祁連山和首都圈衛(wèi)星熱紅外背景場變化特征

溫少妍，屈春燕，單新建，閆麗莉，宋冬梅

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011;2.中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029;3.中國石油大學(xué)(華東)，青島 266555)

0 引言

衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)具有動態(tài)性強、覆蓋面積廣、連續(xù)穩(wěn)定及可獲得大面積的連續(xù)場信息等優(yōu)勢。很多學(xué)者就利用該技術(shù)對地震監(jiān)測進行研究，并取得了較好的結(jié)果[1－3]。研究表明，震前熱紅外增溫出現(xiàn)的時間長短不一，從震前幾天到震前3個月都有存在，一般增溫幅度可達幾度[4]。震前這種增溫異常出現(xiàn)的時間和變化幅度特點，為利用多年背景場數(shù)據(jù)判別當(dāng)日觀測圖像中的異常區(qū)域提供了基礎(chǔ)。然而，這些研究大多是圍繞震例展開的，專門針對衛(wèi)星熱紅外亮溫背景場的研究較少。

衛(wèi)星熱紅外圖像受地表各種環(huán)境因素的影響，正常動態(tài)亮溫背景場的建立是有效提取震前熱紅外亮溫異常的關(guān)鍵。國內(nèi)學(xué)者已認識到背景場的建立直接影響到熱紅外異常的識別與提取，目前研究重心正在從異常的識別轉(zhuǎn)向背景場的建立[5－8]。陳順云等[5]借用分離窗算法和小波分析方法提取了中國地表亮溫的年變基準場，為進一步提取與分析異常場奠定基礎(chǔ);屈春燕等[6]在分析地震活動熱紅外異常影響因素中指出建立紅外亮溫變化的基準模型及各類非震因素的扣除模型，將有可能較好地排除非震因素的影響，可有效檢測出與地震活動有關(guān)的異常;郭衛(wèi)英等[7]定量分析了在地震活動相對平靜的年份內(nèi)，活動斷裂造成了地形地貌差異與紅外輻射的動態(tài)變化，并認為地形地貌因素對斷裂帶的紅外亮溫也產(chǎn)生一定作用;溫少妍等[8]給出了區(qū)域背景場建立的方法，得出地形地貌及構(gòu)造活動具有很好的相關(guān)性。許多地震的熱紅外圖像具有復(fù)雜性，有些是有增溫異常而無地震，有些則是有地震而無增溫異常。到目前為止，還不能完全解釋這種現(xiàn)象，在機理研究方面還需深入探索。

本文采用NOAA/AVHRR極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，選定祁連山和首都圈2個地震重點監(jiān)測區(qū)作為研究區(qū)，建立不同時間尺度的紅外亮溫背景場，并分析正常情況下背景場的時空演化規(guī)律及其與地形地貌的關(guān)系，為有效識別與地震有關(guān)的熱紅外異常信息提供方法依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

為了降低太陽輻射對地表亮溫的影響以便更真實地反映地表熱輻射狀態(tài)的變化，本文選取NOAA衛(wèi)星第5通道夜間2:00—5:00時的熱紅外遙感圖像。在亮溫背景場計算之前，對亮溫圖像進行幾何精糾正(誤差在1個像元以內(nèi))，并去除云和噪聲，從而確保計算出的亮溫背景場能夠真實反映無震時的亮溫正常動態(tài)變化[8]。

1.2 背景場建立方法

正常動態(tài)亮溫背景場以構(gòu)造活動區(qū)多年相同時相觀測的均值和標(biāo)準差作為表征量，計算時對多年累積的數(shù)據(jù)按地理坐標(biāo)進行時間序列上的統(tǒng)計分析，即

式中:N 為可用數(shù)據(jù)年限;Ti(x，y，t)為位置(x，y)處第 i年 t時刻的亮溫觀測值;T(x，y，t)和 σ(x，y，t)分別為位置(x，y)處t時刻N年內(nèi)，與研究區(qū)地震活動不相關(guān)的自然噪聲源影響下的亮溫平均值和標(biāo)準差。

