強冷空氣對寧波地震臺垂直擺記錄影響

夏超德

（中國浙江315029寧波地震臺）

強冷空氣對寧波地震臺垂直擺記錄影響

夏超德

（中國浙江315029寧波地震臺）

寧波地區(qū)歷史記錄以來最強冷空氣過境，引起VS垂直擺記錄不規(guī)則抖動，本文選取氣壓變化數(shù)據(jù)和擾動時段垂直擺觀測數(shù)據(jù)，對VS垂直擺記錄資料進行矢量、差分和精度分析，分析發(fā)現(xiàn)：氣壓變化和垂直擺產(chǎn)生擾動時段一致，差分值最大變化是正常變化的2.7—2.9倍，且相位滯后明顯。此研究冷空氣對VS垂直擺的影響特征和機制提供新的解釋。

垂直擺；矢量圖：冷空氣；相位滯后

0 引言

浙江省寧波地震臺（以下簡稱寧波臺）數(shù)字化儀器VS垂直擺傾斜儀（以下簡稱VS垂直擺）采用分鐘值采樣，可以記錄到固體潮正常變化及擾動數(shù)據(jù)（任佳等，2003；張磊等，2011）。干擾主要包括：觀測系統(tǒng)故障干擾、自然環(huán)境干擾、觀測場地干擾、人為干擾、地球物理事件等（夏超德，2006）。對于地震前兆異常識別，本地自然環(huán)境或場地觀測環(huán)境的干擾識別并排除尤為重要。

寧波臺VS垂直擺在2012年2月3日強冷空氣過境時，記錄到明顯不同與地震變化的脈沖信號，對比本地冷空氣過境時氣溫、氣壓變化數(shù)據(jù)，采用矢量分析、差分分析及精度統(tǒng)計方法，探討此次脈沖干擾信號特征，為浙江地區(qū)VS垂直擺受冷空氣的影響特征提供案例。

1 觀測背景

1.1 觀測條件

寧波臺位于杭州灣南岸，寧波盆地北部山區(qū)與平原交界處，海拔20 m，距東海海岸約16 km，是一個地理環(huán)境、地質(zhì)條件較為理想的觀測臺站。地傾斜觀測專用山洞進深約43 m，臺基為上侏羅紀火山巖，巖性致密堅硬，整體性好，洞室頂覆蓋層厚30 m以上，山坡上有雜草松樹等植被，洞內(nèi)有7道防護門，儀器室保溫效果好，日溫差極小，年溫差小于0.2℃，溫度常年保持恒定，約18.0℃，濕度大于95%。VS垂直擺記錄室與擺室相距約150 m，符合《中華人民共和國地震行業(yè)標準·地震臺站建設(shè)規(guī)范·地形變臺站》規(guī)范要求。

1.2 觀測儀器

寧波臺2001年安裝中國地震局地震研究所生產(chǎn)的VS垂直擺地傾斜儀，2010年升級為“十五”項目，儀器靈敏度0.001″，γ因子穩(wěn)定，EW、NS向固體潮在同一數(shù)量級，與日、月形成的理論固體潮汐、海水潮汐同步變化。由于地處少震、弱震區(qū)，觀測資料穩(wěn)定性較好，可以當作正常場的變化規(guī)律進行研究。氣象三要素儀安裝在臺站院內(nèi)，距離垂直擺儀器洞室口約50 m，日變、年變存在明顯的規(guī)律特征（夏超德，2006）。

2 資料分析

2012年3月1日—2日，強冷空氣過境寧波，特別是2日2時前后，氣壓發(fā)生劇烈變化，寧波臺垂直擺分鐘值曲線產(chǎn)生不規(guī)則脈沖現(xiàn)象，見圖1。由圖1可知：3月2日02時起，NS、EW分量產(chǎn)生強烈不規(guī)則脈動，遠大于地震波周期，最大周期約30 min；NS向脈動最大幅度達1.28×10-3″，EW向達1.48×10-3″；強烈脈動持續(xù)時間長達1.5小時，之后記錄曲線持續(xù)不規(guī)則變化，而此時無較強遠震發(fā)生，且與遠震地震波記錄曲線形態(tài)不同，且無人為干擾，由此斷定垂直擺脈沖、擾動變化由冷空氣過境造成。

圖1　寧波臺垂直擺分鐘值曲線Fig.1 Minutely value curve of vertical pendulum at Ningbo Seismic Station

2.1 矢量圖分析

寧波臺距海岸線近，EW、NS向固體潮保持在同一數(shù)量級，正常情況下，垂直擺日、月變化具有一定規(guī)律，矢量圖重復性強，走勢相似度高（車兆宏等，1994；夏超德，2006）。在此選取2012年2月1日、3月31日垂直擺分鐘值觀測數(shù)據(jù)與3月2日數(shù)據(jù)（此3天均為當月農(nóng)歷初十），繪制矢量圖，見圖2。從圖2可見，3天的曲線變化形態(tài)相似，且強冷空氣過境對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響較明顯。對比圖1和圖2（b），發(fā)現(xiàn)分鐘值矢量圖影響更加明顯，高采樣率使曲線毛糙，因強度大、變化快，甚至出現(xiàn)打結(jié)現(xiàn)象。

圖2　寧波臺垂直擺2012年分鐘值矢量曲線（a）2月1日；（b）3月2日；（c）3月31日Fig.2 Minutely vector value curves of vertical pendulum at Ningbo Seismic Station in 2012

