基于地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用的地表溫度和長(zhǎng)波輻射數(shù)據(jù)對(duì)比分析

荊鳳， 申旭輝， 康春麗， 熊攀

(1.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036；2.中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045)

基于地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用的地表溫度和長(zhǎng)波輻射數(shù)據(jù)對(duì)比分析

荊鳳1， 申旭輝1， 康春麗2， 熊攀1

(1.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036；2.中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045)

從數(shù)據(jù)本身特征及其應(yīng)用2個(gè)方面對(duì)地震監(jiān)測(cè)中常用的地表溫度(land surface temperature,LST)和長(zhǎng)波輻射(outgoing longwave radiation,OLR)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。利用全球數(shù)據(jù)進(jìn)行的對(duì)比分析結(jié)果表明，2種數(shù)據(jù)在高緯度和中緯度地區(qū)具有空間分布上的一致性，但在赤道及低緯度地區(qū)則表現(xiàn)出明顯差異，認(rèn)為這一差異與云量分布關(guān)系密切；根據(jù)我國(guó)大陸的云量分布特點(diǎn)選擇特征點(diǎn)進(jìn)行LST和OLR的對(duì)比分析表明，云量大于65%的區(qū)域，二者的同步性較差，云量低于65%的區(qū)域，則同步性較好。據(jù)此，以同步性較好的青海地區(qū)和同步性較差的中南部區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)，對(duì)比了2種數(shù)據(jù)的渦度計(jì)算結(jié)果。研究表明，在地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，利用2種數(shù)據(jù)獲得的地震異常信息在時(shí)、空、強(qiáng)特征上表現(xiàn)為相同或不同都是可能的，LST主要是對(duì)增溫現(xiàn)象的反映，而OLR則側(cè)重于對(duì)整個(gè)地-氣系統(tǒng)異常的綜合反映。

地表溫度(LST)；長(zhǎng)波輻射(OLR)；地震監(jiān)測(cè)

0 引言

地震前孕震區(qū)常常會(huì)表現(xiàn)出“熱”異常變化。20多年來，人們利用空間觀測(cè)技術(shù)獲得的紅外遙感數(shù)據(jù)及亮度溫度、地表溫度(land surface temperature,LST)、長(zhǎng)波輻射(outgoing longwave radiation,OLR)等紅外遙感反演產(chǎn)品陸續(xù)獲得了很多研究成果[1-6]。對(duì)于獲得孕震區(qū)“熱”異常這種大范圍、大尺度的變化信息，國(guó)際相關(guān)機(jī)構(gòu)提供的能夠反映地-氣界面或整個(gè)地-氣系統(tǒng)熱狀況的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，由于具有連續(xù)、穩(wěn)定及獲取方便等特點(diǎn)成為了可靠的數(shù)據(jù)源。但是這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品在地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用中有何特點(diǎn)及區(qū)別，對(duì)于開展紅外遙感地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用具有重要意義。

本文以目前國(guó)際上較成熟且可靠性較高的LST和OLR 2種遙感反演數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，從數(shù)據(jù)本身特征及其應(yīng)用2個(gè)方面開展對(duì)比研究，對(duì)2種數(shù)據(jù)由于其反映的信息不同而在地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的區(qū)別做了初步分析。

1 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

1.1 地表溫度(LST)數(shù)據(jù)

地表溫度(LST)是衡量地-氣界面熱狀況的重要指標(biāo)。研究選用的地表溫度數(shù)據(jù)為MODIS LST產(chǎn)品。MODIS是EOS計(jì)劃中Terra和Aqua衛(wèi)星搭載的傳感器，能夠提供衛(wèi)星每日4次過境的瞬時(shí)觀測(cè)值。LST數(shù)據(jù)由MODIS獲得的每日4次過境瞬時(shí)觀測(cè)值計(jì)算獲得。本研究使用的月均值產(chǎn)品為通過云掩模計(jì)算后的日數(shù)據(jù)處理獲得，最大程度消除了云層的干擾。國(guó)際組織對(duì)地表溫度的反演精度要求是: 海洋反演精度<0.3 K; 陸地反演精度<1 K[7]。

1.2 長(zhǎng)波輻射(OLR)數(shù)據(jù)

長(zhǎng)波輻射(OLR)是地-氣系統(tǒng)能量交換的重要指標(biāo)，反映從大氣層外觀測(cè)到的地-氣系統(tǒng)的對(duì)外輻射。研究選用的長(zhǎng)波輻射數(shù)據(jù)為NOAA OLR產(chǎn)品。OLR值由NOAA衛(wèi)星輻射測(cè)量?jī)x10.5～12.5 μm通道的觀測(cè)數(shù)據(jù)與大型氣象實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星(NIMBUS)寬波段(4～50 μm)的總測(cè)值進(jìn)行匹配并計(jì)算得到。在有云地區(qū)，OLR表征的是云頂上層的輻射特征，在無(wú)云地區(qū)，表征的則是地表的長(zhǎng)波輻射狀況。OLR經(jīng)驗(yàn)回歸公式的均方根誤差為11 W/m2[8]。

