2008～2009年云臺(tái)等高儀時(shí)緯殘差的異常波動(dòng)*

胡 輝，韓延本，蘇有錦，付 虹，尹志強(qiáng)，李語(yǔ)強(qiáng)，王 銳

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011;2.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012;3.云南省地震局，云南 昆明 650224)

2008年5月12日四川汶川發(fā)生了8.0級(jí)大地震，強(qiáng)度和范圍都超過(guò)了唐山大地震，是新中國(guó)成立以來(lái)最大的一次破壞性地震，造成非常慘重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，地震發(fā)生后有關(guān)科技工作者已陸續(xù)對(duì)其展開(kāi)研究。這次地震的震中距云南天文臺(tái)約670 km，相對(duì)于云南天文臺(tái)的方位是84°。8月30日四川攀枝花發(fā)生6.1級(jí)地震，震中距云南天文臺(tái)約164 km，相對(duì)方位為307°。12月26日昆明發(fā)生4.3級(jí)地震，震中距云南天文臺(tái)約24 km，相對(duì)方位為161°。在此期間，2008年3月、4月以及9月云南天文臺(tái)光電等高儀的時(shí)緯觀測(cè)殘差曾出現(xiàn)了一定程度的同步異常，本文將分析研究時(shí)緯觀測(cè)殘差的變化及其與這3次地震的可能關(guān)系。

1 天文時(shí)緯殘差與其異常的定義

所謂天文時(shí)緯殘差是用某一儀器測(cè)定的天文時(shí)間與緯度的觀測(cè)結(jié)果中扣除地球整體運(yùn)動(dòng)(自轉(zhuǎn)速率與極移)的影響之后的剩余部分，由儀器所測(cè)定的時(shí)間殘差RTj和緯度殘差RLj，可分別表示為:

這里(UT0–UTC)是用該儀器所獲得的世界時(shí)的觀測(cè)值。Δλ是從UT0到UT1的經(jīng)度改正量。(UT1–UTC)是該日世界時(shí)的綜合值。dΦj和dΦc分別是由該儀器測(cè)定的緯度變化值與該日的緯度變化的極性部分。Δλ與dΦc分別可由下式獲得，

其中X、Y是該日地極坐標(biāo)的綜合值。λj和Φj中分別是該儀器的經(jīng)﹑緯度。(UT1–UTC)、X、Y由國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)提供。

所謂時(shí)緯殘差異常，文中是指時(shí)間殘差與緯度殘差分別大于各自的標(biāo)準(zhǔn)偏差的兩倍的部分。

2 時(shí)緯殘差的處理方法

時(shí)緯殘差的處理方法，文［1－2］中作了較為詳細(xì)的介紹，為了便于讀者的閱讀與理解，本文給出如下。

(1)根據(jù)時(shí)緯殘差的定義，計(jì)算云南天文臺(tái)光電等高儀第i日的初始時(shí)緯殘差

(2)分別對(duì)RT'和RL'序列作零均值化處理

(3)消去周年與半年變化的地方項(xiàng)

根據(jù)天文學(xué)家多年的分析，地面光學(xué)天體測(cè)量?jī)x器所獲得的時(shí)間﹑緯度的觀測(cè)結(jié)果中普遍存在具有周年與半年調(diào)和變化的地方項(xiàng)(Kimura，1902;BIH，1984)，這些變化應(yīng)當(dāng)與地震無(wú)關(guān)，故采用了習(xí)用的調(diào)和分析方法(BIH，1984)］將其濾去。實(shí)際作法包括兩步:

a)用下式分別對(duì)RT″和RL″作正弦曲線擬合

這里t從歷書(shū)年的初始日期起算。

b)分別從RT″和RL″序列中扣去這個(gè)調(diào)和變化的地方項(xiàng)，從而得到凈化了的時(shí)緯殘差序列RT和RL。

(4)分別計(jì)算RT和RL的五日加權(quán)均值。

(5)為消除數(shù)據(jù)序列中的趨勢(shì)項(xiàng)和零點(diǎn)漂移，以有利于顯示異常，又采取逐年調(diào)整零點(diǎn)和分段處理的辦法。

(6)為了消除短期的偶然干擾，又用下式對(duì)每個(gè)序列作5點(diǎn)滑動(dòng)加權(quán)平均，最后計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差σ

這里F分別代表RT和RL.