2 祁連山地區(qū)紅外亮溫背景場

2.1 研究區(qū)概況

祁連山研究區(qū)位于 E 98°～108°，N 32°～40°之間(圖1)，地處青藏高原東北部邊緣，西起祁連山北緣斷裂，東至六盤山斷裂，北接阿拉善地塊，南達東昆侖斷裂一線，包括祁連山脈的主體及河西走廊新生代陸盆地群。該區(qū)受到印度板塊和歐亞板塊的強烈碰撞和擠壓，形成祁連山北緣左旋逆走滑沖斷裂帶，主要斷裂帶有祁連山北緣斷裂、東昆侖斷裂、海原斷裂和西秦嶺北緣斷裂，多為NWW走向。區(qū)內(nèi)河西走廊地處甘肅西北部地區(qū)，位于祁連山和龍首山之間，是祁連山北緣的山前拗陷，地震活動具有高強度和高頻度的特點[9]。

圖1 祁連山研究區(qū)范圍及地質(zhì)構(gòu)造背景圖Fig.1 Region and tectonic background of Qilian Mountains

2.2 背景場時空特征

利用自主研發(fā)的衛(wèi)星紅外亮溫地震信息處理軟件對祁連山研究區(qū)2003—2011年的NOAA圖像進行不同時間尺度的紅外亮溫背景場計算，分析其時空演化特征。圖2可反映出紅外亮溫的冬春夏秋季節(jié)性變化特征。

圖2 祁連山2010年4個月份的亮溫背景場Fig.2 Brightness temperature background field of Qilian Mountains in four months of 2010

從圖2看出:研究區(qū)4個月份的亮溫背景場的變化主要受季節(jié)和地形的控制;其次，受活動斷裂帶的影響也較明顯。對2010年背景場亮溫均值進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)月份亮溫值呈現(xiàn)夏高冬低的年變特征，1—7月的亮溫均值逐漸升高，7月達到最高值11℃，8月亮溫開始逐漸下降，12月的亮溫值約－17℃。由于平均海拔較高，呈現(xiàn)整體平均亮溫偏低。在空間上，整個研究區(qū)以祁連山北緣斷裂為界分成2個不同的溫度區(qū)域，斷裂以北的河西走廊地帶，為相對高溫區(qū)，斷裂以南的青藏高原為相對低溫區(qū)。

圖3 祁連山DEM剖面與2010年7月的亮溫剖面對比Fig.3 Contrast between DEM profile and brightness temperature profile in July 2010

從圖3可以看出，亮溫變化與高程變化呈顯著負相關(guān)關(guān)系。在紅外亮溫剖面線處，地面高程最大值4 825 m時對應(yīng)的亮溫值約2℃，地面高程最小值1 294 m時對應(yīng)的亮溫值約21℃。說明該區(qū)地面高程每增加100 m，其亮溫降低幅度約0.54℃。這與我國氣溫直減率0.63℃/100 m基本一致。

活動構(gòu)造斷裂帶在紅外圖像上有明顯反映，表現(xiàn)為亮溫高于周圍背景的線性條帶及不同溫度區(qū)域的分界帶。斷裂帶處的亮溫變化也符合季節(jié)規(guī)律的變化，總體表現(xiàn)出夏高冬低的特征。此外，河流和湖泊(如青海湖)在紅外圖像上清晰可見，往往是紅外圖像上較周邊地物為相對高亮溫的標(biāo)志性地物，而且由于水體的熱容量和熱慣量比較大，其溫度變化不如陸表的劇烈。因此，通常也可以將這些水體的溫度作為斷裂構(gòu)造活動變化的參照。

圖4所示為多年月的亮溫背景場圖。多年月的亮溫背景場的變化隨季節(jié)的變化表現(xiàn)出夏高冬低的特征，同時亮溫變化也受到地形地貌和斷裂構(gòu)造的控制。對比單年月的背景場不難發(fā)現(xiàn)，在多年月的背景場圖像上斷裂構(gòu)造的線性影像特征和高亮溫條帶不如單年月的背景場圖像上的構(gòu)造特征清晰，且亮溫值明顯變小。原因在于參與多年月的背景場統(tǒng)計的圖像越多，亮溫背景場圖像上的一些突變信息就會被平滑。參與計算的年份越多，所得到的亮溫背景值則越可靠，就越能真實反映區(qū)域性亮溫變化特征。這也表明，可以認定多年月背景場得出的亮溫變化基準值可以為局部目標(biāo)亮溫變化檢測提供參考，為斷裂活動及地震所引起的增溫異常識別提供穩(wěn)定的動態(tài)亮溫背景場。

圖4 2003—2011年多年月的祁連山亮溫背景場Fig.4 Multi－ year month brightness temperature background field of Qilian Mountains from 2003 to 2011

