低溫降水對未來強震的指示意義

明亮

防災科技學院，北京 東燕郊 101601

低溫降水對未來強震的指示意義

明亮

防災科技學院，北京 東燕郊 101601

本文列舉震前低溫降水與強震相對應的案例。指出這種對應關(guān)系的內(nèi)在機制是：震前地殼內(nèi)應力增強裂隙增多，使地下氣體大量逸出，大氣中氣溶膠濃度增大；從誘發(fā)寒潮，反射、吸收太陽入射輻射、改變云層性質(zhì)及作為水蒸氣凝結(jié)核造成降水等方面導致低溫。

低溫降雪；氣溶膠；地殼破裂

low temperature；snowing；aerosol；crustal fractures

1 低溫降水后的地震

2008年1 月中下旬我國南方冰雪凍雨低溫災害和之后的5.12汶川大地震這兩次事件都給國人乃至世界留下深刻印象。這兩次罕見事件集中發(fā)生是出于偶然嗎？如果在低溫降雪與強震之間確實存在聯(lián)系機制的話，那么今冬的歐洲及東北亞大雪極寒天氣可能預示著什么呢？

學者們以往所做的對低溫降水與地震關(guān)系的研究主要著眼于大的時間尺度上(數(shù)十年以上)強震和低溫間存在對應關(guān)系[1]-[3]，以及震后有時會有低溫降水出現(xiàn)[4]。

本文研究強震之前數(shù)月至十數(shù)月的低溫降水現(xiàn)象，探尋這種現(xiàn)象對強震的指示意義。震前出現(xiàn)低溫降水的情況很多。以去年發(fā)生的3.11東日本大地震為例，大震前2010/2011年冬天東北亞日本、韓國、中國東北部，俄羅斯遠東頻頻出現(xiàn)低溫降雪極端天氣。日本全國遭遇寒冷天氣，一些地區(qū)的最低氣溫和最高積雪紀錄被紛紛刷新。東海岸宮城等6縣連降罕見大雪；西海岸沿日本海地區(qū)暴雪連綿，一天的降雪量達50至80厘米，部分地區(qū)雪深超2米，有37個觀測點的最深積雪量刷新有記錄以來的最高值。日本西部的北廣島市，兩天的降雪累積達到195厘米，創(chuàng)歷史紀錄。面向日本海的鳥取與島根兩縣，370艘停泊中的漁船因突如其來的大雪的重壓而沉沒，創(chuàng)下日本歷年最大損失紀錄。

2011年1 月也是韓國1960年代以來最寒冷的1月。1月16日和17日，遭遇十年一遇的低溫寒潮，部分地區(qū)的最低氣溫和最高積雪紀錄被刷新。一些往年較溫暖的南部地區(qū)也遭遇創(chuàng)紀錄低溫。16日6時，首爾地區(qū)的最低氣溫為2001年以來最低。釜山出現(xiàn)自1915年以來的最低氣溫。2月13日江原道東海岸地區(qū)普降大雪，積雪量超過1米，創(chuàng)下自1911年開始氣象觀測以來的最高紀錄。

中國內(nèi)蒙古2010年入冬后大部地區(qū)降雪早，降水偏多。呼倫貝爾入冬較常年偏早半個多月。興安盟科爾沁右前旗11月遭受30年不遇的特大暴雪襲擊，降雪比往年提前40多天。吉林省12月中旬平均氣溫比常年同期低4攝氏度左右。通遼市遭遇五十年一遇的特大暴雪襲擊；扎魯特旗局部地區(qū)積雪達1米多深，形成當?shù)?0年來最為嚴重的“白災”。遼寧省在年底前相繼遭遇6次寒潮襲擊，已達到歷年整個冬天的平均寒潮次數(shù)。

俄羅斯遠東鄂霍次克海地區(qū)到2010年底遭遇罕見寒流，海水結(jié)冰的范圍和嚴重程度是近年來最為嚴重的。2011年初海冰厚達兩米。

在這種低溫降雪極端天氣后不久，2011年3.11東日本大地震發(fā)生了。

在我國，除了2008年初的南方雪災后發(fā)生汶川大地震外，2010年4月14日青海玉樹7.1級地震之前，2009年10月底北京地區(qū)出現(xiàn)自1951年有正式氣象記錄以來的第三早初雪。2009年12月1日至2010年1月12日，華北等地共25個氣象站日最低氣溫超歷史極值。2009年入冬后至2010年1月中旬，全國平均降水量為18.5毫米，較常年同期偏多3.9毫米，為2004年以來同期最大值。新疆北部和東部、內(nèi)蒙古大部及華北北部、東北、江淮、華南中部和東部等地降水（雪）量偏多5成至2倍。新疆降雪量為1951年以來同期最多，黑龍江降雪量為同期次多。

