1、本科毕业论文（20 届）海上风暴潮的陆地地面振动响应研究所在学院 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 录摘要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 国内外研究概况 .11.3 研究路线 .2第二章 风暴潮 .22.1 风暴潮的定义 .22.2 风暴潮的成因 .22.3 风暴潮的灾害 .3第三章 地脉动 .43.1 地脉动的定义 .43.2 地脉动的分类 .43.3 地脉动的成因 .43.4 动脉的主要成分 .43.5 地脉动的震源 .5第四章 陆地脉动噪声信号的处理与分析 .64.1 风场、脉动数据 .64.2 数据处理
2、与分析 .64.2.1 风场数据分析 .64.2.2 脉动信号数据分析 .8第五章 总结 .12参考文献 .13英文翻译 .14英文原文 .22致谢 .28I海上风暴潮的陆地地面振动响应研究摘要概要讲述了风暴潮和地动脉的相关知识，对利用地动脉监测风暴潮提出理论上的可行性。利用功率谱分析，对嵊泗观测台站宽频地震仪记录的 1,4,7,10 月的地震噪声信号进行傅里叶变换，计算其功率谱密度函数。通过对该信号发生期间风场强度的比较，发现在 0-10Hz 之间，7 月的脉动信号能量比其他月份在陆地台站产生的信号要强，有一个明显的跃升。由于风场对脉动噪声信号的影响一般集中在 0-10Hz 之间，这与 7
3、月风场强度有着显著的联系。风场强度大，风携带的能量强，经过海洋、陆地的相互作用后产生的陆地脉动噪声就相应的变强。功率谱图 0Hz 附近，谱线同样有一个相对的难以清晰辨认的跃升。这表明，海面风暴对陆地地面震颤的卓越周期的存在。得到两者之间的联系为地震观测台站对风场进行某些分析预测提供了可能的借鉴。在今后的研究中，甚至可能通过脉动噪声信号对风暴轨迹进行追踪。这也是本文在今后的研究方向。关键词：风暴潮；地动脉；傅立叶变换；功率谱分析IIAbstractThe summary describe the related knowledge of the Storm Surge and Ground Ar
4、tery,raies the feasibility for use the Storm Surge and Ground Artery.Using the power spectrum analysis in Shengsi observation stations, the use of broadband seismometers record 1,4,7,10 months of earthquake noise signal Fourier transform, calculates the power spectral density function. Compare the s
5、ignal during the wind field intensity, found that July pulsing signals in energy than any other month produced terrestrial stations between in zero to ten Hz, is a clear signal of stronger jumped. Wind noise signal to ripple effects of general concentration in the zero to ten hz between July wind fi
6、eld intensity with significant contact. Wind field intensity big, resulting in strong energy, wind carried by sea, land after the interaction of the land produced the strong pulsation of the noise will accordingly. Near zero Hz power spectrum diagram, spectrum line also had a relatively difficult to
7、 clearly identify the jumped. This shows that the storm to the terrestrial ground the existence of the predominant period thrills. Get the contact between, for some analysis and prediction of wind field provided the possibility for reference. In the future, and may even through the pulse noise signa
8、l to the storm trajectory tracking. This is based on the future research direction.Keywords: Storm surge; Microtremor; Fourier transform; power spectrum analysis1第一章 绪论1.1 研究背景在海洋石油开发 中,无论是规划岸边基地及油码头,还是确定登靠平台设施以及结构物飞溅高度均需考虑海 区风暴潮。风暴潮的出现 ,很可能造成采油平台的颠覆 ,而致使整个油田原油溢入海中,造成严重海洋污染和经济损失。研究我国沿海风暴潮无论对海洋工程中的采油