3 首都圈地區(qū)紅外亮溫背景場

3.1 研究區(qū)概況

首都圈研究區(qū)地理范圍為 E 112°～118°，N 38°～42°(圖5)，位于華北拗陷盆地的北緣，包括山西斷陷盆地及華北平原的大部分。

圖5 首都圈研究區(qū)范圍及地質(zhì)構(gòu)造背景圖Fig.5 Region and tectonic background of Capital Zone

山西斷陷盆地斷裂系自北向南有延懷盆地、大同盆地、忻定盆地和太原盆地等主要斷陷盆地，呈右行斜列，位于鄂爾多斯塊體東側(cè)，NNE走向。控制盆地邊界的斷裂以NNE，NE和NEE走向為主，它們在第四紀的活動不僅控制了盆地的發(fā)育，還控制了盆地內(nèi)次級構(gòu)造單元的形成。區(qū)內(nèi)一系列受伸展斷層控制的掀斜塊體在區(qū)域應(yīng)力場的作用下，形成了典型的盆－嶺式構(gòu)造[10]，一系列NNE走向的盆地和斷裂分布與強震活動密切相關(guān)，形成了以燕山山脈隆起為背景、面對華北平原廣大沉降帶強烈活動的格局[11]。

3.2 背景場時空特征

選取1999年和2003—2011年共10 a的NOAA/AVHRR衛(wèi)星熱紅外夜間圖像數(shù)據(jù)，計算首都圈地區(qū)不同時間尺度的紅外亮溫背景場(圖6)，可以看出首都圈亮溫背景場的變化主要受季節(jié)和地形因素的控制，其次受斷裂構(gòu)造的影響。在時間上，亮溫變化符合夏高冬低的季節(jié)變化特征;在空間上，整體表現(xiàn)為東南部華北平原的亮溫高于西北部山區(qū)，而且西北部的亮溫隨地面高程的增加而逐漸降低，說明亮溫與地面高程呈顯著負相關(guān)關(guān)系。

圖6 1999年和2003—2011年多年月的首都圈亮溫背景場Fig.6 Multi－year mouth brightness temperature background field of Capital Zone of 1999 and from 2003 to 2011

紅外亮溫剖面(2010年7月)與DEM高程剖面對比曲線(圖7)反映出亮溫與地形有明顯的負相關(guān)關(guān)系。圖7橢圓a所處位置為北京市區(qū)，橢圓b所處位置為天津市區(qū)，在這2處的亮溫形成2個峰值，這是由城市熱島效應(yīng)所致。在紅外亮溫剖面線上高程最大值1 950 m所對應(yīng)的亮溫值約9℃;在不考慮城市熱島效應(yīng)的情況下，高程最小值0 m所對應(yīng)的亮溫值約20℃。說明該區(qū)地面高程每增加100 m，其亮溫降低約0.56℃。東南部華北平原夏季亮溫最高溫約23℃，冬季亮溫最低溫約－13℃;西北部山區(qū)夏季最高溫約13℃，冬季最低溫約－20℃;平原地區(qū)的亮溫季節(jié)差大于西北部山區(qū)的，分析表明在一定區(qū)域和季節(jié)內(nèi)，地面高程的變化對氣溫有較大影響。

圖7 首都圈DEM剖面與2010年7月的亮溫剖面對比Fig.7 Contrast between DEM profile and brightness temperature profile in July 2010

活動構(gòu)造斷裂帶在紅外圖像上有明顯表現(xiàn)，大都表現(xiàn)為亮溫高于周圍背景，其走向呈與斷裂帶一致的線性條帶。斷裂帶內(nèi)的亮溫變化也符合季節(jié)變化規(guī)律，總體表現(xiàn)為夏高冬低的特征。渤海灣海域亮溫隨季節(jié)變化的幅度小于東南部華北平原，而西北部山區(qū)亮溫隨季節(jié)變化的幅度相對較大，這主要與地表地物的熱輻射特性及地理緯度有關(guān)，而且水體具有較大的比熱容和熱慣量，受太陽輻射的影響相對較小。1999年和2003—2011年多年月4個月份的亮溫背景場反映了一定時期內(nèi)亮溫穩(wěn)定變化的狀態(tài)，可以為局部目標(biāo)亮溫變化檢測提供參照背景，同時可作為震前紅外亮溫異常識別和檢測的基準。

4 對比分析

祁連山和首都圈研究區(qū)所處的緯度大體一致，但地形地貌及地理環(huán)境相差很大。前者位于青藏高原東北緣，地勢復(fù)雜，高程起伏大，植被稀少;后者位于我國華北地塊，地勢相對平坦，植被覆蓋好。

