吳麗慧, 廖武林, 黎金玲, 趙學(xué)彧(. 湖北第二師范學(xué)院, 湖北 武漢 43005; . 湖北省地震局, 湖北 武漢 43007)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長,人類活動強度急劇增加,活動范圍快速擴張,地震計觀測到的人為噪聲(cultural noise)受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。人為噪聲即人類活動引起的環(huán)境噪聲,主要集中于短周期頻段和高頻頻段,尤其是高頻頻段[1]。人類活動引起的噪聲源大多是分散或移動的,來自各個方向的波疊加形成相當(dāng)復(fù)雜且近似穩(wěn)定的隨機噪聲場,以高頻面波的方式傳播,隨距離和深度迅速衰減[2]。地震計將城市中人類日?；顒佑涗洖檫B續(xù)的噪聲信號,且具有高頻特征[3]。在人口密集地區(qū),人類活動產(chǎn)生的噪聲通常在晚上和周末較弱,白天和工作日較強[4],各地法定節(jié)日期間呈現(xiàn)出較安靜狀態(tài),比如國慶節(jié)、新年和中國農(nóng)歷新年[5]。Wu等[6]在高校建立了一個小型校園微震臺網(wǎng),獲得了為期一個月的連續(xù)地震波形記錄數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)地震高頻噪聲強度曲線清晰地展示了學(xué)生日?；顒拥膹姸葧r序規(guī)律。新冠疫情暴發(fā)以來,地震背景噪聲再次受到地震學(xué)界廣泛關(guān)注,大量研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于全球各地執(zhí)行疫情防控封鎖措施(lockdown),各地地震背景噪聲出現(xiàn)了不同比例的下降[5,7-8]。Lecocq等[5]研究發(fā)現(xiàn)在新冠疫情防控封鎖期間,人類活動的減少導(dǎo)致地震高頻噪聲在2020年3—5月期間平均下降了50%,認為這段安靜期很可能是由防控封鎖措施、服務(wù)業(yè)和工業(yè)關(guān)閉、旅游和旅行人數(shù)下降等總的影響造成的,并發(fā)現(xiàn)這段時期是有地震噪聲記錄以來最長、最明顯的地震背景噪聲安靜時期。

自20世紀(jì)50年代,地震儀器中記錄的地震噪聲就引起了地震學(xué)家的廣泛興趣[9]。深入認識地震儀器記錄的地震噪聲時變特征,可獲得對地震臺站勘選和降噪、地震觀測技術(shù)與儀器性能及人類活動的深入認識。起初,地震噪聲模型主要聚焦于地球本底背景噪聲。近年來,隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展和地震數(shù)據(jù)的逐漸公開共享,地震觀測記錄的人類活動噪聲受到關(guān)注,并被用于城市規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)、公共安全管理等領(lǐng)域。

系統(tǒng)研究地震噪聲并量化其強度的一個標(biāo)志性成果是高/低噪聲模型的提出。Peterson[10]基于SRO和ASRO地震觀測數(shù)據(jù),通過人工挑取較安靜時段的觀測數(shù)據(jù),首先定量計算了各個臺站在0.1～100 s頻帶的噪聲強度,提出了低噪聲模型(LNM)。隨后,通過融合其他數(shù)據(jù),這個噪聲模型的適用頻帶被展寬。并在此基礎(chǔ)上得出了高噪聲模型(HNM)。

基于全球75個地震臺站噪聲觀測數(shù)據(jù),Peterson[11]更新了全球噪聲模型,通過計算選定地震觀測數(shù)據(jù)的功率譜密度(Power Spectral Density,PSD),得出新的全球噪聲模型,新高噪聲模型(NHNM)和新低噪聲模型(NLNM)。通過全球比對試驗和觀測實踐,此模型已成為衡量臺站噪聲水平的重要依據(jù)和客觀標(biāo)準(zhǔn)。在傳統(tǒng)方法中,通常選擇相對平靜的一段地震記錄,通過計算其功率譜密度評估臺站噪聲水平[11]。該方法雖然在臺站背景噪聲水平的評估中獲得了廣泛的應(yīng)用,但在選擇噪聲記錄方面通常受一定主觀因素的影響,難以客觀反映臺站噪聲水平的整體特征。在此基礎(chǔ)上,McNamara等4]提出了基于概率密度的地震噪聲功率譜評估方法,即地震噪聲概率密度函數(shù)(power density function,PDF)。該方法使用連續(xù)地震觀測數(shù)據(jù),無需剔除諸如地震、人為活動等時窗段,通過概率形式獲得對臺站噪聲變化特征的準(zhǔn)確把握。

