基于HJ-1B衛(wèi)星的玉樹MS 7.1地震地表溫度異常識(shí)別

盧顯 孟慶巖 顧行發(fā) 張曉東 馬未宇

1）中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號(hào) 100045

2）中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京市朝陽區(qū)大屯路甲20號(hào) 100101

3）中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

0 引言

地震前出現(xiàn)熱異常是一種比較普遍的自然現(xiàn)象，應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)地震前的熱異常現(xiàn)象是地震預(yù)測(cè)研究的新探索。自20世紀(jì)80年代末以來，國內(nèi)外科學(xué)家開展了大量的遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)地震的研究，并將該方法應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)實(shí)踐。Tronin（1996）對(duì)中亞地區(qū)過去10年約10000景NOAA衛(wèi)星AVHRR-2通道熱像進(jìn)行系統(tǒng)分析，證實(shí)中亞地區(qū)震前的衛(wèi)星熱紅外異常（平均1～5℃）與該區(qū)地震活動(dòng)存在顯著的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。劉德富等（1997、1999）利用衛(wèi)星紅外通道的長波輻射（OLR）資料研究異常與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Tramutoli等（2001）提出一種基于統(tǒng)計(jì)的RST（Robust Satellite Technique）方法并且在震前數(shù)周發(fā)現(xiàn)了紅外時(shí)空異常變化。Ouzounov等（2003）發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震前固體地球和大氣/海洋間存在著某種聯(lián)系，尤其是地震發(fā)生前的熱紅外LST變化比較明顯。康春麗等（2003）發(fā)現(xiàn)，在昆侖山8.1級(jí)地震發(fā)生前1個(gè)月長波輻射強(qiáng)度（OLR）出現(xiàn)異常增強(qiáng)，震前6～7天出現(xiàn)亮度溫度的增強(qiáng)，異常現(xiàn)象在空間分布上呈現(xiàn)條帶狀，與震中區(qū)的構(gòu)造分布一致。鄧志輝等（2003）通過對(duì)2000年中國大陸發(fā)生的3次6級(jí)以上地震的衛(wèi)星紅外異常特征的初步分析，得出衛(wèi)星紅外異常的分布與地質(zhì)構(gòu)造，特別是活動(dòng)斷裂的關(guān)系密切，且地震震中常位于紅外溫度的相對(duì)高值異常的邊緣或附近，異常的發(fā)展具有非對(duì)稱性，異常一般都是從震中附近的某一側(cè)向震中區(qū)擴(kuò)展的結(jié)論。張?jiān)龋?011）研究發(fā)現(xiàn)日本9.0級(jí)和緬甸7.2級(jí)地震發(fā)生前也存在顯著的亮溫變化。崔月菊等（2011）、解楊春等（2012）都針對(duì) MODIS數(shù)據(jù)，采用劈窗算法反演了玉樹地震的地表溫度，反演結(jié)果表明震前確實(shí)存在高值異常。魏從信等（2013）應(yīng)用風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)，研究了玉樹MS7.1地震的亮溫和長波輻射異常，發(fā)現(xiàn)震前1個(gè)月出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象。郭曉等（2014）以靜止衛(wèi)星中波紅外亮溫為數(shù)據(jù)源，應(yīng)用功率譜相對(duì)變化法對(duì)玉樹MS7.1地震進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)震前出現(xiàn)了不同程度的功率譜信息增強(qiáng)現(xiàn)象。

從觀測(cè)井獲得的水溫和氣象臺(tái)站收集到的氣溫等數(shù)據(jù)，都由于局限于臺(tái)網(wǎng)的定點(diǎn)觀測(cè)，而使得利用地表溫度異常預(yù)測(cè)地震具有一定的局限性。將空間熱紅外遙感技術(shù)引入地震科學(xué)領(lǐng)域則為地震預(yù)測(cè)的前兆觀測(cè)方法特別是對(duì)孕震區(qū)的立體環(huán)境觀測(cè)提供了新的技術(shù)手段（呂琪琦等，1998）。本文應(yīng)用中國資源環(huán)境衛(wèi)星的熱紅外數(shù)據(jù)提取玉樹地震發(fā)生前后LST的變化信息，研究其時(shí)空變化特征，并對(duì)熱紅外地表溫度異常與地震的關(guān)系進(jìn)行初步的探討。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域及地震活動(dòng)

