飑线对定点地形变观测的影响特征与机理——以陕西关中盆地为例

2013年7月31日～8月1日陕西关中盆地爆发了一次强飑线灾害性天气过程,为揭示此次飑线生命史期间对定点地形变观测的影响特征与机理,本文结合多普勒天气雷达和气象资料,系统分析了关中盆地内4个地形变观测数据。结果表明:(1)飑线过境时的短时气压突变是造成定点地形变的主要原因,引起最大的地倾斜和地应变分别达9.70×10~(-3″)和21.02×10~(-9);(2)气压变幅与地形变的弹性响应量具有较好的线性关系,二者持续时间较一致,为2～4h,其中,钻孔体应变的动态气压系数达4.04×10~(-9)/h Pa;(3)宝鸡、乾陵和华阴台对飑线的响应能力较好,西安台则较差;(4)除水管仪外,垂直摆、洞体应变和钻孔体应变等对飑线的响应均较为灵敏。上述结果有助于合理识别和科学推定飑线所导致定点地形变异常变化的物理本质,进而减少实际业务中的误判;同时,还能为定点地形变观测台站的科学选址、仪器的优化布设及不同空间尺度大气负荷模型的实证等提供重要的参考依据。     

华东地区钻孔体应变对飑线天气过程响应的特征与机制

2018年3月4日华东地区爆发了一次强飑线天气过程, 为揭示过境区域钻孔体应变对该飑线生命史期间的响应特征与机制, 本文结合多普勒天气雷达和地面气象站数据, 系统分析了南昌、 黄山、 湖州和岱山等4个钻孔体应变台的观测记录。 结果表明: ① 飑线过境时的气压突变是引起体应变显著变化的主因, 由此引起最大的体应变量为16.2×10^-9; ② 气压涌升幅度与体应变的弹性压缩量具有较好的线性关系, 两者变化的周期较一致, 为26~74 min, 而气压影响系数高达5.0×10^-9/hPa; ③ 各台对飑线的响应能力较好, 而且在时间、 空间和强度上, 体应变变化能较好地呈现飑线的演变过程和传播特征。 以上结果, 不仅有助于科学识别飑线所引起单台或多台体应变异常变化的物理本质; 还能为短周期气压效应的改正模型提供实证依据。     

钻孔体应变对气压和固体潮响应的传递函数——以陕西地区为例

如何厘清钻孔体应变信号中的气压和固体潮频响效应,一直是地球动力学研究中的一大难点.区别于国内现有研究,本文尝试采用传递函数对陕西地区的4个体应变台进行了系统诊断.结果表明:(1)低频带(0.1～0.5 cpd)气压响应的稳定性和可靠性较好,高频带(8～30 cpd)次之,中频带(0.5～8 cpd)最差;(2)不同频带体应变对气压的滞后响应平均在9°以内,但日波和部分高频段的相位存在超前现象;(3)各台气压系数的频响差异显著,若不考虑日波频段的影响,安康台近线性平稳,其余3台则以非线性非平稳特性为主;(4)固体潮响应在半日波频段的稳定性和收敛性,均明显优于日波频段;此外,传递函数和最小二乘法所提取的潮波参数基本相符;(5)基于双衬套钻孔的线弹性介质模型,尚不足以刻画真实的气压响应全貌,其适用性有限.在此基础上,本文也对各台频响特征背后的物理机制进行了初探.相关结果不仅有助于气压和固体潮效应的分频改正,而且还能为相关动力学模型的构建和完善等提供新的视角和实证依据.     