實(shí)踐證明，5點(diǎn)滑動(dòng)平均平滑得到的結(jié)果是比較可靠的，但對(duì)觀測(cè)資料要求很嚴(yán)，必須確保每個(gè)5日點(diǎn)均有觀測(cè)，否則，缺一個(gè)5日點(diǎn)，通過(guò)5點(diǎn)滑動(dòng)平均平滑之后，就會(huì)去掉其余4個(gè)5日點(diǎn)，致使其結(jié)果中連續(xù)5個(gè)5日點(diǎn)不存在了。本來(lái)昆明的天氣就不大好，且有近半年的雨季，通過(guò)5點(diǎn)滑動(dòng)平均平滑之后就使最后的結(jié)果顯得更是稀少了。為了解決這一問(wèn)題，除了從根本上加強(qiáng)觀測(cè)之外，適當(dāng)采用4點(diǎn)拉格朗日扦值法補(bǔ)點(diǎn)，這曾在上世紀(jì)80、90年代作過(guò)詳細(xì)的比較和研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4點(diǎn)拉格朗日插值法補(bǔ)點(diǎn)補(bǔ)上的點(diǎn)最為接近資料的實(shí)際，所以，這次應(yīng)用了4點(diǎn)拉格朗日插值公式:

3 2008～2009年云南天文臺(tái)時(shí)緯殘差異常情況

根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)，時(shí)緯殘差異常一般超前地震2至3個(gè)月［3］，故一般于月初按照上述方法處理一次至上月末為止的觀測(cè)資料。圖1給出現(xiàn)了2008～2009年間云南天文臺(tái)光電等高儀的時(shí)緯殘差曲線。由圖可見(jiàn)，在2008年的3月、4月與9月上旬均出現(xiàn)了明顯的同步異常。

4 討論

時(shí)緯殘差異常與地震的震級(jí)、震中距等的關(guān)系是比較復(fù)雜的，根據(jù)歷史震例的分析，人們發(fā)現(xiàn)殘差異常出現(xiàn)后的一段時(shí)間里，發(fā)生過(guò)距離較遠(yuǎn)的大地震和距離較近的中等地震，或距離很近的小地震［4－5］。同時(shí)也存在一定比例的出現(xiàn)殘差異常而無(wú)地震，或有地震而無(wú)殘差異常的例子［1］。這些差別可能受地質(zhì)構(gòu)造差別的影響。但因?yàn)檎鹄怀浞?，目前?duì)此總結(jié)出明確的規(guī)律還存在較大的困難。

圖1 2008～2009年間云南天文臺(tái)光電等高儀的時(shí)緯殘差曲線Fig.1 Daily residual fluctuations of astronomical time measured by the photoelectric astrolabe at the YNAO from the year2008.0 to the year2010.0

特別是汶川地震，震級(jí)雖然很大，但震中距也很大，約670 km;對(duì)于攀枝花地震，則存在時(shí)緯殘差異常超前時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，已達(dá)4個(gè)月。此類情況在過(guò)去的分析中曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)［3］。天文測(cè)時(shí)測(cè)緯殘差在儀器附近的地震發(fā)生前出現(xiàn)同步異常的現(xiàn)象，已有一些例子。但是，地震孕育和發(fā)生的過(guò)程非常復(fù)雜，地震活動(dòng)表現(xiàn)出的現(xiàn)象具有多樣性。而地震畢竟是一種小概率事件，特別是對(duì)某個(gè)地區(qū)、某個(gè)構(gòu)造帶，甚至某類構(gòu)造帶，除個(gè)別地方外，其重復(fù)性一般是很小的，這就給人們總結(jié)地震的發(fā)生規(guī)律帶來(lái)很多困難。就時(shí)緯殘差與地震的關(guān)系來(lái)說(shuō)，發(fā)生在天文時(shí)緯儀器附近一定范圍內(nèi)的地震就更是小概率事件，天文時(shí)緯儀器本來(lái)就很少，它們分布在不同的地區(qū)、不同的構(gòu)造帶上，這就為總結(jié)時(shí)緯殘差異常與地震的關(guān)系帶來(lái)更大的困難。例如，在目前得到的震例中，有的發(fā)生在異常結(jié)束后的半個(gè)月、一個(gè)月、兩個(gè)月、三個(gè)月，甚至四個(gè)月。