2010年4月 14日 07時(shí) 49分 37秒，青海省玉樹縣發(fā)生MS7.1地震，震中（33.22°N，96.58°E）位于甘孜-玉樹斷裂帶上（圖1）。該斷裂是青藏高原內(nèi)部的一條大型走滑斷裂帶，同時(shí)也是川滇菱形塊體重要的邊界斷裂（周榮軍，1997）。該斷裂在大地構(gòu)造上位于金沙江臺(tái)緣帶內(nèi)，是玉樹-玉隆斷坳的南界斷裂。斷裂形成于早華立西期，印支期有過強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)，以后以推覆活動(dòng)為主，是一條長期活動(dòng)的斷裂，第四紀(jì)以來有明顯的活動(dòng)（聞學(xué)澤，1985；Wang et al，2008）。該斷裂帶還是廣義的鮮水河斷裂向西北延伸的部分，也是青藏高原川滇菱形塊體向東擠出的北部邊界，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（聞學(xué)澤，1985；周榮軍等，1996；冉洪流等，2006；Wang et al，2008；任俊杰等，2010）。

本文將玉樹MS7.1地震前30°～36°N、94°～100°E研究區(qū)內(nèi)2009年1月1日0時(shí)0分～2010年4月14日07時(shí)49分ML≥3.5的地震進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，同時(shí)計(jì)算了每個(gè)地震與玉樹地震震中的距離，結(jié)果見表1。

2009年1月1日～2010年 4月14日研究區(qū)ML≥3.5地震與玉樹地震震中的間距（圖2）顯示，玉樹MS7.1地震前中小地震無論在頻度和強(qiáng)度上還是在時(shí)間和空間上均有向未來震中聚集的現(xiàn)象，特別是2010年4月14日05點(diǎn)39分ML5.2地震，其距離玉樹地震震中僅有11km，具有明顯的前震特征，為探索利用前震進(jìn)行地震預(yù)測(cè)提供了較好的研究案例。

1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

圖1 玉樹地震構(gòu)造圖

2008年 9月，“2＋1”模式中編號(hào)為 A（簡(jiǎn)稱“HJ-1A”）和 B（簡(jiǎn)稱“HJ-1B”）的 2顆衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。HJ-1A搭載有2個(gè)CCD傳感器和1個(gè)高光譜成像儀，HJ-1B搭載有2個(gè)CCD傳感器和1個(gè)熱紅外傳感器 IRS。HJ-1B的 IRS在近紅外和中紅外波段，即 B05、06、07波段空間分辨率為150m，星下點(diǎn)空間分辨率為300m，量化等級(jí)10比特，幅寬720km，重訪周期為4天（李家國，2010）。

地表溫度廣義上為地表的皮膚溫度，地表溫度反演是熱紅外遙感定量化最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。大氣在熱紅外譜段（7～18μm）內(nèi)，大氣分子和懸浮粒子有明顯的吸收作用，大氣中的水汽、二氧化碳、臭氧、一氧化碳和甲烷等氣體分子對(duì)紅外線有選擇性吸收作用。其中水汽對(duì)紅外輻射的吸收能力最明顯，水汽吸收帶占有較寬的波段，且主要集中在紅外波段區(qū)域。云霧對(duì)來自地表的紅外長波輻射具有強(qiáng)烈的吸收作用；因此，如果天空有云或霧時(shí)，來自地表的熱紅外輻射幾乎被全部擋住，熱紅外傳感器就很難探測(cè)到來自地表的熱輻射，只能反映云頂或霧頂?shù)牧翜亍１狙芯繑?shù)據(jù)采用HJ-1B熱紅外波段（IRS4）的產(chǎn)品，為了排除日照和云的干擾，圖像均為凌晨時(shí)段的晴空?qǐng)D像，其中2009、2010年的圖像共18幅。

