由于场地条件显著影响地震地面运动的特性，因此在开发地面运动预测方程（GMPE）时必须考虑这些因素，其中通常应用场地放大因子来量化这些效应。传统上，场地放大因子是根据土壤场地顶部30米内的时间平均剪切波速度来表示的，即VS30 [1,2]。然而，海底的地质特性（如剪切波速度剖面和海底土壤层的厚度）目前难以测量 [3]，这使得直接应用基于VS30的方法来表征海上场地条件变得不切实际，甚至是不可能的。因此，即使有足够的海上地震记录，开发考虑场地条件的海上GMPE仍然具有挑战性。例如，由于缺乏明确的场地参数，胡等人 [4] 通过为每个站点分配一个特定常数项来开发海上GMPE，以考虑场地效应，而不是使用通用的场地条件代理。因此，寻找简单且成本效益高的替代方法来评估海上环境中的场地条件效应是必要的。
作为替代方案，中村 [5,6] 提出了水平-垂直频谱比（HVSR）方法。在这种方法中，地表地震运动的剪切波（S波）部分的HVSR被用作场地传递函数的代理——具体来说，是地表和基岩之间水平S波分量的傅里叶幅度谱（FAS）比率。这种近似的有效性基于两个关键假设：（1）基岩处的水平和垂直地面运动幅度大致相等；（2）在上层软土层中，水平分量经历显著放大，而垂直分量几乎不受放大。然而，这种方法的准确性可能会受到表面波的影响。中村 [[5], [6], [7]] 认为，将水平谱除以垂直谱可以有效消除这些瑞利波效应。
虽然HVSR方法已被用于估算陆上场地的S波场地放大（例如，参考文献 [5,8]），但多项研究（例如，参考文献 [[9], [10], [11], [12]）表明，当垂直放大不可忽略时，该方法可能会低估实际的S波放大。对于陆上场地，可以通过结合补充数据（如应用平均垂直放大校正函数 [13]）来减轻这种估计偏差。然而，对于海上场地，这样的补充数据通常不可用，使得直接估计场地放大变得困难。
另一方面，HVSR技术可以可靠地识别陆上场地的共振频率（包括基本共振频率），并且识别的共振频率可以用作场地分类的代理，在GMPE中的场地项公式开发中替代VS30 [14,15]。在这种方法中，HVSR曲线中的第一个显著峰值通常被解释为场地的基本频率 [[16], [18], [19], [20]]。
HVSR方法已应用于最近的海上工程研究中。胡等人 [21] 使用水平-垂直响应频谱比来分类海上场地类型，以开发依赖于场地条件的GMPE。然而，这种方法在海上场地的适用性尚未得到充分验证。海上环境与陆上场地不同，因为它们具有饱和土壤和上层海水，这可能会改变波的传播特性，从而挑战HVSR方法的有效性。杨和佐藤 [22] 以及李等人 [23] 使用基于Biot理论的流体-固体耦合波动方程研究了陆上饱和土壤场地中的平面波传播 [24]。他们的结果表明，饱和土壤的垂直场地放大小于未饱和和干燥土壤的垂直场地放大。Crouse和Quilter [25] 观察到由于海水层的动态效应，在特定频率下垂直地面运动受到显著抑制。Boore和Smith [26] 进一步分析了从观测地震记录和完整波场的理论模拟中得出的垂直-水平频谱比，表明这些比率受到海水层的动态效应和海底特性的影响。这些发现表明，上层海水的存在可能会影响海上场地基本频率的可靠识别。然而，傅等人 [27] 报告称，HVSR方法可以有效估计海上自由场地的频率。我们注意到傅等人 [27] 和Boore和Smith [26] 的分析案例中的水深存在差异，前者中的水深为1486米，而后者中的水深小于300米。尽管如此，上层海水柱的动态响应对场地响应的影响尚未得到充分理解。此外，完全饱和的海底土壤中存在的流体-固体耦合效应也可能影响地震波的传播，从而影响场地响应。这些因素对HVSR方法可靠性的影响尚未量化。
因此，本研究旨在通过量化这些因素在海上场地中的影响，从理论上探讨HVSR方法确定海上场地基本频率的适用性和局限性。我们通过系统地将从HVSR曲线得出的基本频率与理论场地传递函数得出的基本频率进行比较来评估该方法的能力，后者作为基准。这是通过使用明确考虑海水层的动态影响和饱和土壤的孔隙弹性（流体-固体耦合）行为的一维（1D）场地模型来完成的。
本文的其余部分结构如下。第2节介绍了包含海水层和饱和土壤方程的海上场地模型的理论框架。第3节对单层土壤模型进行了参数分析，系统研究了包括海水深度和海水P波速度（Vp）在内的关键参数对HVSR曲线的影响。第4节将此分析扩展到多层土壤剖面，以进一步评估该方法的有效性。第5节通过将理论结果与S-net站点的观测海上地震数据进行比较来验证这些结果。第6节讨论了HVSR特性对S波窗口长度、海底地形和有效频带的敏感性。最后，第7节总结了研究的主要结论。