雷雨天气对徐州地震台体应变的影响

雷雨季节是地震仪器损坏和资料受干扰的高发期,该时期常常有强降雨并伴有雷暴现象,而雷暴对地震资料的影响容易被忽视。通过对徐州地震台雷暴日的气压、体应变分钟值观测数据的分析,发现雷暴天气引起的气压变化会对体应变的观测数据产生干扰。     

洞体应变对高频气压波响应的传递函数——以陕西宁强台为例

自2011年观测以来,陕西宁强台洞体应变的高频气压效应甚为显著,但其频率依存性至今尚不明晰。为此,本文尝试采用相干函数和传递函数等方法,对该台2019年1月1日—4月2日的洞体应变和气压数据进行了系统诊断。结果表明,在8～40cpd频段内,洞体应变对气压具有较强的频率依赖性,即气压系数和相移均会随频率的变化而呈现非线性变化,其中,最大气压系数为7.80×10^-9/hPa,相位超前可达108.27°,且NS和EW分量的气压响应有所差异。上述结果将有助于该台高频噪声的物理溯源,同时还能为高频气压效应的分频段改正等提供量化依据。     

九江地震台洞体应变观测环境影响分析

对九江地震台2008—2013年洞体温度年变化、气压上升、集中降雨、抽水和承压含水层卸载对洞体应变产生的异常进行统计,获得应变异常量级范围,建立洞体应变观测简单静力学模型。研究认为,九江地震台山洞线应变年变化由观测基线介质的温度效应引起,而气压、降雨、抽水和含水层卸载引起的应变变化则主要由山体附加应力决定。     

地壳应变场对气压短周期变化的响应

大气压力变化可分为由日、月引力和太阳热辐射产生的潮汐变化和非潮汐频段的短周期气压变化,其引起的地壳应变可达10-9量级.我们选用分钟采样的观测精度达10-9量级的钻孔应变仪,对山东省泰安台2O02～2005年气压及体应变分钟值资料进行深入分析,研究了地壳应变场对短周期气压变化的响应规律.频谱分析结果表明,短周期气压变化对体应变的影响主要集中在周期大于2000 s的低频段.利用小波分解方法,得出了短周期气压系数随不同频段和不同时间的变化规律:高频段(周期小于960 s)气压系数数值较小,随频率变化幅度较大;低频段(周期大于960 s)气压系数数值较大,但变化趋于平稳;在频段一定的情况下,短周期气压系数随时间变化较平稳.从钻孔应变仪观测原理和按余弦函数分布的载荷作用于地壳表面的应力解出发,得出了地壳不同深度对不同频率短周期气压场的响应,理论计算与实际观测基本相符.研究结果表明,短周期气压变化对低频信号(周期大于2000 s)的影响较大,提取低频地球自由振荡信号时要消除气压影响,对苏门答腊大地震激发的地球球型自由振荡的功率谱分析验证了这一结论.     

蓄水池塘放水对昆明地震台形变观测影响

监控昆明地震台观测山洞附近蓄水池塘的放水过程,掌握放水对水管倾斜、洞体应变观测造成的干扰形态,计算观测数据的卸载响应比,根据干扰类型,选用合理方法处理数据,更好地提升水管倾斜、洞体应变潮汐观测质量;对于未来地震异常落实,可用于类似干扰因素的排除及干扰量的计算。     

马场体应变气压响应特征分析

以马场体应变为研究对象,经小波分析对马场地震台体应变、气压不同时段相同频段的观测数据进行对比研究,分离观测数据信号,并进行相关性分析。分析结果表明,马场台气压对体应变的影响在周期为16~256 min和32~64 h两个卓越频段内主要表现为线性关系。     

雷暴产生的气压突变对体应变与同井水位干扰的对比研究

对首都圈地区涞水台等Sacks体应变与同井水位数字化分钟值观测数据进行对比研究,发现在雷暴时段二者潮汐观测曲线会发生同步显著畸变异常。经小波分析、回归分析和功率谱分析,并与气压资料比对,证实这是由于雷暴引发了气压瞬间突变而产生的干扰,其幅值比背景值分别高近8倍和11倍,这种现象主要集中在雷雨季节的6～8月。进一步研究了周期气压波对体应变与井水位的影响规律和机制,并将雷暴日与无雷日气压对体应变和井水位的影响系数曲线进行了比较,总结了它们之间的差异和特征。     

山东洞体应变观测质量分析

选取山东省3个洞体应变台2007-2011年观测数据,分析资料的完整性、内在质量及干扰因素.结果表明：①观测资料连续性和完整性较好;②仪器零漂满足设计指标要求;③M2波振幅因子相对误差和相对噪声水平达到Ⅰ类应变台标准;④仪器更新后观测质量提升;⑤洞体应变观测主要受仪器调修、气压、降雨和观测环境变化等因素影响.     

