方韜 葉青 朱國(guó)豪

摘 要：對(duì)于安置于佘山臺(tái)的DZW重力儀在2016年連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行潮汐分析和提取重力殘差處理，結(jié)合佘山臺(tái)降雨量、靜水位等水文觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析重力儀觀測(cè)數(shù)據(jù)受水文變化的響應(yīng)特征，得出降雨時(shí)重力變小，降雨后重力逐漸變大的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：重力觀測(cè)；DZW重力儀；潮汐分析；降雨；靜水位

中圖分類號(hào)：P315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）31-0065-02

Abstract： For the continuous observation data of DZW gravimeter installed at Sheshan Seismostation in 2016， tidal analysis and gravity residual processing are carried out. Combined with hydrological observation data such as rainfall and static water level of Sheshan Seismostation， the response characteristics of gravimeter observation data to hydrologic changes are analyzed， and the law that gravity becomes smaller during rainfall and becomes larger gradually after rainfall is obtained.

Keywords： gravity observation； DZW gravimeter； tidal analysis； rainfall； still water level地球任何形變及密度變化均產(chǎn)生重力場(chǎng)時(shí)間變化；地震火山活動(dòng)、地殼變形、地球旋轉(zhuǎn)、地幔對(duì)流、GIA等。其中地下水變化與降雨是影響重力觀測(cè)的重要因素之一。近年來(lái)水文影響對(duì)連續(xù)重力觀測(cè)的研究已經(jīng)從經(jīng)驗(yàn)性轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ蚚1]。本文采用上海市佘山地震基準(zhǔn)臺(tái)DZW重力儀2016連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐分析和提取重力殘差處理。提取ZKGD3000-N型地下流體監(jiān)測(cè)設(shè)備地下水位數(shù)據(jù)，RTP-II型氣象三要素的2016年降雨量數(shù)據(jù)，以這三臺(tái)儀器數(shù)據(jù)分析DZW連續(xù)重力觀測(cè)的水文響應(yīng)特征。

1 連續(xù)重力觀測(cè)

佘山地震臺(tái)位于西佘山南側(cè)山腳處，西佘山海拔99米，佘山山洞高程1米。DZW重力儀放置在山洞水平墩上，洞內(nèi)溫度、濕度比較穩(wěn)定，連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量符合對(duì)比分析需要。2015年6月，因數(shù)采故障，造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)做缺數(shù)處理，后重新進(jìn)行標(biāo)定，采用新格值后，數(shù)據(jù)潮汐因子回復(fù)正常，且數(shù)據(jù)精度有一定提高。

2 數(shù)據(jù)處理

重力儀原始數(shù)據(jù)為秒采樣，利用重力學(xué)科組給定的漢寧窗的數(shù)字低通濾波器將秒采樣數(shù)據(jù)濾波為分鐘采樣：利用中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中的尖峰、突跳、階躍等干擾信號(hào)進(jìn)行手工修正，通過(guò)已處理好的分鐘值數(shù)據(jù)，得到整點(diǎn)小時(shí)值。通過(guò)對(duì)整點(diǎn)值，進(jìn)行調(diào)和分析，計(jì)算其固體潮汐因子。通過(guò)對(duì)潮汐因子的分析，佘山臺(tái)重力儀在儀器工作穩(wěn)定的前提下，數(shù)據(jù)資料質(zhì)量較好，整體性能良好，可用于之后有關(guān)水文活動(dòng)對(duì)重力變化的影響的相關(guān)研究。

基于臺(tái)站經(jīng)緯度及高程，通過(guò)ICET推薦標(biāo)準(zhǔn)潮汐預(yù)處理軟件Tsoft軟件，采用Wparicet計(jì)算臺(tái)站的潮汐參數(shù)，通過(guò)一階差分和極移校正，得到理論固體潮汐值，扣除已得到的整點(diǎn)值的數(shù)據(jù)序列，得到重力殘差。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 上海地區(qū)降雨情況

受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，上海市年內(nèi)降雨分配不均，夏季水量最為集中，占比為41.4%，在空間分布上，年降水量及變化趨勢(shì)呈東西分布，市區(qū)多于郊區(qū)，東部沿海大于西部?jī)?nèi)陸地區(qū)，圖1，松江地區(qū)年均降雨量1128-1141mm。

3.2 佘山臺(tái)降雨情況

收集RTP雨量計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)2015-2016年數(shù)據(jù)處理，得到每個(gè)月份的總降雨量。佘山地區(qū)降雨主要集中與夏秋兩季，其中6月降雨量最大，分別為277.2mm和240.9mm。秋季又因有臺(tái)風(fēng)等因素影響，導(dǎo)致大的降雨過(guò)程。年變數(shù)據(jù)與歷年上海地區(qū)及松江地區(qū)的降雨情況基本符合，說(shuō)明2015-2016年佘山地區(qū)降雨情況正常變化動(dòng)態(tài)，未出現(xiàn)洪澇、干旱等極端惡劣氣候。