2 數(shù)據(jù)特征對(duì)比

本研究選取的上述2類數(shù)據(jù)的空間分辨率均為經(jīng)緯度1.0°。根據(jù)Dobrovolsky等提出的地震孕育區(qū)的計(jì)算方法[9]，這種空間尺度的數(shù)據(jù)產(chǎn)品完全具備檢測(cè)到5級(jí)以上孕震區(qū)范圍內(nèi)紅外異常的能力。

2.1 全球數(shù)據(jù)對(duì)比

2.1.1 空間分布特征對(duì)比

由于LST數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供的是全球陸表的溫度分布情況，在對(duì)比2類數(shù)據(jù)前，為了保證數(shù)據(jù)空間范圍的一致性，首先根據(jù)LST顯示的區(qū)域范圍對(duì)海洋上空的OLR數(shù)值進(jìn)行了掩模處理。通過對(duì)比同時(shí)期2類數(shù)據(jù)的空間分布，發(fā)現(xiàn)LST和OLR在高緯度和中緯度地區(qū)的空間分布上具有一致性；但是在赤道及低緯度地區(qū)則有明顯的差異，主要表現(xiàn)為OLR為低值，而LST則呈現(xiàn)高值。考慮到LST數(shù)據(jù)基本反映的是晴空條件下的地表溫度情況，而OLR數(shù)據(jù)在有云區(qū)反映的是云頂上的輻射狀況。利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心NCEP再分析資料中的全球云量數(shù)據(jù)獲得了全球同時(shí)期的陸地云量分布，發(fā)現(xiàn)這些表現(xiàn)為明顯差異的區(qū)域均為云量高值區(qū)。因此認(rèn)為，是由于云對(duì)長(zhǎng)波輻射的強(qiáng)吸收作用而使得這些區(qū)域表現(xiàn)為長(zhǎng)波輻射低值。

2.1.2 相關(guān)性分析

基于上述結(jié)論，按照不同緯度范圍將全球陸地?cái)?shù)據(jù)(對(duì)海洋進(jìn)行了掩模處理)劃分為6組，分別為N60°～90°，N30°～60°，N0°～30°，S0°～30°，S30°～60°及S60°～90°，并對(duì)每組范圍內(nèi)的LST和OLR數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)分析。以2013年1月數(shù)據(jù)為例，分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同緯度范圍LST和OLR相關(guān)性分析Fig.1 Correlation analysis of LST and OLR at different latitudes

研究表明，全球陸地高、中緯度地區(qū)的LST和OLR具有高度線性相關(guān)，其中S60°～90°地區(qū)LST和OLR的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.954 5；其次是N60°～90°和N30°～60°地區(qū)，相關(guān)系數(shù)分別為0.868 2，0.844 2；S30°～60°地區(qū)相關(guān)性再次之，為0.797 6。而在赤道及低緯度地區(qū)，相關(guān)性較差，N0°～30°地區(qū)，相關(guān)系數(shù)為0.047 6，S0°～30°地區(qū)，相關(guān)系數(shù)為0.211 8。這一結(jié)果與前面對(duì)2種數(shù)據(jù)空間特征對(duì)比獲得的初步結(jié)論是基本一致的。

2.2 中國(guó)大陸地區(qū)數(shù)據(jù)對(duì)比

首先，根據(jù)1984—2006年國(guó)際衛(wèi)星云氣候計(jì)劃ISCCP D2產(chǎn)品計(jì)算的我國(guó)大陸總云量分布情況[10]以及1.0°LST和OLR產(chǎn)品的格網(wǎng)分布特點(diǎn)，在我國(guó)大陸區(qū)域內(nèi)選取數(shù)個(gè)特征點(diǎn)作為分析點(diǎn)；然后，對(duì)選取的每個(gè)特征點(diǎn)上的LST和OLR數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列對(duì)比。

2.2.1 特征點(diǎn)的選擇及分組

按照總云量由多到少的順序選取了共14個(gè)特征點(diǎn)，并將其分為5組。第1組：P11，P12；第2組：P21，P22，P23和P24；第3組：P31，P32；第4組：P41，P42，P43和P44；第5組：P51，P52，特征點(diǎn)的位置如圖2所示。

圖2 特征點(diǎn)分布位置Fig.2 Distribution of feature points

2.2.2 數(shù)據(jù)歸一化

由于LST和OLR數(shù)據(jù)具有不同的量綱，為便于比較，先對(duì)2類數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，即

