利用陆上振动台对海面风暴监测的可行性研究【毕业论文】.doc

1、本科毕业论文（20 届）利用陆上振动台对海面风暴监测的可行性研究所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目录中文摘要 .I英文摘要 .II第一章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 国内外研究现状 .11.3 研究路线 .2第二章 地脉动 .32.1 地脉动的定义 .32.2 地脉动的主要成分 .42.3 地脉动的震源 .6第三章 海岛地脉动信号分析 .73.1 浙江省地震监测台网简介 .73.2 舟山地震监测台网简介 .73.3 舟山地震台记录数据预处理 .83.4 数据资料的时域分析 .83.5 数据资料的频域分析 .93.6 讨论与小结 .10

2、第四章 地脉动与海面风场的关系 .114.1 引言 .114.2 地脉动与台风之间的关系 .114.3 地脉动监测洋面风暴潮的可行性分析 .134.4 讨论与小结 .13第五章 讨论与总结 .14参考文献 .15附录一（英文文献） .17附录二（中文译文） .26致谢 .41I利用陆上振动台对海面风暴监测的可行性研究【摘要】 二十一世界是海洋的时代，世界各国对于海洋这一门学科的研究得到不断的发展，海洋给予人类利益，同时也会惩罚人类的贪婪。全球每年因海洋引起的灾害而造成的经济损失十分巨大。所以，研究海洋对于人类具有十分重大的意义。海面风暴的形式是多种多样的，小到海面上一般的波浪运动，大到能够摧毁

3、人类生活环境的台风、飓风等等。其中所具有的能量也是大小不一，有来自海底地震所产生的能量，如海啸等：也有来自海水的流动性，产生的一些波动，如洋流等：也有因为环境的因素而产生的海面运动，如台风、飓风等。本文主要针对海洋灾害中的风暴潮灾害的监测展开讨论与分析。通过利用海洋背景噪声一词，引出地动脉这一概念，联系地动脉与海浪、台风之间的联系。最后，我们知道利用陆上地震台站对地脉动信号的记录进行洋面上台风或风暴潮的跟踪与监测是可能的。【关键词】地脉动；台风；陆上振动台IIUSING LAND VIIIIBRATION TABLE SEA OF MONITORING THE STORM TO THE FEA

4、SIBILITY STUDYAbstractTwenty-first century is the era of the ocean, the world for marine research in this discipline have been the development of marine interest to mankind, but also punish the greed of mankind. Caused by the global oceans every year economic losses caused by disasters is enormous.

5、Therefore, the study of human ocean of great significance. Sea storm in the form of diverse, small sea wave movement in general, big enough to destroy the human living environment typhoons, hurricanes and so on. Which possess the energy is large and small, from the energy generated by undersea earth

6、quakes, such as tsunamis, etc.: also from the sea of liquidity, resulting in some fluctuations, such as ocean currents, etc.: also because of environmental factors arising from sea sports, such as typhoons, hurricanes and so on. In this paper, a disaster for the marine monitoring storm surge disaste

7、rs discussion and analysis. Ocean background noise through the use of the word artery leads to the concept of contact to the arteries and the waves, the link between the typhoon. Finally, we know that the use of land seismic stations to record the signal pulse of a typhoon or storm surges Yang Mians

8、hang tracking and monitoring is possible. Keywords Typhoon； Microtremor ；seismic array1第一章 绪论1.1 研究背景由地球内部物质突然错动引起的一般地震， 以及人为的一些活动( 如爆破，重物下落等)所引起的地面振动，可以根据地震记录的特征辨认出来，除去这些震动之外，在所有的观测台的地震记录图上，还有另外的一些微小的地面运动，通常称其为地脉动，相对与地震记录而言，这些微小的地面运动又是作为一种干扰出现的，因此也称其为噪声。随着时间在二十一世纪里不断的消逝，玛雅预言的时间一步一步的逼近，人类社会也不断的遭受着各种

9、各样的自然灾害。台风、地震等灾害不断的发生在我们的身边，让我们觉得人类的发展是不是对地球的环境产生了巨大影响。年 5 月 12 日发生在四川汶川的里氏 8.0 级的大地震，在此期间西太平洋上空产生了一次强台风 （威马逊） ，2011 年 3 月 11 日在日本东北部海域发生里氏 9.0 级地震并引发海啸，造成重大人员伤亡和经济损失。中国地震局测震台网中的宽带地震仪、重力仪和倾斜仪都记录到了明显的低频扰动现象由于在台风期间，脉动的幅值明显会变大，这种被加强的脉动信号也许能更好的反映出脉动的振动特性。通过对这方面信息的多加了解和研究分析，对台风的研究也起到了一定促进的作用。通过利用陆上振动台网所记