關(guān)于地震前天文時(shí)緯殘差異常的物理機(jī)制，研究工作同樣有待深入。以前的研究初步認(rèn)為可能是地震前夕震區(qū)地下物質(zhì)發(fā)生異常運(yùn)動(dòng)引起的，相對(duì)容易運(yùn)動(dòng)的是地下水。地下物質(zhì)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起地球重力場(chǎng)的變化，重力場(chǎng)的方向即為垂線方向，天文時(shí)緯儀器是以地方鉛垂線為觀測(cè)基準(zhǔn)的，因此，鉛垂線的異常變化會(huì)影響天文時(shí)緯觀測(cè)，引起殘差異常［6］，而闞榮舉則認(rèn)為也可能是震前板內(nèi)塊體的移動(dòng)造成了鉛垂線的偏差［3］。我們認(rèn)為這兩者都是有可能的，但須進(jìn)一步進(jìn)行更深入的研究。

地震是地下物質(zhì)運(yùn)動(dòng)所致，內(nèi)因是決定的因素，但地下物質(zhì)到底如何運(yùn)動(dòng)，人們目前還不能直接觀測(cè)到，這正是地震預(yù)測(cè)這個(gè)世界性的難題的研究進(jìn)展緩慢的原因所在。時(shí)緯殘差震前異常的現(xiàn)象自上世紀(jì)70年代北京天文臺(tái)的科研人員發(fā)現(xiàn)以來(lái)［7］，經(jīng)過(guò)這些年各天文臺(tái)的共同研究，既有可喜的初步結(jié)果，也發(fā)現(xiàn)存在不少急需解決的問(wèn)題。地震作為造成巨大災(zāi)害的地球物理現(xiàn)象，需要人類花大力氣研究。同樣，時(shí)緯殘差異常與地震的關(guān)系也需要開(kāi)展更深入的研究，期待它能發(fā)展成為一種有用的地震前兆，與其它前兆手段結(jié)合起來(lái)分析、研究，為地震預(yù)測(cè)作出貢獻(xiàn)。

目前的研究表明，時(shí)緯殘差異常和其它地震前兆手段一樣，與地震之間并不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是說(shuō)任何單一前兆資料的異常都不是預(yù)測(cè)地震的必要而充分的條件。這可能是蓋勒等人認(rèn)為地震是不可預(yù)測(cè)的一個(gè)重要原因［8］。相反，如果人們發(fā)現(xiàn)了與地震有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系的前兆現(xiàn)象，地震預(yù)測(cè)就不是什么世界性的科學(xué)難題了。汶川地震剛過(guò)去兩年，中國(guó)地震局成立了專門的考察隊(duì)對(duì)汶川地震進(jìn)行了科學(xué)考察，各種資料比較充分和全面;云南天文臺(tái)2008～2009的測(cè)時(shí)測(cè)緯原始資料也都完整存在，這都為有志于此的研究人員提供了有利條件。正因?yàn)槿绱?，我們希望有興趣的讀者，尤其是年青人和地學(xué)界的學(xué)者能對(duì)此作深入研究。同樣，采用2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為判定殘差異常，主要是根據(jù)習(xí)用的數(shù)據(jù)處理和地球物理資料處理而采用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，是否恰當(dāng)，也是值得研究的。

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［3］闞榮舉，胡輝.云南及其周鄰大地震與云南天文臺(tái)時(shí)緯殘差變化［J］.中國(guó)地震，1995，11(4):299－309.Kan Rongju， Hu Hui. The Major Earthquakes in and around Yunnan and Variation of Astronomical Time-latitude Residuals Determined in Yunnan Observatory［J］.Earthquake Research in China，1996，10(3):227－239.

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