FY-3衛(wèi)星監(jiān)測四川蘆山地震前后熱異常

黃志東 ，鐘儒祥 ，朱愛軍

(1.廣東省地震局， 廣州 510070；2.廣州氣象衛(wèi)星地面站， 廣州 510640；3.國家衛(wèi)星氣象中心， 北京 100081)

FY-3衛(wèi)星監(jiān)測四川蘆山地震前后熱異常

黃志東1，鐘儒祥2，朱愛軍3

(1.廣東省地震局， 廣州 510070；2.廣州氣象衛(wèi)星地面站， 廣州 510640；
3.國家衛(wèi)星氣象中心， 北京 100081)

利用中國FY-3氣象衛(wèi)星資料，通過分析多種儀器的亮溫數(shù)據(jù)，對2013年四川蘆山MS7.0級地震進(jìn)行了再研究。結(jié)果表明：中國FY-3衛(wèi)星星載多探測儀器，可用于立體監(jiān)測地震多發(fā)區(qū)域，紅外和微波亮溫震區(qū)異常明顯，能部分解釋大地震前熱紅外異常的多種觀點(diǎn)，說明FY-3衛(wèi)星對地震預(yù)測具有一定的實(shí)用性和參考作用。

FY-3氣象衛(wèi)星；四川蘆山7.0級地震；熱紅外遙感；微波遙感；亮溫變化

0 引言

2013年4月20日08時02分在四川省雅安市蘆山縣發(fā)生7.0級地震，該次地震位于龍門山斷裂帶南段，震中距離2008年5月12日14時28分汶川8.0級地震震中約85 km。給四川造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

地震孕育和發(fā)展過程中有“熱”釋放，因此可以用衛(wèi)星遙感技術(shù)來監(jiān)測地震區(qū)域熱場的變化，前人通過衛(wèi)星熱紅外遙感對地震前增溫異常進(jìn)行了大量研究，利用衛(wèi)星熱紅外遙感和微波遙感技術(shù)能夠探測大范圍連續(xù)的近地表熱場變化，為開展地震短臨預(yù)測研究提供了新的技術(shù)途徑和廣闊的應(yīng)用前景[1-16]。FY-3氣象衛(wèi)星是中國新一代極軌氣象衛(wèi)星，具有多探測器、立體監(jiān)測能力，包括紅外和微波探測，紅外探測空間分辨率較靜止氣象衛(wèi)星高，本文利用中國FY-3氣象衛(wèi)星資料，對蘆山地震前后的熱場等進(jìn)行分析研究，探討衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)在地震監(jiān)測預(yù)報研究中的運(yùn)用。

1 FY-3衛(wèi)星及數(shù)據(jù)處理

1.1 FY-3衛(wèi)星簡介

FY-3衛(wèi)星是一個綜合性的地球環(huán)境探測衛(wèi)星，星上有11個探測器，可實(shí)現(xiàn)全球、全天候、三維定量遙感[17]，其中能進(jìn)行地震熱紅外輻射監(jiān)測的儀器有：可見光紅外掃描輻射計、中分辨率光譜成像儀、紅外分光計等；能進(jìn)行微波監(jiān)測的有微波濕度計、微波溫度計，兩儀器均能立體監(jiān)測?？梢姽饧t外掃描輻射計(VIRR)，具有與NOAA衛(wèi)星相似的紅外通道特性(表1)，熱紅外研究結(jié)果與NOAA研究結(jié)果有可比性；中分辨率光譜成像儀，第四通道為紅外(中心波長0.865 μ m)，空間分辨率250 M；微波濕度計(MWHS)(表2)可立體監(jiān)測大氣。FY-3衛(wèi)星已發(fā)射3顆，目前中國的北京、新疆、廣東的3個地震臺站已建成接收站，為地震實(shí)用監(jiān)測提供可能。

表1 FY-3可見光紅外掃描輻射計部分光譜特性[17]

表2 FY-3微波濕度計光譜特性[17]

1.2 數(shù)據(jù)處理及相關(guān)依據(jù)

廣東省河源新豐江中心地震臺地震災(zāi)情遙感衛(wèi)星站接收FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)資料預(yù)處理，獲得可見光紅外掃描輻射計(VIRR)資料，MWHS資料，資料文件格式為HDF格式，通過投影、拼圖、裁切、增強(qiáng)、合成及算法處理，得出監(jiān)測產(chǎn)品。

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心資料(圖1)，本次四川廬山“420”7.0級地震震中附近100公里范圍內(nèi)1900年以來曾發(fā)生5級以上地震12次，其中6.0～6.9級地震3次，最大即為2008年汶川8.0級地震。因此，選取資料范圍以本次地震震中30.3°N， 103.0°E為中心300 km×300 km范圍，有效范圍28.8°～31.8°N，101.5°～104.5°E；選取研究時間為2013年4月5日—5月5日，即地震前后各半月。分析主要用到FY-3衛(wèi)星VIRR及MWHS亮溫(TBB)資料。

