地震背景噪声在地震学研究中具有不可忽视的作用，其不仅是制约地震与火山活动监测精度的关键因素，更能为地下介质结构成像、壳幔动力学过程反演提供重要约束^[1-2]。从来源构成看，自然因素主导的噪声（如海洋微震、大气扰动、地壳微应变释放等）多集中于1 Hz以下低频段，具有稳定性强、传播范围广的特征；而人类活动引起的噪声（如道路交通、工业机械运转、建筑施工及城镇生活振动等）则主要分布于1 Hz以上高频段^[3-7]，此类噪声源大多数是分散或移动的，其多方向波叠加形成复杂且近似稳定的随机噪声场，且以高频面波形式传播，受介质衰减与传播距离影响显著，能量随深度与距离快速衰减^[8]。在人口密集地方，人类活动产生的噪声具有明显的昼夜变化特征和季节性变化特征^[9-11]。近年来，随着地震背景噪声观测技术与数据分析方法的日趋成熟，国内众多学者运用PSD及PDF方法在不同地区开展了地震背景噪声的研究工作。Lecocq等^[12]在COVID-19全球封锁期间观测到人为噪声的显著下降，为研究人类活动对地震噪声的影响提供了独特视角；Riahi等^[13]研究了交通对地震台站的噪声影响；安全等^[14]、杨龙翔等^[15]分别研究了内蒙古地区、河南省的背景噪声特征。然而，腾冲火山区地处板块汇聚边界带，壳幔结构呈现显著非均匀性且岩浆活动活跃^[16]，是我国重要的火山监测区域之一，目前针对该区域的背景噪声研究仍较为匮乏。

腾冲地震台作为腾冲火山台网的重要组成部分，承担着该地区的地震和火山活动监测任务。因此，为系统分析腾冲地震台站背景噪声的时间变化特征及特殊事件对其产生的影响，本研究选取腾冲地震台2018—2020年的三分量连续地震波形数据为研究对象，采用功率谱密度（PSD）与概率密度函数（PDF）方法的定量计算，分析腾冲地震台不同频率下的背景噪声变化特征及新冠疫情防控等特殊事件变化特征，为台站背景噪声的精准评估、台站优化改造以及提高观测数据质量提供重要的理论依据。

腾冲地震台（以下简称腾冲台）台站代码为TCG，是重要的国家台之一，地震计为CTS-1EF型120 s-50 Hz甚宽频带地震计，采用EDAS-24GN型6通道24位数采，采样率为100 SPS，采用GPS授时系统，台站为山洞台站，台基类型为花岗岩，该台站距离腾冲城区500 m，台址周边以山地地形为主（图1），周边有城镇、村庄及交通线路等人类活动区域，其观测数据具有较好的代表性。选取腾冲地震台2018—2020年连续波形数据作为研究对象，采用Welch^[17]周期图法对原始波形进行功率谱密度（PSD）与概率密度函数（PDF）的定量计算，定量评估腾冲台的背景噪声变化。

首先将腾冲台连续波形数据进行预处理，包括去噪、去倾和去均值等处理。其次进行功率谱密度（PSD）计算：采用McNamara和Buland^[5]提出的标准化方法。将连续数据按1小时长度分割，50%重叠，计算每个小时段的PSD。利用汉宁窗平滑周期图，最后计算各频点上的概率密度函数（PDF）和不同百分位的PSD值，以表征噪声水平及其随时间的变化。再对其进行概率密度函数分析，概率密度函数可用于描述地震背景噪声振幅的概率分布特征。

图1 腾冲台地理位置图Fig.1 Geographical location map of Tengchong Seismic Station

概率密度函数（PDF）能统计地分析各频段的功率谱密度，直观地反映长时间内地震台站的背景噪声水平^[18]。图2为腾冲台2018—2020年三分量噪声加速度功率谱密度的概率密度函数分布。由图2可见，腾冲台在0.05~1 Hz微震频段内观测到两个峰值，即第一类地脉动噪声和第二类地脉动噪声。第一类地脉动噪声频段范围为0.05~0.1 Hz，是由海浪拍击海岸产生的噪声，0.1~0.5 Hz频段范围内的背景噪声被称为第二类地脉动噪声，它是由深海区和近海海岸海浪间的相互作用产生，是海浪传播到大陆的主要能量^[9]。腾冲台在0.1~0.5 Hz频段均出现颜色较深区域，表明此频段是噪声能量的主要分布区域，由于腾冲处于内陆地区，距离海岸线较远，台站记录到的地脉动噪声以第二类地脉动噪声为主,这与同处内陆的内蒙古地区山洞台站类似^[19]。腾冲台三分量的噪声功率谱密度的概率密度函数在分布上呈现出不同特征，其中在长周期频段，垂直向的噪声功率谱密度曲线波动范围较水平分量小，这可能是因为，在长周期频段，背景噪声水平分量比垂直分量更容易受到温度扰动和大气压变化的影响^[20-21]。在1~4 Hz频段的噪声功率谱密度曲线明显高于全球高噪声模型曲线，表明腾冲台在此频段内背景噪声干扰较大，这与其所处嘈杂的环境有关。中值反映了腾冲台噪声功率谱密度的中间水平，是噪声分布的典型代表值，中值曲线的变化能够直观呈现噪声功率谱密度在不同频段的集中趋势，因此在后期分析中用中值代表腾冲台的平均噪声水平。

