沙塵暴對(duì)測(cè)震臺(tái)站環(huán)境噪聲干擾的特征分析
——以二連浩特臺(tái)為例

安 全

1 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特市哲里木路80號(hào)，010010

環(huán)境噪聲是影響測(cè)震臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素之一。觀測(cè)數(shù)據(jù)高頻段主要受到工業(yè)活動(dòng)、交通運(yùn)輸?shù)热藶橐蛩氐挠绊慬1]，微震頻段主要受到海洋活動(dòng)的影響[2]，低頻段主要受到溫度、氣流變化等因素的影響[1]。21世紀(jì)以來，井下觀測(cè)技術(shù)在地震監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，能有效降低地震觀測(cè)數(shù)據(jù)低頻和高頻背景噪聲水平[3-5]。內(nèi)蒙古地區(qū)春季沙塵暴較為嚴(yán)重，可能會(huì)對(duì)地震觀測(cè)環(huán)境噪聲水平產(chǎn)生影響，但目前尚未有此方面的研究。因此，本文計(jì)算二連浩特臺(tái)地表和井下連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的加速度PSD值和相應(yīng)的PDF值，分析沙塵暴對(duì)地震環(huán)境噪聲水平的干擾特征和井下觀測(cè)方式對(duì)減小沙塵暴影響的效果。

1 臺(tái)站信息和數(shù)據(jù)來源

二連浩特臺(tái)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟北部，全年干旱且風(fēng)沙較大，沙塵暴主要發(fā)生在3～5月。臺(tái)站同時(shí)具備地表和井下2種觀測(cè)方式，配有甚寬頻帶地震計(jì)和24位數(shù)據(jù)采集器，儀器信息見表1。2021年春季二連浩特地區(qū)沙塵暴天氣較往年更加突出，根據(jù)二連浩特市氣象局和環(huán)保局提供的信息，2021-03-14～15、2021-04-26沙塵暴較為嚴(yán)重(表2)，本文以這2個(gè)時(shí)間段數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。

表1 臺(tái)站信息Tab.1 Information of stations

表2 沙塵暴信息Tab.2 Information of sandstorms

2 數(shù)據(jù)處理

首先以1 h為間隔將數(shù)據(jù)分成若干段，采樣率為100 Hz，再將每小時(shí)的數(shù)據(jù)段分為42個(gè)記錄段。為降低PSD方差，相鄰記錄段間重疊率為50%，則每個(gè)記錄段長(zhǎng)度約為160 s。為降低長(zhǎng)周期對(duì)功率譜估計(jì)的偏差，對(duì)每個(gè)記錄段進(jìn)行去長(zhǎng)周期和去均值的預(yù)處理；然后將預(yù)處理后的記錄段數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到以頻率為自變量的速度PSD值，再將速度PSD值轉(zhuǎn)換為加速度PSD值；最后進(jìn)行平滑處理并計(jì)算與PSD值相應(yīng)的PDF值。

2.1 PSD的計(jì)算

對(duì)周期時(shí)間序列y(t)的有限范圍進(jìn)行傅里葉變換：

(1)

式中，Tr為時(shí)間序列段長(zhǎng)度，f為頻率。

對(duì)離散頻率值fk進(jìn)行傅里葉變換：

式中，fk=k/(NΔt)，k=1，2，…，N-1，Δt為采樣間隔(0.01 s)，N=Tr/Δt為截取時(shí)間段的采樣點(diǎn)數(shù)。

PSD的定義為：

將速度PSD值轉(zhuǎn)換為加速度PSD值：

Pa,k(f)=(2πf)2Pk(f)

(4)