Xnor=[x-mean(x)]/std(x)，

(1)

式中：Xnor為歸一化值；x為所研究數(shù)據(jù)的原始值；mean(x)為所研究時(shí)間段數(shù)據(jù)的均值；std(x) 為所研究時(shí)間段數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2.3 對(duì)比分析

以2007年1月—2013年4月為研究時(shí)間段，分析每個(gè)特征點(diǎn)上2種數(shù)據(jù)的時(shí)序分布特征。根據(jù)每組特征點(diǎn)上LST和OLR時(shí)序變化特征將5組數(shù)據(jù)分為2類，第1類為第1組和第2組，共6個(gè)特征點(diǎn)(P11，P12，P21，P22，P23，P24)，表現(xiàn)為L(zhǎng)ST和OLR非同步性變化(圖3)；第2類為第3組、第4組和第5組，共8個(gè)特征點(diǎn)(P31，P32，P41，P42，P43，P44，P51，P52)，表現(xiàn)為L(zhǎng)ST和OLR近同步性變化(圖4)。

圖3 第1-2組特征點(diǎn)LST和OLR的時(shí)序變化Fig.3 Temporal variations of LST and OLR related to groups 1-2 feature points

圖4-1 第3-5組特征點(diǎn)LST和OLR時(shí)序變化Fig.4-1 Temporal variations of LST and OLR related to groups 3-5 feature points

圖4-2 第3-5組特征點(diǎn)LST和OLR時(shí)序變化Fig.4-2 Temporal variations of LST and OLR related to groups 3-5 feature points

2類特征點(diǎn)LST和OLR的表現(xiàn)特征如表1所示。

表1 2類(非同步和近同步)特征點(diǎn)LST和OLR的表現(xiàn)特征Tab.1 Performance characteristics of LST and OLR related to 2 types of feature points (non-synchronous and quasi-synchronous)

針對(duì)第3—5組各有1個(gè)特征點(diǎn)的變化不同于本組其他特征點(diǎn)變化的情況，本文的分析研究認(rèn)為，第3組P31具有顯著的LST與OLR變化同步性，主要是由于該點(diǎn)位于我國(guó)內(nèi)蒙古東部巴林左旗(屬我國(guó)東北地區(qū))。根據(jù)對(duì)云量分布的分析，東北地區(qū)是天基和地基觀測(cè)差異最大的區(qū)域，總云量差達(dá)17.4%，這一部分是由于地面資料的不完善，另一部分是由于冬季積雪易誤判為低云，造成觀測(cè)值虛高[10]。因此，P31顯示出與第4組更加一致的特征是合理的。第4組中P42相對(duì)于其他3個(gè)點(diǎn)上的OLR波動(dòng)性更為明顯，推測(cè)主要是由于該點(diǎn)位于青藏高原，高原山脈對(duì)氣流的抬升作用易形成低云[11]，而衛(wèi)星對(duì)低云的觀測(cè)存在欠缺，因此使得該區(qū)的云量觀測(cè)值偏低。第5組中P52點(diǎn)所顯示出的OLR波動(dòng)特征應(yīng)該也是相同的原因。

3 應(yīng)用結(jié)果對(duì)比

以MODIS LST和NOAA OLR 空間分辨率均為1.0°的數(shù)據(jù)產(chǎn)品為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)上述分析結(jié)果，分別選取2種數(shù)據(jù)同步性較好(青海地區(qū))和同步性較差(我國(guó)中南部)的2個(gè)區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)，對(duì)比二者的相關(guān)性。

利用紅外地震異常信息提取常用的渦度算法[12]計(jì)算了2013年1月2個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的LST和OLR數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，在同步性較好的青海地區(qū)(圖5)，2種數(shù)據(jù)的渦度變化雖不完全相同，但保持基本一致的變化格局，渦度變化高值均主要集中在青海省中北部地區(qū)；而在同步性較差的我國(guó)中南部地區(qū)(圖6)，2種數(shù)據(jù)的渦度變化則存在明顯差異，除區(qū)內(nèi)西部和西北有2處渦度高值位置基本一致外，其余變化高值在2種數(shù)據(jù)上所出現(xiàn)的位置均不同。這一結(jié)果和前面的分析結(jié)果是一致的。因此，當(dāng)利用這2種數(shù)據(jù)分析相同震例時(shí)，由于研究區(qū)域本身的特點(diǎn)，在地震異常的時(shí)、空、強(qiáng)特征上可能表現(xiàn)為相同[13]或是不同的結(jié)果[14-15]。

圖5 青海地區(qū)2013年1月LST(左)和OLR(右)渦度變化Fig.5 Vorticity variation of LST(left) and OLR(right) over Qinghai region in January,2013