圖1 四川廬山7.0級地震主震震中位置及歷史地震分布圖(來源:中國地震臺網(wǎng)中心)

一般情況下MS> 5地震前均有較清晰的紅外臨震異常顯示，低空大氣-地面增溫幅度顯著，并表現(xiàn)出突發(fā)性和階段性特征。異常大氣的溫室效應(yīng)也是不可忽視的因素[1]，首先是基本成因使地表局部區(qū)域溫度逐漸升高，相對形成高溫區(qū)，地表水汽蒸發(fā)加快，形成高溫低壓區(qū)的氣旋運(yùn)動，大量水蒸氣在高空遇冷凝結(jié)成云雨，使地表溫度下降。 但基本成因過程還在繼續(xù)，可以解釋多數(shù)大地震發(fā)生后為什么在其震中附近地區(qū)出現(xiàn)下大雨或下大雪等自然現(xiàn)象[4]。因此我們利用FY-3衛(wèi)星的資料優(yōu)勢，研究紅外異常及大氣異常。

本研究采取以震中為中心的研究方式，這樣可實(shí)用化監(jiān)測地震區(qū)域。數(shù)據(jù)以該區(qū)域亮溫平均值時序變化為主，數(shù)據(jù)處理時，由于衛(wèi)星熱場為區(qū)域效應(yīng)，這樣可以消除地形等的影響；又因為區(qū)域白天和夜晚的地表輻射不同，因此將白天和夜晚的數(shù)據(jù)分別處理分析，選取FY-3A星上午10:30—12:00和晚上22:00—23:30(除特別說明外，均為北京時BJT)分別代表白天和晚上的情況，消除背景場不同及太陽輻射不同的影響。同時，我們采用亮溫距平的方法，去除天氣及季節(jié)變化的影響，效果更明顯。熱紅外場主要由VIRR資料研究，同時用MWHS資料研究震區(qū)近地大氣場變化，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星VIRR紅外空間分辨率較靜止衛(wèi)星高，有利于小范圍精細(xì)研究，這也是前人很少涉足的研究領(lǐng)域。

2 資料處理結(jié)果

2.1 地震前后熱紅外場變化過程

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于強(qiáng)震前存在不同程度的“熱震兆”現(xiàn)象，前人做了大量研究[1-16]，本次四川蘆山地震衛(wèi)星紅外場過程和特征如下:

圖2顯示了地震前后1個月內(nèi)所選監(jiān)測區(qū)域紅外熱亮溫情況?？傮w趨勢是由低到高再轉(zhuǎn)低，在地震前后4月17—22日白天均為持續(xù)增溫異常，最高增溫接近20℃(圖2b)，這期間連續(xù)紅外亮溫均為正距平，說明比平均亮溫高；夜晚4月16—22日，除地震前夜(4月19日夜)為負(fù)距平外，也全為正距平，最高增溫接近25℃(圖2d)，晚上亮溫增溫幅度高于白天，是否可解釋為晚上人為活動減少，凸顯地震輻射增溫？有待查證。從亮溫時序圖亦可見，也有持續(xù)2天增溫但沒發(fā)生地震的情況，而持續(xù)亮溫距平為正10℃以上時易發(fā)生地震，對于地震后持續(xù)幾天亮溫正距平，是否與余震有關(guān)，均有待研究?？傊?，通過熱紅外亮溫可以看出地震前后地表熱紅外異常增溫明顯，說明亮溫距平的方法能夠監(jiān)測地震前后的亮溫異常升高。

(a)白天紅外TBB；(b)白天紅外亮溫距平；(c)夜晚紅外TBB；(d)夜晚紅外亮溫距平

2.2地震前熱紅外場及大氣場變化過程的相關(guān)性

我們用微波濕度計亮溫資料研究地表熱異常及近地層大氣場。圖3顯示由微波亮溫看地震前半月地表熱輻射趨勢，表現(xiàn)為持續(xù)增溫，4月12日白天的突然降溫，是由區(qū)域大片厚云引起(云圖略)，有強(qiáng)對流時會出現(xiàn)，850 hPa亮溫較1 000 hPa亮溫高[19]，可見整體上微波地表亮溫受云層影響小于熱紅外輻射，從微波時序圖可見，白天由于太陽輻射及人類活動，地表亮溫略高于850 hPa大氣溫度，由于監(jiān)測區(qū)域為陸地，相反晚上地表亮溫略低于850 hPa大氣溫度，也說明微波監(jiān)測地表及近地大氣溫度有一定優(yōu)勢，只是微波空間分辨率低于熱紅外；同樣對于蘆山地震前的地表及大氣監(jiān)測，圖4b、圖4d微波亮溫距平顯示，本次地震前微波地表亮溫及850 hPa大氣亮溫持續(xù)正距平值，臨震信息更強(qiáng)烈，因此熱紅外亮溫配合微波亮溫監(jiān)測地震區(qū)域，提供臨震信息更可信。