10、录的地脉动信号来分析来自洋面上的风暴的有关数据，我们能够更清晰的了解台风的动态。1.2 国内外研究现状关于地脉动，早在 1908 年，Omori 就用高放大倍数的测振仪器观测到了这种极微弱的振动并对它进行了研究。Wiechert 曾经提出脉动是在激烈的碎浪对陡峭海岸的作用下产生的，根据这个理论，Gutenberg 估计了由激浪的冲击转入沿岸地区的能量，并与造成观测到的脉动所需的能量做了对比，两者在数量级上大致是相符合的.但是 Byerly 曾说，在伯克利看到的脉动有相当一部分可以用附近激浪的作用来说明，但有时伯克利附近的海浪很强，但脉动却很小，反过来的情况也有，激浪理论这时就不能做很好的解释。

11、由于在台风期间，地脉动往往都会有很大的变化，因此也有人( Gherzi , Whipple 等)认为脉动是由靠近2风暴中心地区的大气的振动产生的.随着科技和社会的发展，人们开始希望能够借助地脉动的一些性质来估计场地的性质， 例如通过地脉动的谱的特性来估计场地的特性。我国科学家 ( 胡幸贤，刘曾武等)早在上个世纪 60 年代就开始用脉动法来确定场地的卓越周期、设计所需的场地烈度，并据此来对场地进行分类。上个世纪 7 0 年代，Kubo,Tera 和 Otsuka 等人开始对大于 1s 的长周期地脉动进行观测和研究。到了80 年代，国外一些研究者开始利用长周期脉动台阵来观测分析瑞利波相速度，并且得

12、到了不错的结果。这一时期，国内的一些研究人员 (林学文，李文艺等)也开始借助脉动观测来评价场地. 这些方法又以 Nakamura 的 H/V 方法影响最大，但是该方法的假设条件太多，缺乏足够的理论依据，目前在应用方面仍然存在很大争议。1.3 研究路线1. 文献调研，掌握陆上振动台站记录的地脉动信号的特征；2. 调研地脉动信号的分析过程和方法，尤其是信号能量来源的分析；3. 选择近海地区舟山岛上架设的振动台记录的实际数据进行地脉动信号的处理；4. 探讨舟山岛上地脉动信号与海面风浪、潮流的可能关系；5. 分析利用地脉动记录监测洋面上台风、风暴潮的可能性；6. 总结研究工作，撰写论文。3第二章 地脉

13、动2.1 地脉动的定义地球内部物质突然错动而出现的一般震动， 以及人为的一些活动（如爆破，重物下落等）所引起的地面振动，可以根据地震记录的特征辨认出来，除去这些震动之外，在所有的观测台的地震记录图上，还有另外的一些微小的地面运动，通常称其为地脉动，相对与地震的记录而言，这些微小的地面运动又可以作为是一种以干扰出现的，也称为噪声。图 1： 全球背景噪声模型。图中显示的是加速度的功率谱密度，其中实线表示新低背景噪声模型（ New Low-Noise Model，NLNM） ，虚线表示新高背景噪声模型（New High-Noise Model，NHNM） 。数据源自（Peterson，1993） 。

14、关于这个噪声，有关学者如 Peterson 等人选取了分布在全球的 75 个地震台的数据，在去掉明显的仪器噪声、非典型噪声和地震事件之后，得出了每一个台站上的噪声功率谱密度曲线。用折线表示的该曲线簇的上下界被称为地球新高背景噪声模型（NHNM）和低背景噪声模型（NLNM） ，如图 1 所示5。从图41 中可以看出，地球背景噪声在 5-10s 和 10-20s 之间存在两个明显的峰值，地震学家习惯将这个周期范围内的背景噪声称之为地脉动（Microseim） 。早在 1908 年，Omori 就采用了高放大倍数的测振仪器观测到了这种极微弱的振动并对它进行了研究。Wiechert 曾经提出脉动是在激