消除儀器傳遞函數(shù)的影響：

式中，PSDa(f)為真實(shí)的地表運(yùn)動(dòng)加速度功率譜。

2.2 平滑處理

為了使PSD在頻域?qū)?shù)坐標(biāo)中等間隔采樣，采用1/3倍頻積分進(jìn)行平滑處理：

式中，fι=2-1/6fc為低頻拐角頻率，fh=21/6fc為高頻拐角頻率，n為介于二者之間的頻率f的個(gè)數(shù)。由式(6)可得中心頻率fc的PSDa(f)平均值PSDa(fc)，將其作為fc的PSD值。中心頻率fc以1/9倍頻程為增加步長(zhǎng)，即下一個(gè)中心頻率為21/9fc，重新計(jì)算相應(yīng)的fι和fh，然后將新的fι和fh之間的PSD平均值作為下一個(gè)中心頻率fc的PSD取值。這樣在fc的取值范圍0.01～50 Hz內(nèi)，每個(gè)記錄段的PSD值隨頻率的變化情況可由在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中呈等間隔采樣的中心頻率的PSD值來表示。

2.3 PDF的計(jì)算

每個(gè)中心頻率fc的PSD的PDF為：

PPSD(fc)=NPfc/Nfc

(7)

式中，Nfc為fc頻點(diǎn)記錄段總數(shù)，NPfc為fc頻點(diǎn)PSD值落在某PSD取值范圍內(nèi)的記錄段個(gè)數(shù)，本文PSD窗長(zhǎng)與步長(zhǎng)都取1 dB，變化范圍為-200～-50 dB。一般以頻率為橫坐標(biāo)、PSD為縱坐標(biāo)、PPSD(fc)色塊顏色深淺為元素繪制三維平面圖，得到PDF分布，不同色塊代表某頻點(diǎn)在一定PSD窗內(nèi)功率譜的概率數(shù)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 1～20 Hz頻段PSD值分析

為研究沙塵暴對(duì)1～20 Hz頻段環(huán)境噪聲的影響特征，選取二連浩特臺(tái)無沙塵暴天氣(2021-03-01～02)和沙塵暴天氣(2021-03-14～15、2021-04-26)的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算觀測(cè)數(shù)據(jù)三分向PSD值，結(jié)果見圖1。

對(duì)比圖1(a)～1(c)和圖1(d)～1(i)可見，有大風(fēng)、沙塵暴時(shí)間段的背景噪聲水平明顯高于無沙塵暴時(shí)間段的背景噪聲水平，這種差異主要體現(xiàn)在4 Hz和9 Hz附近及10～20 Hz頻段。由圖1(d)～1(f)可見，2021-03-14 19:00～2021-03-15 01:00 10～20Hz頻段PSD值有一個(gè)突然增加的過程。參考表1可知，這個(gè)時(shí)間段與氣象局統(tǒng)計(jì)的強(qiáng)沙塵暴時(shí)間段吻合。2021-03-14 13：00～2021-03-15 01：00 4 Hz、9 Hz附近的PSD值一直保持較高狀態(tài)，這個(gè)時(shí)間段基本與氣象局統(tǒng)計(jì)的大風(fēng)時(shí)間段吻合。由圖1(g)～1(i)可見，2021-04-26 06:00～19:00 4 Hz、9 Hz附近及10～20 Hz頻段的PSD值一直保持較高狀態(tài)。參考表1可知，這個(gè)時(shí)間段與氣象局和環(huán)境監(jiān)測(cè)站統(tǒng)計(jì)的揚(yáng)沙時(shí)間段重合。綜上所述，沙塵暴天氣對(duì)于地震觀測(cè)數(shù)據(jù)背景噪聲高頻的干擾主要體現(xiàn)在4 Hz、9 Hz附近及10～20 Hz頻段，其中沙塵主要影響10～20 Hz頻段的背景噪聲，大風(fēng)主要影響4 Hz、9 Hz附近的背景噪聲。

圖1 1～20 Hz頻段加速度PSD值隨時(shí)間分布Fig.1 Distribution of acceleration PSD values for band 1 to 20 Hz with time

3.2 沙塵暴干擾特征分析與壓制

分別選取沙塵暴最突出(2021-03-14 13:00～2021-03-15 01:00、2021-04-26 08:00～20:00)和無沙塵暴(2021-04-04 00:00～2021-04-05 00:00)各24 h的地表和井下連續(xù)波形數(shù)據(jù)，分別計(jì)算最高PDF值對(duì)應(yīng)的PSD平均值(圖2)，研究沙塵暴對(duì)環(huán)境噪聲水平的干擾特征。