同時(shí)根據(jù)2015、2016年的降雨數(shù)據(jù)，結(jié)合近兩年的臺(tái)風(fēng)影響數(shù)據(jù)兩年降雨數(shù)據(jù)均在6月-7月有大幅度的上升，主要是因?yàn)槟戏降狞S梅雨季的降水所造成，同時(shí)在2016年6月及10月均出現(xiàn)日變幅度比較大的降雨情況，主要是因?yàn)槭艿蕉鄠€(gè)臺(tái)風(fēng)的直接或間接影響，造成大量的降雨。

3.3 降雨造成的重力變化分析

利用降雨量較大的月份，對(duì)重力數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行殘差計(jì)算，并于降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析。通過(guò)降雨數(shù)據(jù)，一個(gè)月內(nèi)降雨較大的月份有2016年6月、10月，主要對(duì)這些月份的重力數(shù)據(jù)進(jìn)行殘差計(jì)算，與降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

分別對(duì)上述兩個(gè)月重力數(shù)據(jù)進(jìn)行殘差計(jì)算，所得數(shù)據(jù)與當(dāng)月降雨量數(shù)據(jù)就行對(duì)比。

從圖1我們可以分析出，佘山臺(tái)DZW重力儀的重力殘差變化和降雨有比較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，大部分情況下，他們之間的關(guān)系滿足降雨時(shí)重力變小，降雨后重力逐漸變大的規(guī)律。產(chǎn)生這一特征的原因，主要是因?yàn)橘苌脚_(tái)重力觀測(cè)位于西佘山南側(cè)山腳處，西佘山海拔99米，佘山山洞高程1米。降雨開始時(shí)，雨水覆蓋到地表層，由于西佘山海拔高于觀測(cè)山洞，海拔高的地方的雨水層對(duì)重力產(chǎn)生引力傾斜向上，與重力儀處于同海拔的雨水層對(duì)重力儀的引力相互抵消，這時(shí)重力值變小。降雨結(jié)束后，高海拔地區(qū)的雨水漸漸大量流向低海拔地區(qū)，在低于重力儀海拔的地層形成了一個(gè)更豐富的覆蓋層及含水層，這時(shí)重力儀受下層含水層引力影響重力值增大。十三陵地震臺(tái)使用gPhone重力儀也觀測(cè)到了類似現(xiàn)象[2]。

3.4 重力變化與地下靜水位變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖2是DZW重力儀觀測(cè)結(jié)果的重力殘差和佘山地震臺(tái)靜水位關(guān)系

由圖2可以分析得出，地下靜水位與連續(xù)重力觀測(cè)殘差曲線存在較好的相關(guān)性，水位上升時(shí)重力值增大，水位下降時(shí)重力值減小。通過(guò)圖2分析出DZW重力觀測(cè)到的重力變化與靜水位存在1天左右的延遲對(duì)應(yīng)關(guān)系。延遲原因可能是地下水流動(dòng)造成的，由于地下結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，地下水的活動(dòng)受很多地址環(huán)境的影響，如地下水流動(dòng)、斷層的阻斷等，都會(huì)造成重力變化對(duì)水位活動(dòng)的延遲[3，4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)佘山地震基準(zhǔn)臺(tái)的DZW重力儀對(duì)2016年的重力連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐因子分析和提取重力殘差處理。并提取ZKGD3000-N型地下流體監(jiān)測(cè)設(shè)備地下水位數(shù)據(jù)，RTP-II型氣象三要素的2015、2016年降雨量數(shù)據(jù)，分別從這三臺(tái)儀器2年數(shù)據(jù)中提取了2016年6月2016年10月這兩月，這兩個(gè)月的水文變化大，數(shù)據(jù)完整性好適合分析DZW連續(xù)重力觀測(cè)的水文響應(yīng)特征。結(jié)果顯示：（1）佘山臺(tái)降雨變化與DZW重力儀重力殘差變化有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，大多數(shù)情況下，它們之間的關(guān)系是降雨時(shí)重力變小，降雨后重力逐漸變大的規(guī)律。該現(xiàn)象可根據(jù)觀測(cè)臺(tái)站周圍特定的地形條件定性解釋。（2）連續(xù)重力觀測(cè)殘差曲線與地下靜水位之間存在較好的相關(guān)性，水位下降時(shí)重力減小，水位上升時(shí)重力增大并分析發(fā)現(xiàn)DZW重力觀測(cè)到的重力變化與靜水位存在1天左右的延遲對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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