9、平台,钻井装置及深水石油码头 ,还是港 口工程中防波堤布置 ,断面设计及港 内稳泊条件设计等均有重要的意义。沿海风暴潮无论对海洋工程中的采油平台,钻井装置及深水石油码头,还是港口工程中防波堤布置、断面设计及港内稳泊条件设计等均有重要的意义。风暴潮的监测与预报研究具有实际意义。风暴潮是由热带气旋 、温带气旋 、冷锋的强风作用和气压骤变引起 的水面异常升降现象 ,又称风暴增水或气象海啸。我国位于太平洋西岸 ,夏 、秋季节热带气旋影响时间长、次数多冬春季节 冷空气活动频繁 ,常伴有温带气旋发生,形成大风天气 ,加上近海大陆架水域较浅 ,岸带上众多河湾 ,宽阔的滩涂有利于风暴潮的充分发展,因而 ,风暴
10、潮灾害是十分严重的。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。1.2 国内外研究概况上世纪三、四十年代，Gherzi、Banerrji 等注意到台风对脉动的幅值有重要的影响，通过对脉动与台风之间联系的相关研究，发现了噪声信号与大气运动之间的相关性。从此有关地脉动与风暴的相关性研究就越来越多。在 1950 年，英国的海洋学家 Higgins 提出了应用海浪驻波理论解释海洋引起地脉动的方法。Stehly 等利用美国
11、、欧洲和坦桑尼亚若干个台站一年的数据对不同周期的噪声进行了分析。他们发现，5-10s 的噪声源能量十分稳定，并不随季节变化，且其来源集中在海岸线附近。但 10-20s 的噪声则显示了明显的季节性变化，认为 10s-20s的噪声可能并不来自于海岸线，而是起源于大洋深水区的海浪波动。Yang 和Ritzwoller 用类似的方式选用更多的台站对噪声来源进行了研究后发现，10-20s 以及 5-10s 的噪声来源都表现出了明显的季节性变化，且都源自海岸线。Pedersen 等利用台阵 FK 分析的方法对芬兰地区的噪声研究，也确认了地脉动频段内的噪声确实起源于海岸线。Koper 等人的研究表明，背景噪
12、声中有相当一部分能量以体波的形式存在。Zhang 等人的研究表明，海洋风暴引起的噪声中含有强烈的 P 波信号，甚至可以用于风暴轨迹的追踪。我国地脉动的研究是在上世纪 60 年代开始的，以场地分类、卓越周期和震害关系的研究及应用为主要课题。胡聿贤教授等对地脉动做了大量的测试和研究工作，2于 1964 年制定了我国抗震建筑设计规范中将地脉动的卓越周期确定为场地分类的参考指标。金星、康兰池等也利用 2005 年发生的几次对福建省造成重大影响的台风，对期间福建省地震台网记录的脉动信号研究了均方根速度和卓越周期随着台风变化而发生的变化，并建立了均方根速度和卓越周期两个模型。1.3 研究路线本文的研究主要
13、是围绕海面风场数据和地震台站观测的噪声数据的分析处理来展开的。全文共有六章。第一章主要介绍了本文的研究背景以及国内外对相关课题的研究状况，对其做了一个简单的回顾与梳理，并对接下来要做的工作做一个安排。第二章对风暴潮的概念做了一个简单的介绍，了解其定义和分类情况。同时，讲解了风暴潮的成因和灾害等。第三章主要对地脉动的概念做了一个简单的介绍，了解其定义等一些基础情况。第四章重在对风场数据和陆地地面脉动噪声信号数据的作图、比较、分析。通过对研究数据的处理分析，来验证发现风场与脉动噪声信号之间的联系。第五章对整篇文章做了最后总结，得出本次研究课题的结论，综述研究成果.2第二章 风暴潮2.1 风暴潮的定
14、义在剧烈变化的天气系统的作用下 ,近岸地区的海而产生水位急剧 升降现象谓之 “风暴潮”这一词 ,在欧洲用 “Storm Surge”,在北美洲则“Storm Surge”和“Wind tide”两词通用。但是由于在“超高层大气物理学”中,将“Wind tide”归于大气潮。从此这一名不再使用了 。然而在北关又应用“Wind tide”,它有时与“Storm Surge”有同一个涵义，有时却又是天文潮和风暴潮的总和的名称,也用热带风暴名之。苏联称之“增减水” （Haroh，croh）,日本谓之“气象潮” ,我国称之“风暴潮”含义与北美的概念一致它的名词虽多，但涵义大都一样。既然风暴潮是一个海面波
15、动的现象,那末在大洋波谱中风暴潮一般集中在 10-4CPS。根据Platzman（1971）给出的一个大洋波谱 （1） 可以注释这一现象。 （见图 1 大洋波谱）2.2 风暴潮的成因形成严重的风暴潮的条件有以下三个 ：1 ）强烈而持久的向岸大风的天气形势 2）有利的岸带地形如喇叭口状港湾及平缓海滩3）天文大潮配合。我国沿海出现向岸大风的天气系统主要有热带气旋 、温带气旋 、冷高压等。热带气旋引起的增水多在夏 、秋季节 ,以东南沿海区域最重 ,增水强度与风暴登陆地点、路径、强度 、风向变化 ,大风持 续时间等多种 因素有关。据统计 ,1949-1981年33年间，发生在我国岸带增水1m 以上的热
16、带气旋暴潮年均6次 ,1.5m 以上年均3次 ,2m 以上年1次 #我国增水最高的台风暴潮记录是 5.94m .居世界第三位（世界最高增水记录为 7.5m）。我国北方沿海 ,寒潮大风也是 诱发风暴潮因素之一。当南下的冷高压前方的冷锋到达渤海和黄海北部 ,造成偏东北大风 ,可使渤海湾、莱州湾等地发生风暴潮,发生时间多在冬季和初春 ,只有少数引起较大的灾害。造成风暴潮的温带气旋主要属于黄海气旋和渤海气旋 ,多发生在春季 。实际上 ,黄 、渤海风暴 潮多发生在冷锋和气旋相配合构成的“北高南低”天气形势下。1949-1985年间渤海共发生7次较强的风暴潮 。我国汕头至广州湾 雷州半岛东面浙江沿岸是台风