之后不久玉樹地震發(fā)生，造成近2700人死亡和270人失蹤。

美國2009年10月下旬中西部的科羅拉多州和懷俄明州等地連降暴風雪。三天內(nèi)懷俄明的降雪量打破當?shù)爻Ｄ?0月份的降雪總量紀錄，而科羅拉多的降雪量也創(chuàng)造自1997年以來的最高紀錄。中西部12月的平均氣溫均極端偏低，特別是西部的氣溫偏低4℃至8℃。

2010年1 月9 日美國加州北部海岸線一帶發(fā)生6.5級地震；4月5日，美墨邊境發(fā)生7.1級地震。

2009年12 月19 日至20日，美國東部普降暴雪，華盛頓地區(qū)遭遇強暴風雪，積雪深度達61厘米，創(chuàng)下1932年12月以來之最。2010年1月上旬，美國東北部再次遭遇暴雪侵襲，給佛蒙特州帶來83厘米降雪，打破了1969年創(chuàng)下的76厘米的降雪紀錄。美國南方也變得寒氣逼人；出現(xiàn)罕見的降雪現(xiàn)象。2月5日包括華盛頓在內(nèi)的中大西洋地區(qū)，又遭受罕見的猛烈暴風雪吹襲；至2月10日的6天里部分地區(qū)總降雪量達一百三十九點四厘米，為一百一十年以來的新高。華盛頓地區(qū)不到兩個月內(nèi)連降兩場暴雪，屬歷史罕見。

2010年1 月13 日，加勒比海島國海地發(fā)生7.3級地震。

美國今冬天氣形勢總體不錯。在歐洲、日韓遭遇大雪極寒時，美國卻經(jīng)歷了一個“暖冬”。但在上一個(2010/2011年)冬天，那里的暴雪嚴寒還是令人印象相當深刻的。從2010年圣誕節(jié)開始，美國暴風雪的消息就不斷。圖1顯示的是2011年1月11日暴雪再次降臨后的美國降雪的情況“大雪在50個州中的49個州現(xiàn)身”。圖中除佛羅里達州外，美國49個州被積雪覆蓋。氣象專家稱，這種氣候現(xiàn)象極不正常。

之后從2月1日開始，新一輪暴風雪席卷美國東北部地區(qū)，波及30個州，橫跨3000多公里，使得這個冬天成為美國不少地方有記錄以來雪最多的冬天。美國國家氣象局說，這輪暴風雪可能是美國有氣象記錄以來屈指可數(shù)的幾場大風雪之一。芝加哥積雪51厘米，規(guī)模為當?shù)赜邢嚓P(guān)記錄以來第三。伴隨著冷雨和強風，中西部氣溫驟降，部分地區(qū)2日晚最低氣溫達零下20多度，超過半數(shù)的州發(fā)布暴風雪或凍雨預警。全國超萬次航班因此取消。

不久前墨西哥南部的7.6級大震和剛發(fā)生加利福尼亞灣6.9級地震就發(fā)生在上述暴雪現(xiàn)身之后的一年多一點兒。

半個多世紀前出現(xiàn)的一次寒—震對應關(guān)系與2008年初南方凍災—5.12汶川地震這種對應在時空上的相似程度極高：1954年12月下旬長江中下游、淮河流域大部及黃河、海河流域一部遭寒潮大雪。長江、淮河之間積雪達1～3尺深；除長江干流外，重災區(qū)大小河流、湖泊結(jié)冰。凍災的氣溫之低、降雪之大為數(shù)十年未見。皖、鄂、蘇3省及湘、贛2省北部的降雪一直延續(xù)到次年1月上旬。低溫大雪后約4個月，1955年4月14日四川康定發(fā)生M 7.5地震。

再譬如1969年1月下旬至2月中旬，我國大部地區(qū)受兩次強寒潮侵襲，天氣異常寒冷，形成新中國范圍最廣、持續(xù)時間最長、影響最大的低溫災害之一。1月底至2月初武漢、長沙、南京、上海、南昌等地最低氣溫分別接近1955年1月出現(xiàn)的記錄最低溫。黃河下游出現(xiàn)歷史上罕見的兩次封凍、解凍現(xiàn)象，造成較重凌汛。渤海海面持續(xù)低溫，出現(xiàn)了幾十年罕見的封凍。黃河中、下游到南嶺之間不少地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)凍雨。半年后，1969年7月18日渤海發(fā)生M7.4地震；又過了半年，1970年1月5日云南通海發(fā)生M 7.7地震。

2 低溫降水—地震的聯(lián)系機制

以上所舉震例中，低溫降水均出現(xiàn)在強震前數(shù)月至一年稍多的時間里，給人以二者之間似乎存在著某種必然聯(lián)系的感覺。下面來分析這種聯(lián)系的可能機制。