2020年1月底,新冠疫情在以武漢為首的湖北省內(nèi)蔓延。根據(jù)疫情防控需要,2020年1月23日武漢封城,此時正值中國春運高峰期并臨近中國農(nóng)歷春節(jié)(1月25日),人員跨區(qū)域流動量大。1月24日恩施州封城,同日恩施州內(nèi)新增11名新冠肺炎感染者。圖1為疫情期間恩施州新冠肺炎每日新增及累計感染人數(shù)。恩施針對新冠疫情采取了嚴(yán)格的疫情防控措施,具體措施如下:

(1) 1月24日0時起,暫停恩施州城區(qū)公交、室內(nèi)公共文化娛樂場所等營運營業(yè)活動。

圖1 恩施州新冠肺炎每日新增及累計感染人數(shù)(數(shù)據(jù)來源:湖北省衛(wèi)生健康委員會官網(wǎng)統(tǒng)計)Fig.1 Daily new and cumulative infected persons of COVID-19 in Enshi (Data source: Health Commission of Hubei Province)

(2) 1月26日0時起,城鄉(xiāng)道路客運、鄉(xiāng)村公交、跨市客運、旅游及包車客運暫停營運。

(3) 2月19日0時起,進一步強化新冠肺炎疫情防控措施,強化車輛通行管控,強化城鄉(xiāng)社區(qū)(村)封閉管理,所有城鄉(xiāng)居民小區(qū)實行24小時封閉管理。

(4) 2月底,根據(jù)湖北省新型冠狀病毒感染肺炎疫情防控指揮部發(fā)布的疫情管控文件,“省內(nèi)各類企業(yè)先按不早于3月10日24時前復(fù)工”,引導(dǎo)涉及民生保障的相關(guān)工業(yè)企業(yè)分批分期復(fù)工復(fù)產(chǎn)。

(5) 3月15日起,恩施實行安全有序“放”政策,實行分區(qū)分級差異化防控策略,撤除鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、辦、處)和村、組交通卡口,有序恢復(fù)城區(qū)出租車、市鄉(xiāng)客運班車、村村通客車營運,有序復(fù)工復(fù)產(chǎn)。

(6) 3月25日0時起,恩施州解除管控,恩施機場復(fù)航。

湖北恩施地震監(jiān)測中心站位于湖北省恩施市土橋壩五峰山,距離恩施城約3 km,始建于1976年,是全球數(shù)字地震臺網(wǎng)臺站、國家測震基本臺和國家地磁基本臺。該臺觀測歷史悠久,臺基條件好(圖2)。 本文選取恩施地震臺站2018年1月至2020年3月期間記錄到的連續(xù)波形數(shù)據(jù),通過計算功率譜密度PSD和地震噪聲概率密度函數(shù)PDF,并將2018年、2019年和2020年垂直向地震噪聲的加速度幅值進行對比,分析新冠疫情防控前后恩施州地震背景噪聲水平的變化特征。

1 數(shù)據(jù)處理和方法

本文選取2018年1月至2020年3月恩施地震臺站記錄的連續(xù)波形數(shù)據(jù),參照 Peterson[11]、McNamara等[4]、McNamara等[12]和王芳等[13]的方法,不對干擾數(shù)據(jù)進行篩選,將各臺站垂直分量的連續(xù)地震波形記錄去傾和去平均等預(yù)處理后,將其劃分為長度是1 h(3 600 s)的數(shù)據(jù)段,相鄰數(shù)據(jù)段50%重合,估算功率譜密度和概率密度函數(shù)。

圖2 湖北恩施地震監(jiān)測中心站Fig.2 Enshi seismic station in Hubei Province

1.1 功率譜密度的估算

噪聲功率譜密度PSD是衡量地震臺站噪聲水平的常規(guī)方法,最為常用的PSD值估算方法是通過離散傅里葉變換,即對觀測數(shù)據(jù)序列在有限時間范圍內(nèi)通過快速傅里葉變換進行計算[14-15]。

周期時間序列y(t)的有限范圍傅里葉變換可表示為:

大美新疆（柳京） .........................................................................................................................................11-56

(1)

式中:tr為時間序列段的長度;f為頻率。

對離散頻率值fk,傅里葉變換可定義為:

