，各台站RMS值相对较低，BYT台、EKH台、WLJ台均呈现出RMS值夜间降低，白天升高的特征，仅乌加河台（WJH）RMS值在2022年9月26日20时—次日2时呈升高趋势变化，推测应与台站附近爆破或近震事件有关。通过对数据的回溯分析，当日晚20时17分与20时33分WJH台记录到2次疑似爆破的非天然地震事件。

据GB/T 19531.1—2004《地震台站观测环境技术要求第1部分：测震》，可知4个测震台环境地噪声水平均较低，即使遭受沙尘暴天气影响，各台三分向RMS值也均在-150 dB以下，在A类地区中属于I级环境地噪声水平。

除EKH台外，其他3个台站均不同程度地受到车辆运行、机械工业、农业生产等人为活动影响，噪声来源比较复杂。因此，选择额肯呼都格台在2种天气条件下，即2021年3月14日—15日和2022年9月26日—27日连续24小时观测数据，采用PSD方法进行对比分析，得到垂直向加速度PSD值，结果见图 4。

图 4(Fig.4)

图 4 EKH台垂直向加速度PSD值分布 (a)2021年3月14日—15日；(b)2022年9月26日—27日 Fig.4 The vertical acceleration PSD value distribution of the EKH station

由图 4可见：在晴好天气条件下，EKH台背景噪声水平整体较低，主要干扰分布在10—20 Hz高频频段，且在人为活动频繁的午间时段，噪声水平显著高于夜间；在沙尘暴过程中，EKH台PSD值在2—4 Hz、10—20 Hz频段均呈显著上升趋势。其中：在2—4 Hz频段，PSD值主要在3月14日18时—次日6时受到显著影响，参考图 1可知，该时段与强沙尘暴侵入时间吻合，并与大风时段相近（据阿拉善盟气象局统计）。据前人研究（Holcomb et al，1997；Wilson et al，2002），在自然噪声源中，大风可能是造成这种现象的主要原因。大风与粗糙地表相互摩擦，并直接作用于基岩台站，引起地表测震台站轻微晃动或倾斜，进而产生高频噪声。而在10—20 Hz频段，PSD值在3月14日18时起连续24小时受到持续影响。由雅布赖气象站统计信息（图 1）可知，此次强沙尘暴事件最强时段约在3月15日晚间截止，但浮尘天气持续至3月19日，受影响频段出现时间对应该气象局统计的扬沙时段，因此认为，持续的扬尘与浮沙天气对此频段造成了影响。综上所述，沙尘暴天气对内蒙古西部测震台站环境噪声干扰在2—4 Hz及10—20 Hz频段表现较为显著，其中：在2—4 Hz频段，主要受到大风干扰；在10—20 Hz频段，主要受到扬尘与浮沙天气影响。

为直观展示沙尘暴天气对测震台站环境噪声的影响，在前文基础上选取受干扰少、噪声源较为单一的夜间，即22时—次日6时波形数据，重新绘制PSD值曲线，见图 5，图中虚线表示受沙尘暴影响的三分向PSD值曲线，实线则代表晴好天气下三分向PSD值曲线，NHNM表示全球高噪声新模型，NLNM表示全球低噪声新模型。

图 5(Fig.5)

图 5 噪声功率谱曲线 Fig.5 Noise power spectrum diagram

由图 5可见，在小于0.1 Hz、2—4 Hz与10—20 Hz频段，沙尘暴对环境背景噪声水平影响较大，体现在：①在小于0.1 Hz频段，EKH台与WLJ台的EW、NS向PSD值靠近全球高噪声模型NHNM分布，且WLJ台PSD值在0.07 Hz以下频段内达到-140 dB，超出NHNM，比UD向高出约22 dB，而且随周期增大而升高。据王晓蕾（2012）的研究，温度可能是影响地震计长周期信号的主要原因，且对水平向影响显著。因此认为，沙尘暴过程中的快速降温对0.1 Hz以内频段产生影响，且对三分向影响程度不同。②在0.1—2 Hz频段，噪声功率谱密度曲线比较靠近NLNM，表明沙尘暴天气对该频段的影响较小。③在2—4 Hz、10—20 Hz频段，2种天气条件下三分向PSD值均呈突变升高变化，且变化趋势较为一致，其中在2—4 Hz频段，三分向PSD值在晴好天气时变化较为平缓，在沙尘暴过程中数值较高。

此外，在沙尘暴过程中，WLJ台与EKH台测震数据PSD值在10—20 Hz频段出现台阶式干扰，噪声变化幅度增大，且比晴好天气时高出5—23 dB。此高频干扰可能来自沙尘暴过程中沙尘颗粒与粗糙下垫面、地表建筑物相摩擦，以及大气压变化、地震计周围空气流动的快速变化引入的额外噪声信号，从而导致地表测震台站环境噪声水平升高，使得噪声功率谱密度曲线在10—20 Hz频段出现台阶变化。

由图 5可见：在0.1 Hz以下频段，相对于沙尘暴天气，晴好天气时WJH台与BYT台水平向PSD值曲线较高；在10 Hz以上频段，WJH台与BYT台PSD值曲线无台阶现象，说明恒温恒湿、防风效果良好的观测山洞，可以显著降低环境干扰事件对地震仪器观测质量的影响。其中：BYT台受交通车辆、工业机械等人为干扰活动影响显著，在沙尘暴和天气晴好时PSD曲线相差不大，仅在2—4 Hz频段有明显抬升，且接近NHNM；WJH台在沙尘暴和天气晴好时PSD曲线较为一致，曲线变化相对较平缓且差异较小，尽管在0.7—0.1 Hz、2—4 Hz频段呈小幅度抬升，但对近震和地方震监测影响较小，表明该台观测效能较好，受强沙尘暴事件影响较小。

综上所述，在0.1 Hz—1 Hz频段，地表、山洞观测方式的PSD值曲线变化较为一致；在小于0.1 Hz频段，山洞测震台三分向PSD值一致性较好；在4 Hz以上频段，山洞测震台三分向PSD值比地表测震台低10—20 dB左右，表明相对地表测震台而言，山洞测震台在降低沙尘暴对环境噪声干扰方面效果显著，尤其在10 Hz以上频段效果更加明显。

通过对内蒙古西部地区2个地表观测台站以及2个山洞观测台站，在沙尘暴干扰与晴好天气下24小时连续波形数据进行功率谱密度分析，结果表明：

（1）沙尘暴天气对测震台站环境背景噪声的影响在小于0.1 Hz、2—4 Hz及10—20 Hz频段表现较为明显，其中：快速降温是导致0.1 Hz以下频段背景噪声较高的主要原因；大风主要影响2—4 Hz频段；扬沙与浮沉天气主要影响10—20 Hz频段，并导致WLJ和EKH两个地表测震台在10—20 Hz频段出现台阶式干扰。

（2）温度可能是造成地震计长周期信号变化的主要原因，沙尘暴事件带来的快速降温对0.1 Hz以下频段的水平向测震数据影响显著。

（3）山洞测震台的台基背景噪声PSD值曲线变化相对平缓，受沙尘暴事件影响较小，仅在部分频段有小幅度抬升，说明相对地表测震台而言，该观测形式可显著降低沙尘暴对环境噪声的影响。