通過以上分析看出，2個研究區(qū)的紅外亮溫時空演化規(guī)律基本一致，但也有差異性。相同的時空特征主要表現(xiàn)為:空間上，亮溫背景場的變化主要受地形地貌和斷裂帶的控制;時間上，主要受季節(jié)變化規(guī)律的影響，亮溫最高值出現(xiàn)在7月，亮溫最低值出現(xiàn)在1月;夏季溫差總體趨勢大于冬季溫差。

由于地理環(huán)境的不同，2個研究區(qū)的亮溫值存在一定差別(圖8)。

圖8 2009年和2010年月份亮溫背景場變化Fig.8 Change of month brightness temperature background field in 2009 and 2010

從圖8可以看出:月份背景場總體都顯示出首都圈研究區(qū)的亮溫值高于祁連山地區(qū);2個地區(qū)的溫差變化不穩(wěn)定，在(－2℃，12℃)范圍內(nèi)，每年具體的溫差各不相同，規(guī)律性不強，原因在于氣象復(fù)雜多變，反映到月份尺度上變化更是反復(fù)無常(如在2009年11月祁連山的亮溫值反而比首都圈地區(qū)高2℃，這可能是由于氣候變化，引起了亮溫變化)。因此，用單年份資料做背景來判斷異常，可能難以排出氣候等因素的影響;而以多年份的平均亮溫場做背景才能更加穩(wěn)定地反映氣候特征影響亮溫變化的規(guī)律。

2個研究區(qū)亮溫背景場的變化符合季節(jié)規(guī)律變化，亮溫變化相對單年份的穩(wěn)定(圖9)。首都圈的亮溫值明顯高于祁連山地區(qū)，二者間夏半年溫差(最大溫差9℃)大于冬半年溫差(最大溫差3℃)，這是由于祁連山地區(qū)的平均高程(2 536 m)大于首都圈地區(qū)的平均高程(902 m)。結(jié)果表明，亮溫與地面高程呈負相關(guān)關(guān)系，高程每增加100 m，亮溫就降低約0.21～0.63℃。這與方精云[12]所指出的我國氣溫直減率在0.25～0.63℃基本一致。另外，首都圈亮溫的變化較祁連山穩(wěn)定，祁連山冬半年出現(xiàn)小幅度浮動，這可能是由于祁連山地區(qū)地形復(fù)雜引起的。

圖9 2003—2011年多年月平均亮溫背景場對比Fig.9 Annual variation contrast of multi－year month brightness temperature background field

5 結(jié)論

衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)為研究地震及斷裂活動提供了一種有效的觀測手段，在基于紅外資料識別提取地震異常的研究中，多年尺度紅外背景場的建立是異常判別的前提。本文基于NOAA衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)建立了2個研究區(qū)的紅外亮溫背景場，同時分析亮溫變化與地形地貌、活動構(gòu)造及季節(jié)變化的關(guān)系，為后期地震紅外異常判別提供依據(jù)，具有較為重要的研究價值。通過對2個不同區(qū)域的紅外亮溫背景場時空演化特征的分析，得到以下結(jié)論:

1)紅外亮溫背景場受季節(jié)變化影響最大，年變化規(guī)律明顯。夏半年亮溫逐漸升高，亮溫最高值出現(xiàn)在7月份;冬半年亮溫逐漸降低，亮溫在1月達到最低。這為排除氣候變化因素的影響識別地震異常提供了參考依據(jù)。

2)紅外亮溫受地形因素較大，與地面高程呈顯著的負相關(guān)關(guān)系。地面高程每增加100 m，亮溫降低約0.21～0.63℃，這與我國氣溫直減率在0.25～0.63℃基本一致。對于地形地貌復(fù)雜的地區(qū)，亮溫變化曲線呈現(xiàn)不穩(wěn)定特征。

3)活動斷裂帶在亮溫圖像上具有明顯界線特征，呈高亮溫線性條帶，或亮溫分界帶。河流和湖泊等水系在紅外亮溫圖像上清晰可見，表現(xiàn)較周圍地物明顯的高亮溫標(biāo)志。

4)多年平均亮溫背景場具有較好的穩(wěn)定性。多年平均背景場平滑了氣候等突變信息，呈現(xiàn)出穩(wěn)定性較強的規(guī)律性變化特征。多年平均亮溫背景場可作為亮溫變化的基準場，為斷裂活動和地震所引起的增溫異常檢測提供穩(wěn)定的動態(tài)參考。

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