(2)

式中:fk=k/(NΔt),其中,k=1,2,3,…,N-1;Δt為采樣間隔;N為截取時段的采樣點數(shù)。

功率譜密度PSD定義為:

(3)

將式(3)中速度功率譜密度PSD轉(zhuǎn)換成加速度PSD,計算公式為:

Pα,k(f)=(2πf)2Pk(f)

(4)

將每小時計算樣本劃分為13個時間段,為減少PSD的方差,每段數(shù)據(jù)之間在時間上50%重疊。通過上式(4)計算每時間段的功率譜密度值,每小時的PSD值由13個時間段的PSD值平均得到。

1.2 概率密度函數(shù)的計算

(5)

式中:NPTc是功率譜密度值落在某PSD取值范圍內(nèi)的記錄段個數(shù);NTc是中心周期Tc在整個功率譜密度值范圍內(nèi)估計值的總數(shù)。概率密度函數(shù)PDF反映的是在所選取的地震觀測數(shù)據(jù)數(shù)列中,對某個特定中心周期,某個特定功率值出現(xiàn)的概率。

通過此方法對周期-功率值進行頻數(shù)統(tǒng)計,可以繪制地震噪聲概率密度函數(shù)PDF分布圖,具體計算由IRIS提供的程序來實現(xiàn)。該圖可與Peterson[11]的全球高低噪聲模型進行對比。

2 地震背景噪聲強度變化

本文基于湖北省恩施地震臺站記錄到的連續(xù)觀測數(shù)據(jù),系統(tǒng)計算了2018年1月至2020年3月間垂直向分量記錄的連續(xù)地震數(shù)據(jù)的功率譜密度PSD和概率密度函數(shù)PDF,具體結(jié)果如下。

圖3展示的是2018至2019年以及2020年防控期間的概率密度函數(shù)圖。從圖中可以看出,封城前后的地震噪聲功率譜在1 s及更長周期上并沒有出現(xiàn)明顯變化。而封城后短于1 s周期地震噪聲功率譜出現(xiàn)了明顯降低,如在0.1 s左右,功率譜出現(xiàn)了10～15 dB下降。這些高頻地震噪聲的顯著變化,對應(yīng)了封城期間抑制的人類活動和相關(guān)工業(yè)設(shè)施的運轉(zhuǎn)。

圖3 疫情防控前后恩施地震臺站垂直分量的PDF分布圖Fig.3 Vertical PDFs of Enshi seismic station before and after the prevention and control of COVID-19 pandemic

圖4是恩施地震臺垂直向地震噪聲功率譜在2018至2019年間及2020年恩施封城期間的日變規(guī)律圖。可以看出,2018—2019年間恩施地區(qū)高頻(～0.1 s)地震噪聲在早晨6時為-125 dB,隨后持續(xù)升高,并在中午12時左右到達峰值-115 dB;隨后(因午休？)降低數(shù)dB,在16時再次達到峰值;在晚上20時左右地震噪聲功率逐漸降低。此變化規(guī)律與恩施作息時間一致。而在疫情防控期間,日間幅值顯著下降,高頻噪聲功率譜相比之前同期降低～10 dB。需要指出的是,夜間噪聲低值略有下降,1 s以上的長周期地震噪聲并沒有出現(xiàn)明顯變化,這清晰地表明恩施地區(qū)最主要的高頻地震噪聲來源于人類活動。

圖4 恩施地震臺垂直向地震噪聲功率譜日變規(guī)律圖Fig.4 Daily variation law of vertical seismic noise power spectrum at Enshi seismic station

需要注意的是,2020年1月24日恩施開始封城,日期與中國農(nóng)歷春節(jié)重疊。春節(jié)期間,地震高頻噪聲常因人類活動減弱而減低。為了比對和消除往年春節(jié)期間人類活動減弱的影響,本文將2018年、2019年和2020年垂直向地震噪聲的加速度幅值進行對比(圖5)。在2018—2020年間春節(jié)前幾日的加速度幅值變化曲線高度一致,顯示了臺站所在區(qū)域高頻噪聲信號和地震儀器非常穩(wěn)定。在2020年1月24日(圖5的X軸上第754儒略天)0時起,恩施封城,地震高頻噪聲迅速降低。