17、暴潮的多发区。另外台湾海峡由于特殊地形 ,其沿岸也是风暴潮多发区。在我国东部和北部沿海,历史上强大的风暴潮多与天文大潮配合,两者叠架 ,潮位更高,造成的灾害更重 。在江苏沿海和上海地区 ,特大风暴潮均由热带气旋和夭文大潮叠加造成。在 8-9 月 ,夭文潮是全年的最高时期 ,特别是大潮汛时 ,出现风暴潮的可能性最大 。32.3 风暴潮的灾害风暴潮是导致全球生命财产损失最严重的自然灾害之一 ,一次严重的风暴潮灾常造成成千上万的人员伤亡和数亿、甚至数十亿美元的财产经济损失 。中国是全球少数几个同时受台风风暴潮和温带风暴潮危害的国家之一 ,风暴潮灾一年四季、从南到北均可发生 ,损失严重。其中清康熙 三
18、罔续识略 中记载的 1696 年发生在上海地区的一次特大风暴潮灾 ,死亡人数达 10 万人之多；民国潮州志 记载的 1922 年 8 月袭击广东头地区的特大风暴潮灾 ,经竺可祯先生考证认定的死亡人数超过 7 万人。据不完全统计 ,仅公元前 48 年至公元 1949 年的近 2000 年间 ,有较详细记载的特大风暴潮灾就有 576 次 ,平均不足 4 年就有一次 ,一次死亡人数少则上千 ,多则数万至 10 多万。近 40 年来,由于各级风暴潮预报警报体系的建立 ,以及大量海堤等海岸防护工的修建和加固等 ,潮灾死亡人数虽有所减少 ,但灾害直接经济损失则不 断增大。如 1992 年第 16号强热带风
19、暴在福建长乐沿海一带登陆后 ,一路北上、导致我国沿海普遍出现高潮位 ,致使全国被毁海岸工程总长超过 1170km；巩潮水冲毁公路、桥梁 1680km；淹没农田 198 万多公顷,鱼塘、虾池 5 万公顷，因灾死亡 193 人 ,直接经济损超过 92 亿元。1994 年 8 月 21 日,第 17 号台风在浙江温州一带沿海登陆,正值天文大潮汛期 ,造成当地百年不遇的特风暴潮灾 ,共造成 1150 万人受灾 ,189 个城镇进水 ,228 万人一度被潮水围困,潮水漫溢浸淹农田近 5 万公顷,冲毁海堤塘坝 760多 km ,因灾死亡 1216 人 ,直接经济损失 124 亿元。据有关部门估算 ,近 4
20、0 年来 ,我 国沿岸风暴潮灾害每年造成的直接经济损失已由 50 年代的平均 1 亿元左右 ,增加到 80 年代后期的 20 亿元左右 ,90 年代以来更高达 70 多亿元,其中严重的 1994 年 ,年直接经济损失超过 192 亿元。因而风暴潮灾害一直是 国内外学术界研究和关注的重点.4第三章 地脉动3.1 地脉动的定义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
21、一种干扰出现的，因此也称其为噪声。3.2 地脉动的分类从地震观测的角度 ,按周期长短把地脉动分为两类: 一是短周期地脉动;二是长周期地脉动 ,长短周期地脉动有如下区别:(1) 常时微动。为短周期地微动 ,一般 0.11s ,波长较短 ,是地微动信号中反映场地土动态特性的成分 ,主要是近距离的人类活动、交通运输、械振动等人工振动源引起的。在理论上可用横波在土层中的多层反射理论解释。(2) 脉动。为中长周期地微动 ,一般为 1 s 至几十秒,波长较长,是地微动中反映振源特性的分量,主要是由海浪、风雨、气候、雷电、火山、地震等自然现象变化引起的,由较远距离的振源或海洋波浪、大气环流及地球深部构造运动
22、激发 ,可利用它研究地震、台风、火山及地球内部的其它运动 ,理论上可用面波传播特征解释。相对于常时微动而言 ,是一短期内的振动现象 ,故称之为 “脉动” 。在场地现场测试 ,常时微动白天、晚上均可测量,干扰的因素较少,且测得的卓越周期变化不大 ,较稳定;而脉动应在晚上进行 ,因为白天有噪声干扰 ,测得的数据失真。3.3 地脉动的成因周期为 1 s 以下的地脉动即常时微动 ,主要反映了场地结构的动力学特性 ,与振源关系不大 ,可以把它看成是由地下垂直入射的 SH 波 ,这种假设可以解释许多实际观测到的现象2。根据波传播理论 ,SH 波从下伏基岩垂直入射覆盖土层中 ,在水平成层土中的传播可以用一维
23、平面波在层状介质中的传播来模拟。在小应变范围 ,土层可以看作线弹性或粘弹性介质。从下伏基岩入射的波在基岩与覆盖土层的界面处会发生反射和透射 ,上行透射波在遇到土层内部的分层界面时还会发生反射和透射 ,自上层界面处反射向下的下行波也会在下界面处发生反射与透射 ,新的反射波和透射波又会在前进方向上的下一个界面处产生各自的反射波和透射波。振动经过多次的反射与透射到达地表。3.4 动脉的主要成分 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
24、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5之间相位差为 ，且垂直向脉动比水平向脉动超前。脉动在传播的过程中引起地2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
25、，因此，有人认为瑞利波是脉动的主要成分。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体波，如果我们能够清楚研究地脉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3.5 地脉动
26、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。