短时气压干扰下TJ-Ⅰ、TJ-Ⅱ型体应变观测频谱对比分析

短时气压干扰是形变观测中常见且显著的影响因素之一。本文选取易县地震台2015年3月1日至12月31日的TJ-Ⅰ型和TJ-Ⅱ型体应变观测分钟数据为研究对象,对受气压干扰的主测项与钻孔气压观测值进行对比分析,利用小波变换方法分别提取出高、低气压环境干扰下两台仪器观测值在不同频段的频谱特征,结果显示:对于短时气压干扰,TJ-Ⅰ型与TJ-Ⅱ型体应变均与气压变化发生同步响应;在高气压干扰下,两套体应变主测项及其辅助气压测项分别在其小波6阶细节上的变化同步且相关系数接近;对于低气压干扰,TJ-Ⅱ型体应变主测项与其钻孔气压测项在高频6阶的节相关系数更大,说明TJ-Ⅱ型体应变更易于在高阶细节部分识别低气压干扰。     

不同类型洞体应变仪的观测差异性分析

运用SPSS中聚类及PCA方法对湖北省7个台站三类基线(石英管、铟钢棒、铟钢管)洞体应变观测记录进行相关统计分析,归纳总结其潮汐参数变化特征差异,并针对观测中自然环境因素影响进行定量分析。结果显示:(1)三类基线中,铟钢棒类M2波潮汐因子、中误差及M1波相对噪声水平较低,铟钢棒管年均漂移量最小;(2)自然环境因素(气压、降水、雷雨、温度)对湖北地区洞体应变观测影响较为显著,等量气压影响下应变量最小的为铟钢管型,等量温度影响下应变量最小的为铟钢棒型。     

温度对洞体应变观测的影响及排除方法研究

本研究将相关性分析的概念扩展到局域化空间,提出局域化的相关性分析（Local-CC)技 术,作为对时间序列做定量化分析的基础;还提出了一套从形变观测数据的原始数据开始,探 讨测值对干扰的响应模型,并整合使用包括傅里叶变换（FFT)平滑滤波、局域化相关性（Locl CC)分析以及线性回归（LR),到最后差分减除在内的完整干扰减除方案,以达到消除温度变 化引起的干扰信息的目的。以昆明地震台的洞体温度记录及洞体应变观测NS向分量为例,使 用傅里叶变换（FFT)滤波器原理抽出较高频率的分量作为处理对象,并使用本文提出的局域 化的相关性算法,按照应变对温度在不同时间点上不同的相关性赋予权重;然后再利用这个权 重做线性回归分析,拟合出应变对温度的响应系数,以排除洞体温度对洞体应变观测的影响。结果显示,本文提出的方案能有效地排除温度对洞体应变观测的影响。     

利用跨断层形变资料研究云南地区主要断裂带应变特征

利用1982—2009年云南地区跨断层短基线观测资料,采用应变分析方法得到云南地区断裂带的应变特征,并探讨了云南地区断裂带应变变化与地震活动的关系。本次工作求解了断裂在各测点处的走滑速率。结果显示,楚雄-通海断裂带的应变量值高于剑川-丽江断裂带,云南地区主要断裂带对于本区域内的大地震的应变响应有一定的一致性。     