2.2 氣溫、氣壓變化影響

正常情況下，氣溫、氣壓變化緩慢，不會產(chǎn)生急劇上升或下降。冷空氣過境導致氣溫、氣壓劇烈變化，但非同時變化。2012年3月1日、2日氣溫、氣壓記錄曲線見圖3，與圖1垂直擺傾斜儀分量變化進行對比，可見：①1日15時至2日02時氣溫記錄曲線變化不大；②氣壓在1日變化正常，15時大風降臨時產(chǎn)生小抖動，2日01時冷空氣主力降臨，氣壓急劇變化（正常變化小于0.01 hPa/min，冷空氣過境一般變化1 hPa，產(chǎn)生不規(guī)則小脈動，影響曲線光滑度），最大變化2.8 hPa（表1），時間長達130 min，此時垂直擺傾斜儀NS、EW分量隨之發(fā)生脈沖變化，后氣壓緩慢上升，氣溫緩慢下降持續(xù)至9日結(jié)束。

表1　氣壓與垂直擺傾斜儀峰值變化Table 1 Air pressure and peak changes of vertical pendulum tilt meter

將圖1中3月2日0時—03時垂直擺傾斜儀NS、EW分量進行放大，與氣壓數(shù)值變化進行對比，見圖4，發(fā)現(xiàn)：①氣壓發(fā)生變化，垂直擺NS、EW分量同時發(fā)生變化，且變化趨勢一致，同步性較強；②氣壓變化對EW分量影響較大；③氣壓驟升時，垂直擺觀測記錄曲線向南、向西傾，氣壓陡降時向北、向東傾。理論上，氣壓變化與垂直擺傾斜儀記錄數(shù)據(jù)變化應(yīng)為線性關(guān)系，由于分鐘值記錄掩蓋部分變化真相，導致其非線性關(guān)系。

圖3　3月1日—2日寧波臺氣溫、氣壓變化曲線Fig.3 Variation curves of temperature and air pressure at Ningbo Seismic Station on March 1 and 2

圖4　3月2日0時—03時垂直擺與氣壓分鐘值對比Fig.4 Comparison of minutely values of vertical pendulum and air pressure during 0：00 to 3：00 on March 2

2.3 差分對比分析

由以上分析可知，氣壓及垂直擺傾斜記錄在3月1日15時后產(chǎn)生波動，因幅度小不易發(fā)現(xiàn)，在此進行一階差分，差分曲線見圖5。由圖5可見：垂直擺的NS、EW分量與氣壓差分值，在冷空氣過境前的15時已發(fā)生變化，02時變化劇烈，時間吻合。差分值以3月1日08時為基準，發(fā)現(xiàn)各測項最大變化量NS分量為正常變化值2.9倍，EW分量為2.85倍，氣壓則為正常值2.7倍。由此說明，氣壓變化是導致垂直擺傾斜記錄發(fā)生異常的重要原因。

圖5　3月1日—2日垂直擺記錄與氣壓分鐘值差分曲線對比Fig.5 Comparison of minutely value curves of air pressure and vertical pendulum records on March 1 and 2

3 精度分析

此次冷空氣過境寧波，低氣溫、高氣壓持續(xù)至3月9日，對垂直擺傾斜儀觀測資料精度產(chǎn)生較大影響。將2012年1—3月觀測數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析和Nakai檢驗，具體結(jié)果見表2。由于此次冷空氣過程持續(xù)時間長、強度大，對潮汐因子、相位、精度等均產(chǎn)生影響，由表2具體數(shù)據(jù)可知，特別是相位滯后，3月EW分量觀測數(shù)值是1月的4倍，NS分量為2倍，變化劇烈（表2）。

表2　觀測數(shù)據(jù)精度分析Table 2 Precision analysis of observed data

從調(diào)和分析、Nakai檢驗精度看，相位滯后下降最為明顯，觀測資料進行中期、長期分析時，如果進行此項分析，有可能出現(xiàn)類似假異常，不利于地震預測預報，進行相關(guān)研究時應(yīng)該避免此類情況發(fā)生。

4 結(jié)束語

此次冷空氣過境寧波，導致氣壓發(fā)生急劇變化，引起垂直擺傾斜儀分鐘值曲線發(fā)生不規(guī)則脈動變化，且相位滯后明顯。在對中期、長期地震資料進行分析時，應(yīng)仔細研判，避免將此類干擾與遠震記錄混淆，并注意與地震前兆異常的區(qū)別。希望通過此次強冷空氣對寧波VS垂直擺的影響特征分析，為識別并排除此類干擾提供參考。

車兆宏，劉天海，尹榮珍.大同—陽高地震形變前兆演變過程//國家地震局科技監(jiān)測司.地震形變前兆特征的識別與研究［C］.北京：地震出版社，1994：75-84.

任佳，王長江，馬利軍，等.對VS垂直擺傾斜儀異常圖像的初步認識［J］.華北地震科學，2003，21（1）：43-45.

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張磊，汪翠枝，劉文兵，等.薊縣垂直擺觀測數(shù)據(jù)變化分析［J］.華北地震科學，2011，29（3）：34-38.

Abstract

It is recorded that the vertical pendulum trembles irregularly as the strongest cold air pass through Ningbo area.In this paper，the air pressure variation data and the observation data of vertical pendulum during the disturbed period are selected for vector，difference and precision analysis.The results show that the disturbance of air pressure and vertical pendulum records are accordance in time.The maximum change of difference value is 2.7—2.9 times larger than the normal change and with phase delay.This study provides new interpretation of the feature and mechanism of the influence of cold air on vertical pendulum observation.

Influence of strong cold air on the observation of vertical pendulum tiltmeter at Ningbo Seismic Station

Xia Chaode
（Ningbo Seismic Station，Zhejiang Province 315029，China ）

vertical pendulum，vector chart，cold air，phase delay

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.014

夏超德（1963—），男，工程師，主要從事地形變觀測工作。E-mail： dvh2008@126.com