圖6 我國(guó)中南部地區(qū)2013年1月LST(左)和OLR(右)渦度變化Fig.6 Vorticity variation of LST(left) and OLR(right) over mid-south of China in January,2013

通過上述分析認(rèn)為， LST和OLR數(shù)據(jù)應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)各有特點(diǎn)。LST產(chǎn)品提供的是去云的綜合反演結(jié)果，由于對(duì)單日來說云的影響很難去除，因此LST更適用于月際變化分析，也就是短期地震監(jiān)測(cè)；OLR反映了整個(gè)地-氣系統(tǒng)的變化，其值和云關(guān)系密切，而在地震孕育過程中，云可能是一種非常重要的前兆參考指標(biāo)，其變化常常與地震前地下水汽大規(guī)模溢出等綜合引起的低空大氣效應(yīng)有關(guān)[16]，而有關(guān)研究也表明震前孕震區(qū)會(huì)出現(xiàn)水汽、大氣相對(duì)濕度、大氣壓力等的綜合異常變化[17-18]。因此，OLR更多反映的是整個(gè)孕震區(qū)地-氣系統(tǒng)的綜合變化特征，對(duì)于短期和臨震地震異常監(jiān)測(cè)均適用。

4 結(jié)論

通過對(duì)比LST和OLR數(shù)據(jù)產(chǎn)品所反映的物理量信息特征以及各自應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)常用數(shù)據(jù)處理算法獲得的結(jié)果，獲得如下初步認(rèn)識(shí)：

1)從LST和OLR數(shù)據(jù)的全球分布來看，二者在高緯度和中緯度地區(qū)具有空間分布上的一致性，但是在赤道及低緯度地區(qū)則表現(xiàn)出明顯差異，其原因與全球云量分布特點(diǎn)有密切關(guān)系。

2)根據(jù)云量的分布，在我國(guó)大陸地區(qū)選取5組數(shù)據(jù)，通過對(duì)歸一化后的2種數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在云量大于65%的區(qū)域，LST和OLR的同步性較差，云量低于65%的區(qū)域，LST和OLR的同步性較好。

3)利用LST和OLR 2種數(shù)據(jù)獲得的地震異常信息，在時(shí)、空、強(qiáng)特征上表現(xiàn)為相同或不同都是可能的，這主要與應(yīng)用區(qū)域的地-氣系統(tǒng)特點(diǎn)有關(guān)。

志謝: 感謝美國(guó)航空航天局LAADS( Level 1 and Atmosphere Archive and Distribution System)提供LST數(shù)據(jù)產(chǎn)品！感謝美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室提供OLR數(shù)據(jù)！

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(責(zé)任編輯： 刁淑娟)

A comparative analysis between land surface temperature and outgoing long wave radiation based on the application of earthquake monitoring

JING Feng1, SHEN Xuhui1, KANG Chunli2, XIONG Pan1

(1.InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China；2.ChinaEarthquakeNetworksCenter,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100045,China)

Land surface temperature (LST) and outgoing long wave radiation (OLR), which are commonly used in seismic monitoring, were compared and analyzed from their own characteristics and seismic applications. The analytical results of the global data show that LST and OLR at high latitudes and mid-latitudes have the consistency in spatial distribution, but show a significant difference in equatorial and low-latitude regions, and this difference is closely related to the global total cloud amount. The results of feature points selected according to the cloudiness distribution in China’s mainland show that LST and OLR have poor synchronization in the region whose cloud amount is greater than 65% and show better synchronization in the region whose cloud amount is less than 65%. On such a basis, the authors selected Qinghai region where the synchronization is relatively good and mid-south China where the synchronization is poor as the test areas. The results achieved show that the spatial, temporal and intensity characteristics of two types of data can be either identical or different, as shown by the comparison between the two computing results using the vorticity method. LST mainly reflects the warming temperature phenomenon whereas OLR is focused on a comprehensive reflection of the whole earth-atmosphere system.

land surface temperature (LST); outgoing long wave radiation(OLR); earthquake monitoring

2013-11-11；

2014-05-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)： 41104058)、國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(編號(hào)： 2012DFR20440)及民用航天預(yù)研究項(xiàng)目(編號(hào)： D040201)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.13

荊鳳，申旭輝，康春麗，等.基于地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用的地表溫度和長(zhǎng)波輻射數(shù)據(jù)對(duì)比分析[J].國(guó)土資源遙感，2015，27(1)：81-86.(Jing F,Shen X H,Kang C L,et.al.A comparative analysis between land surface temperature and outgoing long wave radiation based on the application of earthquake monitoring[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1)：81-86.)

TP 79

A

1001-070X(2015)01-0081-06

荊鳳(1979-)，女，副研究員，主要從事遙感技術(shù)在地震中的應(yīng)用等研究。Email： jennyfer1111@163.com。