圖5 2018年、2019年和2020年恩施地震臺記錄的垂直向加速度波形分鐘中值(1～10 Hz濾波)Fig.5 Minute mid-value of vertical acceleration waveform recorded by Enshi seismic station in 2018, 2019, and 2020(filtered at 1～10 Hz)

圖5為恩施地震臺2018年(黑點)、2019年(藍點)和2020年(紅點)垂直向記錄的加速度波形(1～10 Hz濾波)的分鐘中值。圖中X軸上的第754 儒略天(Julian天)為農(nóng)歷除夕。將三年的觀測數(shù)據(jù)按中國農(nóng)歷除夕進行了對齊。

2018年和2019年春節(jié)期間,地震高頻噪聲也出現(xiàn)了一定程度地下降,但其僅下降約20%,并且在春節(jié)7天假期結(jié)束后迅速恢復(fù)至節(jié)前水平,隨后逐漸變強趨勢(圖5)。然而,2020年新冠疫情防控期間,高頻噪聲加速度值一直維持在低幅值。

3 討論和總結(jié)

基于恩施地區(qū)2018年1月至2020年3月期間地震臺網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù),通過計算噪聲功率譜密度PSD和概率密度函數(shù)PDF,對恩施地區(qū)疫情前后地球背景噪聲進行定量化分析,得出恩施地區(qū)地震高頻噪聲與人類活動密切相關(guān)。

通過觀察和比對恩施州疫情前后的概率密度函數(shù)PDF,發(fā)現(xiàn)疫情封控期間(2020年1月24日至3月25日),恩施地區(qū)采取嚴(yán)格的疫情管控措施,該地區(qū)高頻噪聲(～10 Hz)明顯下降,且整體水平下降了10～20 dB。然而,在周期大于1 s 的長周期頻帶上,背景噪聲功率沒有出現(xiàn)明顯變化。在周期小于1 s的短周期頻段或高頻頻段,測振噪聲主要來源于人文噪聲,即人類活動引起的環(huán)境噪聲(如公路、鐵路、工廠等引起的噪聲)[2,16]。圖6顯示的是2019至2020年春節(jié)前后恩施州內(nèi)出行強度、遷出及遷入規(guī)模趨勢圖。由圖可以得出,與2019年相比,2020年恩施封城后州內(nèi)出行強度急劇下降,遷出和遷入恩施州的趨勢降幅更加顯著,出行強度與圖5噪聲數(shù)據(jù)趨勢基本一致。所以,疫情封鎖措施使得由人類活動振動產(chǎn)生的高頻地震噪聲明顯下降,該結(jié)果與Lecocq等[5]、Xiao等[17]得出的結(jié)果一致。

圖6 2019及2020年春節(jié)前后恩施州內(nèi)出行強度、遷出及遷入規(guī)模趨勢(數(shù)據(jù)來源: 百度遷徙https://qianxi.baidu.com/)Fig.6 Travel intensity, emigration, and immigration in Enshi Prefecture during the Spring Festival in 2019 and 2020 (Data source: Baidu migration https://qianxi.baidu.com/)

基于恩施地震臺垂直向地震噪聲功率譜在2018—2019年間及2020年恩施封城期間的日變規(guī)律發(fā)現(xiàn),疫情前,在周期小于1 s頻帶內(nèi),背景噪聲具有明顯的日變化特征,從早晨6時開始慢慢升高,中午12時達到峰值,隨后中午12—14時下降,而后逐漸上升在16時再次達到峰值,在晚上20時左右地震噪聲功率逐漸降低,該頻段噪聲日變化幅值變化與恩施生活作息時間一致;在疫情封控期間,高頻噪聲功率譜比之前同期降低～10 dB,且沒有之前的明顯的時段變化規(guī)律。周期大于1 s頻帶內(nèi),疫情前后沒有明顯變化。由此也表明,由于人類活動的減少,高頻段噪聲下降。

地震臺站記錄到的高頻噪聲變化與人類活強度相關(guān),所以可以通過檢測震動噪聲的強度變動來監(jiān)測社會公共事件以及各級機構(gòu)對相關(guān)重大政策的響應(yīng)情況。新冠疫情防控為研究人為噪聲與人類活動關(guān)系提供了客觀依據(jù),由此從地震學(xué)視角為人類活動監(jiān)測、城市規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi),公共管理等提供參考。

致謝:本PDF計算所采用的IRIS程序來自IRIS網(wǎng)站,中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)陳世驕研究生協(xié)助繪制了部分圖件,在此一并表示感謝。