1.1 数据
基准站、基本站和一般站一共1172个台站，主要使用2023年8月17日00点至24点，一共24 h miniseed格式的连续波形，进行环境地噪声计算分析。数据选取需要避开较大地震或台风天气等重大影响，采用一个自然天的24 h连续数据，即可用于评价全省整体情况，因为环境地噪声一般来说是比较稳定的，其季节变化是比较缓慢[1]，只要包含了白天和夜晚的完整地噪声昼夜变化的24 h数据，加上采取的PPSD方法（下文有详细介绍），对24 h数据进行分段重叠计算和概率统计处理，就能够体现出台站环境地噪声的固有水平和特征， 24 h连续波形数据（需要避开较大地震或台风等）就能足够用于评估和分析全省地震预警网三类站环境地噪声的整体特性。需要说明：由于台站数量比较多，任何一天都很难出现全部台站是正常的，因此需要对少量的由于仪器故障或其他问题引发的波形异常，本文采取了2023年6月18日00点至24点的正常波形数据进行代替。
图1 广东地震预警网1172个三类站分布图Fig.1 Distribution of 1172 stations of three types in Guangdong EEW network
1.2 方法
环境地噪声是随机信号，在频率域，采用功率谱密度（简称PSD，全文同）来描述地动噪声特性，给出不同频段的噪声平均功率水平；在时间域，采用给定频带内的均方根（简称RMS，全文同）值来描述地动噪声水平。环境地噪声是平稳随机过程，计算PSD就是进行波形数据自相关函数的傅里叶变换，通过对原始数据进行有限长度的快速傅里叶变化（FFT）的基础上再来计算其PSD。
在计算机编程实现时，可以采用 python matplotlib库中的mlab.psd方法，或matlab提供的周期图法pwelch函数计算PSD[2]。由于本文重点是对全省三类站噪声进行整体评估，因此对计算过程涉及的公式不进行论证和描述，仅展示部分重要转换公式[3][4]。
PSD的数学表达式（用P表示）与工程学表达式（用Pe表示），两者之间的关系为：
Pe=2P（1）
RMS值与PSD之间的关系：
RMS=（PSD×（fu-fl））1/2（2）
上式中，fu是分段倍频程的上限频率，fl是分段倍频程的下限频率。
dB值与PSD之间的关系：
dB=10lg（PSD）（3）
本文PSD使用的是工程学表达式，主要使用加速度dB值来表示，而速度或加速度RMS值是基于工程学PSD转换获得。在计算机编程实现时，本文使用Python matplotlib库中的mlab.psd方法，该方法使用了功率谱密度Welch平均周期图法，在计算过程中需要去除线性趋势和加余弦窗函数，还要根据仪器零极点灵敏度转换因子等进行去除仪器响应等处理，本文采用的都是通过仪器响应校正把原始记录数据转换为地动加速度（先计算PSD，再进行仪器响应校正），mlab.psd方法的参数设置使用具体如下：
mlab. psd（data， nfft， sampling_rate， detrend=mlab. detrend_linear， window=taper， noverlap=nlap， sides='onesided'，scale_by_freq=True） （4）
式（4）中， data是波形数据， sampling_rate是采样率，mlab.detrend_linear是去除线性趋势，taper是余弦窗函数。需要说明：本文采用onesided单边频谱，对应PSD工程学表达式，这与matlab的pwelch函数参数onesided是一样的。
1.3 过程
对24 h连续波形进行分段，每段为900 s，段与段之间波形重叠50%，因此24 h连续波形一共分为191段进行噪声PSD、RMS等计算。每段计算一次Welch平均周期图法的PSD，移动PSD窗口进行多段次数据计算，然后叠加同一个台同一分量的所有PSD段次计算结果，汇聚在一起进行概率统计分析，进行PPSD分析。为获得PSD随频率变化的特征，需要对PSD在频率域进行分段平滑处理，本文根据规范采用了三分之一倍频程作为滑动步长，其均值标记在每段倍频程的中心频率处。
本文采用的PPSD方法[5]，全称为概率功率谱密度（Probabilistic Power Spectral Densities），与E. McNamara D等的PDF方法[6]原理是一样的，可用于评估较长时间连续数据的质量和台站环境地噪声水平。计算时不需要剔除地震事件、爆破事件、阶跃和正弦波标定等突发干扰事件，在计算过程中不断叠加更多数据时，对这些干扰事件进行概率统计处理，在评价台站质量时，将干扰事件包含在内作为地噪声成分的一部分进行计算和评估，用来评价台站观测系统的环境地噪声水平、运行状态和记录数据质量。通过PPSD计算与分析，获得了高噪声、低噪声、均值噪声、高概率噪声等概率统计分析结果，本文主要采用均值噪声和高噪声结果。
均值噪声是指24 h连续波形共分为191段各自计算结果的平均值，主要用来评估三类站的环境地噪声水平（如下文提到的PSD均值频谱），因为平均值代表了环境地噪声水平的固有特性和稳定性。
高噪声是指24 h连续波形共分为191段各自计算结果的极大值（在本文中取大于98%各段的极大值，而不取100%的最大值，因为100%最大值与偶发因素有关，参考去掉最高分最低分的常用科学评价方法），主要用来评估加速度计或烈度仪类型的台站环境地噪声干扰情况（如下文提到的RMS值概率分析），因为极大值代表了环境地噪声水平的干扰特性。
1.4 规范
（1）基准站。地面或井下台基的环境地噪声水平应符合“ 《GB/T 19531.1-2004地震台站观测环境技术要求》第1部分：测震”[7]第4章规定的要求，广东地区属于C类地区，应不大于III类环境地噪声水平，即1～20 Hz频带范围的速度RMS值小于3.16×10-7 m/s（本文的RMS值均是指1～20 Hz频带范围，全文同）。环境地噪声水平等级分类用速度RMS值表示为（本文只涉及Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级）：
Ⅰ级环境地噪声水平：Enl<3.16×10-8 m/s；
Ⅱ级环境地噪声水平：3.16×10-8 m/s≤Enl<1.00×10-7 m/s；
Ⅲ级环境地噪声水平：1.00×10-7 m/s≤Enl<3.16×10-7 m/s。
（2）基本站。基本站必须符合《DB/T 17-2006地震台站建设规范 强震动台站》[8]和《DB/T 60-2015地震台站建设规范 地震烈度速报与预警台站》[9]的最大背景振动加速度噪声的要求，即台址场地的地面脉动在1～20 Hz频带范围内的最大背景振动加速度噪声RMS值应不大于0.01 m/s2，宜小于0.001 m/s2。本文采取的是0.001 m/s2的高标准要求。
（3）一般站。一般站必须符合《DB/T 60-2015地震台站建设规范地震烈度速报与预警台站》[9]的最大背景振动加速度噪声的地震预警要求，即台址场地的地面脉动在1~20 Hz频带范围内的最大背景振动加速度噪声RMS值，用于地震预警时，应不大于0.01 m/s2，宜小于0.001 m/s2。本文采取的是0.001 m/s2的高标准要求。