地球內(nèi)部存在著成分不同的大量氣體。這些氣體由于地球自轉(zhuǎn)和地球內(nèi)部存在的巨大壓力差、溫度差、密度差和化學能量差而受到總體上離地心向上發(fā)散的驅(qū)動?；鹕絿姲l(fā)、地熱田等現(xiàn)象一方面體現(xiàn)著地球內(nèi)熱的散佚，另一方面也體現(xiàn)著地球巨大的宏觀排氣作用。除了宏觀排氣，微觀的地氣外逸也在全球范圍進行著[6]。微觀逸氣是指地球內(nèi)部氣體持續(xù)或斷續(xù)地沿地殼中的薄弱帶向上的運移；氣體逸出地表時并不可見，只有通過儀器才可以直接或間接地測得。地表逸氣的強度受地下構(gòu)造（氣體上升通道）條件、應力強弱（受擠壓程度）等因素控制。大震前地殼中應力水平增強，微破裂大量產(chǎn)生和發(fā)生貫通，有利于地氣的排出。地震前地球排氣的時空規(guī)模往往是巨大的；排氣時攜帶平時處于地表淺層的氣溶膠粒子進入大氣，使大氣中氣溶膠的濃度增大。

氣溶膠是由固、液體微粒（稱為分散相）穩(wěn)定懸浮于氣體（分散介質(zhì)）中形成的分散體系。微粒的線度非常小，在10～3μm～0.1mm之間。它們可以是被風揚起的細灰和微塵、海水濺沫蒸發(fā)而成的鹽粒、火山爆發(fā)的散落物、工農(nóng)業(yè)粉塵、化石和非化石燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物以及生物花粉、孢子等?？煞譃橐淮螝馊苣z（以微粒形式直接從發(fā)生源進入大氣）和二次氣溶膠（在大氣中由氣態(tài)物轉(zhuǎn)化而生成）。像火山噴出的二氧化硫氣體轉(zhuǎn)化成三氧化硫再與水反應生成硫酸后和金屬氧化物微塵反應生成的硫酸鹽微粒就是二次氣溶膠。霧、霾、煙、靄、微塵和煙霧（smog）等都是不同形態(tài)的氣溶膠。

強震前（土壤）氣溶膠粒子（納米至亞微米尺度）被地氣攜入大氣的量激增。如1995年日本阪神大地震之前，大阪大學偵測地震的氣溶膠儀器的離子濃度升高，大氣離子（荷電氣溶膠粒子為主）濃度暴增200倍，高達（20～30）萬個/厘米3[8]。2004年底造成近30萬人死亡的印度洋地震海嘯前，未來震區(qū)及其下風向地區(qū)氣溶膠的分布空間逐漸增大，到震前幾乎整個北印度洋上空都布滿了濃度較高的氣溶膠[9]。所以盡管主要是微觀逸氣，但震前空氣中氣溶膠的量仍相當可觀。

下面分析震前地表逸氣及由此產(chǎn)生的空氣中氣溶膠濃度增大可以產(chǎn)生的降溫降水效果。首先，地表逸出氣體本身溫度可能相對地表空氣高（尤其在冬半年），逸出后同原來的近地空氣一起被震前地溫增高的地表加熱[10]。震區(qū)上方的大氣密度因此會減?。徽饏^(qū)出現(xiàn)“低氣壓”。低氣壓會“吸引”高密度冷空氣向未來震區(qū)方向流動形成大風天氣。特別是在冬半年，震區(qū)低氣壓會吸引高緯度地區(qū)形成的勢力強大、深厚寬廣的冷氣團。這種冷性高壓勢力可能向未來震區(qū)方向“潰決”，在包括震區(qū)在內(nèi)的廣大地區(qū)形成寒潮。

其次，像火山氣溶膠一樣，震前被地氣攜帶進入大氣的大量氣溶膠會在空中形成一層很薄、無法用肉眼看到的霧，產(chǎn)生一點遮蔽地表的效果，起到冷卻的作用。正如地震前后極震區(qū)的人們嗅到過逸出的地氣霧帶有硫黃或臭雞蛋氣味(硫化氫氣味)[11]-[13]等現(xiàn)象所反映的，逸出氣體和氣溶膠中很多是含硫的。含硫氣溶膠反射太陽入射輻射效果相當好，火山氣溶膠就是硫酸鹽氣溶膠。