15、烈的碎浪对陡峭海岸的作用下产生的，根据这个理论，Gutenberg 估计了由激浪的冲击转入沿岸地区的能量，并与造成观测到的脉动所需的能量做了对比，研究得出结论，两者在数量级上大致是属于同一个等级的.但是 Byerly 曾经提出过，在伯克利看到的脉动有相当一部分可以用附近激浪的作用来说明其产生，但有时候在伯克利附近的海域的海浪很强，但脉动却是非常的微小，反过来的情况也有，因此，这个激浪理论这个时候就不能做到很完善的解释。由于在台风发生期间，地脉动的变化往往也是很大的，所以，Gherzi ,Whipple 等学者认为脉动是可能是由靠近风暴中心地区的大气产生的振动而产生的.随着时代的更替，人类的科技

16、和社会的发展，人们开始希望能够通过利用地脉动的一些自身性质来估计场地的性质，例如我们可以采用地脉动的谱的特性来估计得出场地的一些特性。我国的科学家早在上个世纪 60 年代左右就已经开始采用脉动法来确定场地的卓越周期和设计所需的场地烈度，并利用这个标准来对场地进行分类。上个世纪 70 年代，Kubo、Tera 和 Otsuka 等人开始对大于 1 s 的长周期地脉动进行观测和研究。到了 80 年代，国外一些研究者开始利用长周期脉动台阵来观测分析瑞利波相速度，并且得到了很不错的结果。2.2 地脉动的主要成分 在台风发生的期间，脉动的幅值明显会变大，这种被加强的脉动信号也许能更好的反映出脉动的振动特

17、性，通过前人对 2006 年 8 月桑美台风期间福建省内 9 个宽频带台站的脉动记录进行了分析，结果发现:垂直向脉动与水平向脉动(东西向)之间有很好的相关性，相关系数可以达到甚至超过 0.8，而且水平向脉动与垂直向脉动之间相位差为 ，且垂直向脉动比水平向脉动超前。脉动2在传播的过程中引起地表介质的质点作逆椭圆运动，而且椭圆上部质点的运动方向指向海洋的一侧;在 0.1Hz-0.5Hz 的频带范围内，水平向脉动(东西向)与垂直向脉动的幅值谱谱比一般在 0.5-0.8 之间，这和理论上推导得到的自由表面上的瑞利波的幅值谱谱比(0.54-0.79)有一个很好的吻合度.而且 0.1Hz-0.5Hz频带范

18、围内谱比的均值一般在 0.7 左右，这个和理论上得出的泊松介质自由表面的瑞利波水平向与垂直向幅值比(0.68)很接近，因此，有人认为瑞利波是脉5动的主要成分。目前为止，关于地脉动的主要成分仍然存在着非常大的争议。也有日本的学者Nogoshi、Igarashi 在 1970 年通过计算地脉动的水平分量和竖向分量的振幅比，分析得到的结果通过与利用瑞利波进行模型分析时计算的水平分量和垂直分量的振幅相比较登出的结论是十分的类似，因此他们认为地脉动的主要成分是瑞利波。还有一些人，像我们国内的一些学者许建聪、简文彬等人在把地脉动应用于地震工程时就将地脉动看作为一种以剪切波为主的波，如果我们能够清楚研究地脉

19、动的主要成分到底是体波还是面波，这无疑会促进地脉动在地震工程中的应用。图 2 地脉动信号的频率成分分析62.3 地脉动的震源同样，产生地脉动的震源的位置对于地脉动的应用也具有很重要的意义。现代研究表明，关于脉动产生的震源，主要持有三种观点：一种认为脉动是主要由台站周围的一些不确定的振动产生的，这种震动类似于白噪声;还有人认为脉动是地下岩体或者岩浆活动产生的，能够反映出地球内部活动的一些性质;但是目前最普遍被认同的观点是认为脉动是由于洋面上海浪的活动而产生的。1978 年 Asten 总结的早期科学家们的研究成果，他把 0.5-3.OHz 的脉动分为人工源、海岸的作用、海洋热气旋以及大气荷载和风的作用，前两种主要是由Rayleigh 波组成，第三种由 P 波组成，第四种类型为不确定.1998 年 Bard 综合 TKamura 和 See 等人的工作之后得出了结论:长周期的地脉动 (大于 2-3 秒)是由远距离的海浪产生的;中等周期的地脉动 (1-2 秒)主要是由近海岸的海浪和风产生的;短周期的地脉动主要由人类的活动产生。