到底研究區(qū)域哪些地方增溫最強(qiáng)烈？我們分別選用地震前第10天起算的5 d(10—14日)與地震前第5天起算的5 d(15—19日)各點(diǎn)紅外亮溫平均值相比較，得到地震前紅外異常區(qū)域圖(圖4)，從區(qū)域圖上可見，增溫最強(qiáng)區(qū)域為地震震中及其附近地區(qū)，四川雅安附近。

(a)白天微波TBB;(b)白天亮溫距平;(c)夜晚微波TBB;(d)夜晚亮溫距平

以上紅外、微波分析均顯示，地震前近半月無論白天、夜晚，地震區(qū)域異常增溫，進(jìn)一步佐證了徐秀登等研究的結(jié)果：一般情況下MS> 5地震前均有較清晰的紅外臨震異常顯示，低空大氣—地面增溫幅度顯著[1]。

圖4 地震前熱紅外異常區(qū)域圖

2.3地震前后大氣場變化

“地球放氣溫室效應(yīng) ”等學(xué)說及張元生等的聯(lián)合成因機(jī)理[4]，都涉及到大氣溫度和濕度變化，而FY-3衛(wèi)星的微波濕度計有其自身的特點(diǎn)，當(dāng)晴空時其亮溫反映大氣不同高度的溫度，當(dāng)云雨天氣時其亮溫能很好地反映大氣不同高度的濕度。從圖2可以看出，四川蘆山地震前3天不論白天夜晚都是持續(xù)增溫，但19日晚突然異常低溫，20日又是高溫，針對這一現(xiàn)象，我們結(jié)合衛(wèi)星云圖和衛(wèi)星微波計亮溫圖加以分析。

FY-3衛(wèi)星云圖(圖5)顯示，地震前1天的19日白天，震區(qū)天氣晴好，只有少量低云，地震發(fā)生的當(dāng)天20日上午，也是天氣晴好，但19日晚22:38分的衛(wèi)星云圖顯示，震區(qū)及東北突然生成有大量低中云，導(dǎo)致該區(qū)域紅外亮溫異常降低。

理論上，一定范圍內(nèi)微波亮溫越低濕度越大，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星微波計亮溫圖(圖6)可以看出，根據(jù)，無論是1 000 hPa地表，還是850 hPa大氣，震區(qū)內(nèi)19日夜晚，濕度顯示異常。從前后3個時次的衛(wèi)星圖分析，應(yīng)為地氣釋放出大量水蒸氣等氣象聯(lián)合成因?qū)е碌脑旗F及地表輻射降溫引起。

通過以上分析驗證了“地球放氣溫室效應(yīng)”等學(xué)說，驗證了張元生等的聯(lián)合成因機(jī)理；同時解釋了在大地震臨震前，反而會短時異常降溫的現(xiàn)象。由于研究個例太少，有待進(jìn)一步積累更多資料深入研究。

圖5 地震前后區(qū)域FY-3衛(wèi)星可見光、紅外云圖

圖6 地震前后區(qū)域FY-3衛(wèi)星微波亮溫圖

3 結(jié)論與討論

(1)FY-3衛(wèi)星紅外、微波資料分析顯示：四川蘆山MS7.0級地震，震前地表及低空大氣異常增溫顯著，進(jìn)一步佐證了前人研究的結(jié)果。

(2)通過分析本次地震驗證了“地球放氣溫室效應(yīng)”等學(xué)說；驗證了張元生等的聯(lián)合成因機(jī)理。

(3)FY-3衛(wèi)星紅外、微波綜合監(jiān)測地震多發(fā)區(qū)域的地表、大氣異常，對地震預(yù)測研究有實(shí)用性和參考作用，當(dāng)紅外亮溫、微波亮溫連續(xù)出現(xiàn)幾天超過10℃以上正距平值時，發(fā)生了本次強(qiáng)震。

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FY-3 Satellite Monitoring of the Thermal Abnormality before and after 2013MS7.0 Lushan Earthquake

HUANG Zhi-dong1， ZHONG Ru-xiang2， ZHU Ai-jun3

(1. Guangdong Seismological Bureau, Guangzhou 510070, China;
2. Guangzhou Meteorological Satellite Station, Guangzhou 510640, China;
3. National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081, China)

Based on brightness temperature data recorded by several scientific instruments in the FY-3 meteorological satellite, we study the 2013MS7.0 Lushan earthquake. The results show that there are obvious infra red brightness temperature anomaly and microwave brightness temperature anomaly in the earthquake area, which can partly explain the theory that there was thermal infrared abnormality before large earthquakes. So, the FY-3 satellite can be used for the monitoring of earthquake-prone zone and have practical value and referenced significance to earthquake prediction.

FY-3 meteorological satellite;MS7.0 Lushan earthquake; thermal infrared remote sensing; microwave remote sensing; brightness temperatures changes

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.03.005

2014-06-13

國家地震社會服務(wù)工程項目

黃志東(1969-)，男，工程師，主要從事地震應(yīng)急、信息網(wǎng)絡(luò)、科普宣傳.E-mail：445867103@qq.com.

P314.21

A

1003-1375(2014)03-0019-05