通过对腾冲台2018—2020年地震背景噪声数据进行功率谱分析，得到疫情前和疫情防控期间不同频段的功率谱密度变化情况，2020年1月25日—2月23日为疫情防控期（图4）。从图4中可见，在<1 Hz的低频段，疫情前和疫情防控期间的功率谱密度无明显变化，这可能是因为低频段地震背景噪声主要受地球内部构造活动、海洋潮汐、温度和气压等自然因素影响，人类活动对其影响相对较小^[24]。在1~10 Hz频段，疫情防控期间的功率谱密度较疫情前有显著降低，降幅达到11.9%（图6 （a））。这一频段的地震背景噪声主要与人类活动相关，如交通流量、工业生产、建筑施工等^[14]。新冠疫情防控期间，腾冲地区采取了限制人员流动、暂停部分生产经营活动等措施，导致交通流量减少、工业和建筑活动放缓，从而使得该频段地震背景噪声能量降低。10~30 Hz频段噪声功率谱密度下降5 dB，降幅约4%，但降幅相对1~10 Hz频段较小（图6（b）），该频段噪声主要受近地表环境振动影响，如机械操作振动、高速行驶的车辆等^[6]，疫情防控期间人员流动减少，此类活动相应减少，导致高频段噪声降低。研究表明疫情防控政策对1~10 Hz频段下噪声功率谱密度影响较10 Hz以上高频段强，可能与10 Hz以上高频信号距离腾冲台较远，而此信号在地表传播中衰减速度较快有关^[8]。疫情防控措施取消后，腾冲台噪声水平又恢复原来的水平。

图4 腾冲台2018—2020年垂直向不同频段的功率谱密度变化图Fig.4 Power spectral density variation of vertical components in different frequency bands at Tengchong Seismic Station from 2018 to 2020

为深入研究疫情防控措施对地震背景噪声的影响，选取腾冲台疫情前任意3天和疫情防控期间任意3天的连续波形数据，对比分析其垂直分量噪声功率谱密度PSD的日变化特征（图7）。新冠疫情防控前（图7（a）），高频段噪声功率谱密度呈现明显的日变化规律，上午8:00—12:00和下午14:00—16:00出现两个功率谱能量峰值，这与城市交通高峰时段车辆密集行驶产生的振动密切相关^[25]。而在疫情防控期间（图7（b）），中高频段的日变化特征显著减弱，能量峰值消失，全天噪声水平较为平稳，反映出交通管制、限制人员流动等防控措施使人类活动大幅减少，从而改变了腾冲台的噪声日变化模式。

图5 腾冲台2018—2020年夏冬季节三分量中值曲线图Fig.5 Three-component median curve of Tengchong station in summer and winter from 2018 to 2020

图6 腾冲台2018—2020年1~10 Hz和10~30 Hz频段下噪声功率谱密度变化图Fig.6 Noise power spectral density variation in 1~10 Hz and 10~30 Hz frequency bands at Tengchong Seismic Station from 2018 to 2020

图7 腾冲台新冠疫情防控前（a）、后（b）垂直分量噪声功率谱密度值PSD的日变化图Fig.7 Diurnal variation of vertical component PSD before (a) and after (b) COVID-19 prevention and control at Tengchong Seismic Station

选取腾冲台2018—2020年的连续地震波形数据，应用噪声功率谱密度PSD和概率密度函数PDF分布方法，分析腾冲台的背景噪声水平，得出以下结论：

（1）对于1 Hz以上高频段，腾冲台背景噪声呈现显著的时间变化特征，其日变化规律与人类活动节律高度吻合，表明人类活动是该频段背景噪声的主导干扰源。在新冠疫情防控期间，腾冲台1 Hz以上高频段噪声水平显著降低，日变化特征明显减弱，这一现象印证了疫情防控措施导致的人类活动强度减弱，对台站高频段背景噪声水平及其日变化规律产生了直接影响。而1 Hz以下频段，疫情防控前后噪声水平未出现明显差异，进一步说明人类活动的噪声能量主要集中于高频段。

（2）在0.05~0.5 Hz微震频段，腾冲台观测到两类地脉动噪声峰值，即第一类地脉动噪声与第二类地脉动噪声。受内陆地理位置影响，台站记录的地脉动噪声能量主要集中于0.1~0.5 Hz频段，该频段噪声由深海与近海海岸海浪相互作用主导产生，且具有显著季节性变化特征，冬季噪声能量水平较夏季高约2.5 dB，且冬季噪声峰值出现频率低于夏季。

（3）在0.05 Hz以下长周期频段，腾冲台水平分量噪声水平呈现明显的日变化和季节性变化特征，白天噪声水平显著高于夜间，夏季噪声水平高于冬季，其变化规律与气温及大气压变化具有相关性；而垂直分量在此频段内无明显变化规律。这一差异表明，腾冲台背景噪声在长周期频段，水平分量比垂直分量更容易受到温度扰动和大气压变化产生的地倾斜的影响。

综上，本文研究成果为地震台站背景噪声的精准评估、台站布局优化与技术改造，以及观测数据质量的系统性提升提供了重要的理论依据。同时，通过分析新冠疫情防控等特殊事件，厘清了人为噪声与人类活动的内在关联，从地震学视角为人类活动监测、城市规划、防灾减灾及公共管理提供了参考。