表1 2009年 1月 1日～2010年 4月14日研究區(qū)ML≥3.5地震

圖2 2009年1月1日～2010年4月14日研究區(qū)M L≥3.5地震與玉樹地震震中的間距

1.3 處理方法

普朗克輻射方程和能量守恒定律是熱紅外遙感的基礎(chǔ)（徐冠華，2000）。對(duì)于非黑體（灰體）的輻射，普朗克輻射方程應(yīng)乘以同溫下該物體發(fā)射率，即某一波長物體的發(fā)射量與其同溫下黑體發(fā)射量的比值。同時(shí)，亮度溫度就是物體的輻射能量用同輻射量的黑體溫度表示，它可以表征亮度與地表溫度之間的關(guān)系。LbbTb，λ()與Lgb（Tg，λ）分別代表黑體溫度和灰體溫度下的光譜輻射率（W·Sr-1·m-3），即在地表溫度T下單位波長通過單位面積單位立體角的輻射通量。

式中，Tb、Tg為地表溫度（K）；λ為射出輻射波長（m）；ε為地表比輻射率，參照覃志豪單窗算法（Qin et al，2001）中的比輻射率數(shù)據(jù)；α=hc/K（mK），β=2hc2/λ（Wm2），其中h為普朗克常量，其值為6.626×10-34（J·s）；C為光速，其值為2.998×108m/s，K為玻耳茲曼常量，其值為1.38×10-23J/K；Artis等（1982）認(rèn)為，輻射亮溫僅僅代表了黑體溫度，而自然界的大部分物體并非黑體，所以應(yīng)該用比輻射率對(duì)其進(jìn)行校正，假設(shè)式（1）、（2）分母中的-1可忽略不計(jì)，則可以推導(dǎo)出地表溫度Tg的表達(dá)式為

2 研究結(jié)果

研究時(shí)間段為2010年3～5月。3月上旬，研究區(qū)域內(nèi) LST沒有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，但是2010年3月14日，也就是玉樹地震發(fā)震1個(gè)月前，在研究區(qū)域上空出現(xiàn)一條明顯的魚鱗狀云帶，且此云帶正好貫穿玉樹地震震中區(qū)域。玉樹地震導(dǎo)致的應(yīng)力變化以破裂帶為中心高達(dá)正負(fù)1000Pa，沿近EW方向應(yīng)力增加，扎那曲-著曉斷裂、莫云-結(jié)多斷裂、雜多-上拉秀斷裂西北段（圖1）都處于應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)，其中雜多-上拉秀斷裂應(yīng)力增加尤為顯著，應(yīng)力的增加有利于斷裂活動(dòng)性增強(qiáng)（趙曉燕等，2012）。從研究圖像上來看，毗鄰震中的西南區(qū) LST于2010年4月10日出現(xiàn)明顯高值異常并且主要沿著扎那曲-著曉斷裂和雜多-上拉秀斷裂分布，這與2條斷裂位于應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的結(jié)論相吻合。由于受衛(wèi)星觀測(cè)周期和天氣影響，無法看到此后幾天的變化情況，但從后續(xù)圖像可以分析出異常是逐漸向震中區(qū)域擴(kuò)展并慢慢消散的。4月18日異常區(qū)域包含震中區(qū)域，主要高值異常區(qū)依然位于震中西南區(qū)域且沿著斷裂帶分布，顯示出斷裂構(gòu)造與地表升溫異常的相關(guān)性。4月26日異常區(qū)域的地溫值明顯低于18日的地溫值并逐漸消散，5月中下旬該區(qū)域LST恢復(fù)至正常狀態(tài)。圖3顯示了地震前后LST異常的出現(xiàn)-擴(kuò)散集中-衰減-消失過程，這個(gè)明顯的地溫異常變化過程能夠較好地反映出震前異常。LST異常出現(xiàn)階段代表著地震能量的孕育階段，在這個(gè)過程中，能量的迅速增加導(dǎo)致地表溫度升高；異常集中階段表示能量已經(jīng)達(dá)到較高值；地震發(fā)生后，能量得到釋放，地表溫度也逐漸降低并恢復(fù)正常狀態(tài)。