北京地区雷电灾害天气系统的动力-微物理-电过程观测研究

在国家"973"项目"雷电重大灾害天气系统的动力-微物理-电过程和成灾机理"(简称:雷暴973)资助下,2014~2018年连续五年在北京组织开展了雷电(也称闪电)灾害天气系统的暖季综合协同观测实验,旨在获得对北京及周边城市群区域的雷电天气系统特征和规律的实际认识,探索雷电资料在数值预报模式中的同化方法,以期改进雷电重大灾害天气系统的预报效果.主要观测设备包括:由16个子站构成的雷电(全闪)三维定位系统、2台X波段双线偏振多普勒雷达和4台激光雨滴谱仪等,协同观测还充分利用了中国气象局在京津冀地区的中尺度气象观测网.观测结果表明,受地形和环境条件影响,飑线和多单体雷暴是影响北京地区的两类主要的雷电灾害天气系统,它们除产生频繁的雷电活动外,还常伴随突发性局地短时强降水和冰雹,造成城区突发洪涝灾害.雷电密度的高值区位于北京昌平区东部、顺义区的中部和东部以及中心城区.超强雷暴(占总雷暴数的5%)、强雷暴(占比35%)和弱雷暴(占比60%)对总雷电分布的贡献分别为37%、56%和7%.北京城区的热岛效应对过境雷暴增强产生了重要作用,超强雷暴在中心城区的雷电频数可以高达每分钟数百次.雷电活动与雷暴云的热动力、微物理特征之间存在紧密联系,因此雷电频数可以作为冰雹、短时强降水等灾害性天气的指示因子.在对流可分辨数值预报模式中,建立并引入雷电资料同化方案,通过调整或修正模式的热动力和微物理参量,可明显提高模式对强对流和降水的预报效果.     

怀来地形变综合台的地潮观测

阐述了怀来形变综合台的地倾斜,洞体应与钻孔应变等观测项目的台条件,仪器设备,观测管理与倾斜,线应变,体应变固体潮汐观测的精度评定。该台可与国内外知名台站媲美的优质台。     

泰安地震台重力扰动现象研究

利用滤波分析法对山东泰安地震台重力固体潮观测的分析表明,重力观测中存在大量高频扰动信号.通过与气象观测实况资料的对比发现,这些异常扰动信号除了受台风等热带气旋影响外,还明显与“冷空气”过境等区域强对流天气有关. 对泰安台JCZ-1甚宽频带地震仪观测资料的频谱分析和滤波处理进一步表明,区域强对流天气及台风对重力仪的影响频段均在1—8 s范围内,其中2—6 s区间影响最为显著; 强对流天气过程触发的扰动信号范围可以在1—16 s,但8 s后扰动信号对重力仪观测基本不造成影响,即重力仪对高频扰动信号的响应存在8 s的截止周期.JCZ-1甚宽频带地震仪的波谱分析还反映出扰动信号的动态特征,即强对流天气产生的扰动信号在发展、传播过程中,首先出现的信号频率较高,随着时间推移信号逐渐向低频演化,揭示了干扰信号传播的多普勒效应以及扰动信号激发源的移动特性.      

据频谱特征分析短时气压波动对体应变的影响

针对短时气压波动对体应变观测资料的影响,整理易县台2002～2007年体应变、气压、降水等分钟值资料,并从中选取4个具有明显特征的时间段,采用数字滤波去除原始数据中的长周期成分,用快速傅里叶变换分析体应变的高频谱特征。计算结果表明,短时气压波动对体应变高频谱特征具有显著影响,主要影响周期为53～67 min;在气压平稳情况下,体应变的优势周期相对集中,高频谱幅度最小;而在短时气压波动及降水情况下,体应变的优势周期更趋于分散,体应变响应幅度相对较大。对体应变分钟值资料的高频信息进行分析时,需要采取回归分析、数字滤波等方法消除短时气压波动对体应变观测资料的影响。     

同场地不同钻孔应变观测资料对比

对易县台同场地不同钻孔应变仪观测资料进行研究,分析易县台四分量钻孔应变的可靠性及其体应变的相关性,再分析不同钻孔应变观测对特殊事件的响应。结果显示：(1)易县台四分量钻孔应变观测自检程度不高,需进行实地相对标定;进行相对标定时,选取差分值数据有利于提高数据信度;(2)将四分量钻孔应变的S₁+S₃、S₂+S₄与体应变进行相关性分析,S₁+S₃和体应变的皮尔森相关系数略高于S₂+S₄与体应变的相关系数;(3)对于特殊事件响应方面,体应变和四分量钻孔应变两组面应变受抽水干扰均为张性变化,变化量高于体应变,体应变和四分量钻孔应变的S₁+S₃的相关系数要高于体应变和S₂+S₄的皮尔森相关系数;对同震响应方面,不同钻孔应变的同震响应一致性较好,且相关系数与震级大小有关。