3.2.1 有無沙塵暴天氣的地表PSD值對(duì)比

由圖2(a)、2(b)可見，在4～10 Hz頻段，無沙塵暴天氣觀測(cè)數(shù)據(jù)三分向PSD值變化較為平緩，有沙塵暴天氣觀測(cè)數(shù)據(jù)PSD值高于無沙塵暴天氣，尤其是在4～5 Hz和7～10 Hz頻段內(nèi)，沙塵暴天氣觀測(cè)數(shù)據(jù)三分向PSD值均有突變升高，且變化趨勢(shì)較為一致。說明沙塵暴在4～10 Hz頻段對(duì)環(huán)境噪聲水平有較大的影響，其中，4～5 Hz和7～10 Hz頻段對(duì)環(huán)境噪聲水平的影響更明顯，在大于10 Hz頻段，有沙塵暴天氣觀測(cè)數(shù)據(jù)三分向PSD值相比無沙塵暴天氣有一定的增加，其中垂直向最顯著，東西向次之，南北向變化不大。說明在大于10 Hz頻段內(nèi)，沙塵暴對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的環(huán)境噪聲有一定影響，且對(duì)三分向影響程度不同。在10 s～4 Hz頻段，有無沙塵暴天氣的觀測(cè)數(shù)據(jù)三分向PSD值基本一致，9.5 s和2.5 Hz處沙塵暴天氣觀測(cè)數(shù)據(jù)的PSD峰值甚至低于無沙塵暴天氣的PSD峰值。說明在10 s～4 Hz頻段內(nèi)沙塵暴對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)沒有影響。在低于10 s頻段，沙塵暴天氣觀測(cè)數(shù)據(jù)東西向PSD值高于無沙塵暴天氣15 dB以上，垂直向和南北向PSD值變化不大。參考表1可知，本次沙塵暴風(fēng)向以偏西為主，所以導(dǎo)致低于10 s頻段的東西向背景噪聲受干擾最大。

BHE、BHN、BHZ分別表示東西向、南北向、垂直向分量，NHNM和NLNM分別表示全球高噪聲新模型和全球低噪聲新模型圖2 最高PDF值對(duì)應(yīng)的加速度PSD平均值Fig.2 The highest PDF values corresponding to the average values of acceleration PSD

3.2.2 井下觀測(cè)對(duì)減小沙塵暴影響的效果

由圖2(c)、2(d)可見，整個(gè)頻段內(nèi)有無沙塵暴天氣的觀測(cè)數(shù)據(jù)PSD值基本一致，只有在低于60 s頻段內(nèi)沙塵暴天氣觀測(cè)數(shù)據(jù)的PSD值才有一定的升高，說明井下觀測(cè)可明顯壓制沙塵暴對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)環(huán)境噪聲的干擾。由圖2(a)、2(c)可見，在10 s～1 Hz頻段，2種觀測(cè)方式的PSD值一致；在低于10 s頻段，井下觀測(cè)數(shù)據(jù)三分向PSD值的一致性更高；在高于1 Hz頻段，井下觀測(cè)數(shù)據(jù)三分向PSD值低于地表觀測(cè)數(shù)據(jù)PSD值10～20 dB左右。再次說明井下觀測(cè)能夠有效壓制沙塵暴對(duì)環(huán)境噪聲的干擾，且大于1 Hz的頻段壓制效果最好。

4 結(jié) 語

1)沙塵暴對(duì)測(cè)震臺(tái)站環(huán)境噪聲水平有較大干擾，主要體現(xiàn)在4 Hz、9 Hz附近及10～20 Hz和低于10 s頻段。其中，沙塵主要影響10～20 Hz頻段的背景噪聲；大風(fēng)主要影響4 Hz、9 Hz附近的背景噪聲；低于10 s頻段內(nèi)三分向背景噪聲主要受風(fēng)向的影響。10 s～4 Hz頻段內(nèi)沙塵暴對(duì)環(huán)境噪聲水平?jīng)]有影響。

2)井下觀測(cè)能夠有效壓制沙塵暴對(duì)環(huán)境噪聲的干擾。