為了減少可能對(duì)地震信息提取產(chǎn)生干擾的一些因素如天氣、植被、地形等的影響，本文以相同方法和標(biāo)度處理了研究區(qū)域內(nèi)2009年同時(shí)段的LST結(jié)果作為背景信息，以對(duì)不同時(shí)間尺度的紅外數(shù)據(jù)開展時(shí)空特征分析。圖4為2009年研究區(qū)LST演變圖，結(jié)果顯示2009年研究區(qū)在3～5月的3個(gè)月時(shí)間內(nèi)沒有出現(xiàn)大面積的顯著高值異常，溫度值始終維持在正常狀態(tài)，從而進(jìn)一步印證了2010年4月14日玉樹地震LST臨震異常的可靠性。

3 結(jié)論與討論

（1）大量研究表明，地震活動(dòng)能夠引起熱輻射異常變化，但由于熱輻射變化的復(fù)雜性，提取異常的難度較大。本研究采用我國分辨率為300m的HJ-1B衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度異常識(shí)別，其具有分辨率及異常識(shí)別精度較高、觀測(cè)范圍大且完整的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地震監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用具有重要的指示意義。

（2）玉樹MS7.1地震前，中小地震無論在頻度和強(qiáng)度上還是在時(shí)間和空間上均有向未來震中聚集的現(xiàn)象，特別是2010年4月14日05點(diǎn)39分的MS5.2地震，其震中距離玉樹地震震中僅11km，為典型的前震，這說明主震前連續(xù)的中小地震具有一定的預(yù)測(cè)意義。因此對(duì)強(qiáng)震前的地表溫度進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，不僅可以得到強(qiáng)震前后的地溫變化特征，還可能總結(jié)出強(qiáng)震發(fā)震前的異常指示標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 2010年玉樹地震前后LST異常演變圖

（3）衛(wèi)星地溫研究結(jié)果顯示，震中西南地區(qū)的LST于2010年4月10日出現(xiàn)明顯高值異常并且主要沿扎那曲-著曉斷裂和雜多-上拉秀斷裂分布，這可能與2條斷裂的應(yīng)力增強(qiáng)有關(guān)。大氣溫度也表明玉樹地震前存在溫度上升現(xiàn)象，一氧化碳總量在地震前后也有一些高值變化，這些參數(shù)的變化很可能是孕育地震的應(yīng)力場(chǎng)變化引起地下排氣增大而引起的（崔月菊等，2011）。NCEP（National Center for Environmental Prediction）數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)玉樹地震震中附近2010年4月8日出現(xiàn)了異常增溫現(xiàn)象，甘孜-玉樹斷裂帶方向增溫明顯（周波等，2012）。本研究成果表明，異常區(qū)域在異常值出現(xiàn)后逐漸擴(kuò)大至震中區(qū)域，異常值大于正常值的2倍，主要高值異常區(qū)依然位于震中西南區(qū)域且沿NW向斷裂帶分布，顯示出斷裂構(gòu)造與地表升溫異常的相關(guān)性；2010年4月26日異常區(qū)域的地溫值明顯低于同月18日的地溫值并逐漸消散，5月中下旬該區(qū)域LST恢復(fù)至正常狀態(tài)；地震前后的LST異常呈出現(xiàn)-擴(kuò)散集中-衰減-消失的變化過程，具有較好的臨震指示意義。同時(shí)，以相同方法和標(biāo)度計(jì)算了2009年同區(qū)域、同時(shí)段的LST結(jié)果作為背景信息，也進(jìn)一步印證了2010年4月14日玉樹地震LST臨震異常的可靠性。利用 MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）數(shù)據(jù)反演的地表溫度高值異常也是沿NW向斷裂帶分布，震中區(qū)在4月12日形成一定區(qū)域的紅斑并且溫度在震后降低（解楊春等，2012）；熱紅外亮溫和長波輻射異常也都位于玉樹地震震中南部區(qū)域（魏從信等，2013）。

圖4 2009年研究區(qū)LST演變圖

致謝：感謝中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的HJ-1B熱紅外數(shù)據(jù)以及中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所熊攀博士的圖像校正和定標(biāo)指導(dǎo)。