震前震區(qū)地表逸出的“地震氣溶膠”除了反射和吸收陽光使氣溫降低，還通過其它途徑使大氣降溫。氣溶膠粒子尺度極小，它的一個重要氣象作用，就是作為水蒸氣的凝結(jié)核使氣態(tài)的水分子在它上面凝成水滴。在有凝結(jié)核的情況下，水蒸氣在達到飽和時（相對濕度100%）會凝成水滴；而在無凝結(jié)核時，相對濕度要達到300%以上（在自然條件下很難達到）才有凝結(jié)成水滴的可能。所以，空氣中氣溶膠粒子增多會使水蒸氣凝聚的機會增大。當空中的水汽含量不變時，氣溶膠粒子的增加會增加云滴數(shù)目，減小云滴的有效半徑。云滴有效半徑的減小使其相互碰并長大到自重大于空氣浮力形成降水變得困難，也就是降低了云的降水效率，增加了云的壽命，使區(qū)域大氣整體的反照率增加，形成降溫。但特別在這里要指出的情況是：當空中水汽足夠豐沛的時候，氣溶膠微粒作為水蒸氣凝結(jié)核凝結(jié)水汽，聚集成云造成降水（雨或雪），導致溫度下降的作用將彰顯；這在低溫季節(jié)尤為明顯。由于造成地震前后地殼逸氣的上升氣流強度與火山噴發(fā)時的上升氣流強度規(guī)模根本無法相比，所以地震前后所形成的地震氣溶膠將基本停留在雨雪現(xiàn)象主要發(fā)生的大氣對流層內(nèi)，它們作為水汽凝結(jié)核導致降水的作用將十分顯著。

地震氣溶膠生成后一般不會在震區(qū)上空停滯不動，而是隨著氣流不斷飄向下風地區(qū)。像火山氣溶膠或者沙塵氣溶膠一樣，這種漂移可以持續(xù)很長距離。其造成低溫降水的氣象效應于是可以出現(xiàn)在下風向很遠處。中國處于中緯度盛行西風帶上，西部地區(qū)地震氣溶膠可以飄到東部才形成低溫降水；這一方面也是由于東部地區(qū)離海較近水汽較豐沛的緣故。本文中所舉的中國的寒—震關(guān)系的例子中多屬這種情況。此外風冬季由大陸吹向海洋，夏季由海洋吹向大陸等氣流運動，也決定著地震氣溶膠擴散的方向。

3 展望

綜上所述，大地震前由地表逸氣造成震區(qū)低氣壓，吸引冬季高緯度區(qū)的高壓冷氣團向震區(qū)所在區(qū)域擴散，形成寒潮；地震氣溶膠使大氣中氣溶膠濃度增大，反射和吸收太陽入射輻射；還會使云滴的有效半徑減小，云滴數(shù)目增加，導致云的壽命和反照率增加；在水汽豐沛的情況下，會在震區(qū)附近及震區(qū)下風向地區(qū)形成降水。這四者都會造成震前廣大區(qū)域的氣溫下降。

基于“低溫降水—強震”間存在著上述物理機制的聯(lián)系，所以當區(qū)域性低溫降水情況突出，且持續(xù)較長時間時，我們就應考慮這可能與震前的地氣逸出、大氣中氣溶膠的濃度增大有關(guān)。也就是說，低溫降水可并不只是一個單純的氣象事件而是意味著未來大地震的臨近。今冬席卷歐洲和日韓等國的“極寒”天氣從1月中旬開始，大雪低溫天氣持續(xù)了一個月。歐洲部分地區(qū)出現(xiàn)百年來最低氣溫，以及數(shù)十年來最大規(guī)模降雪。日韓兩國遭遇暴雪頻襲，積雪厚達三四米，多地出現(xiàn)雪崩。韓國首爾出現(xiàn)55年來最低溫。今冬“極寒”籠罩下的中東歐的羅馬尼亞和意大利，東北亞的日本、千島群島和蒙古等都是全球地震多發(fā)地區(qū)。極寒后這些地方的地震趨勢十分值得關(guān)注。

圖1

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Cooling-Snowing & Aerosol Increasing before Strong Earthquakes.

Ming Liang
Institute of Disaster Prevention Science and Technoolo, Egays, tY oafn Bjieaijing, 101601 China

The article listed the cases in whichl ow temperaturae nd snow falling were followedb y strong earthquakeRs. esearch shows that the mechanismofs the correspondeanrcee that the escapinog f large amounot f undergrougnads from the Earth surface caused the growing in number of aerosorl aisedi nto the atmosphebree causoe f the increasinog f micro-fractureis n the crust before earthquakeTs. he undergrougnad s escaping may induce a cold wave ; the aerosol wouldr eflec t and absorbt he radiatioon f the Sun, increaset he reflection of clouds as well as coagulate wate r vapors to precipitate(in case vapors are plentiful);so temperature gone down.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.010

基金：國家自然科學基金項目（41174043）

明亮，男（1953—）湖北安陸人，大學畢業(yè)，副教授，主要研究實驗巖石力學、地震活動圖像和地震氣溶膠。