急流異?？赡苁荕>6.0地震的短期前兆*

Hong-Chun Wu , Ivan N Tikhonov

1) Institute of Occupational Safety and Health, Safety Department,Shijr City, Taipei, China 2) Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS,Yuzhno-Sakhalinsk, Russia

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急流異常可能是M>6.0地震的短期前兆*

Hong-Chun Wu1), Ivan N Tikhonov2)

1) Institute of Occupational Safety and Health, Safety Department,Shijr City, Taipei, China 2) Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS,Yuzhno-Sakhalinsk, Russia

摘要熱圖像的衛(wèi)星數(shù)據(jù)揭示了與地殼斷層大線性結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)相關(guān)的熱場(chǎng)的存在。 所測(cè)量的長(zhǎng)波輻射高度正好落在急流區(qū)間內(nèi)。 本工作描述了兩個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)強(qiáng)震和急流之間可能存在的聯(lián)系。 在2006～2010年強(qiáng)震(M>6.0)震中附近， 氣流的前端或尾端位置能在震中附近保持6個(gè)小時(shí)甚至更久。 在一張6小時(shí)氣象圖上有93.6%的幾率可以觀測(cè)到穩(wěn)定的急流， 而在兩張鄰接的氣象圖上看到這種變化的幾率是26.7% 。 震中和急流位置分布的中位數(shù)為36.5 km。 能實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的累積概率估算值如下： 10天為24.2%， 20天為48.4%， 30天為66.1%， 40天為87.1%， 50天為93.5%， 70天為100%。 觀測(cè)到的前兆效應(yīng)可能會(huì)引起地震實(shí)際短臨預(yù)報(bào)應(yīng)用者的極大興趣。

關(guān)鍵詞地震； 震中； 急流； 前兆異常

引言

近年來， 大量的研究都集中在確定強(qiáng)震孕震期內(nèi)巖石圈、 大氣層和電離層的耦合關(guān)系上。 對(duì)不同參數(shù)局部異常的分析(如， 地電場(chǎng)、 地下氣體、 熱通量、 不同頻帶的電磁輻射、 云結(jié)構(gòu)和電離層的電子濃度等)集中在尋找地震前兆。 許多有遠(yuǎn)見的研究方向已初露端倪。 讓我們來看一些例子， Ondoh[1]描述了至少在強(qiáng)震前地下水氡濃度的急劇增加。

熱圖像的衛(wèi)星數(shù)據(jù)揭示了與地殼斷層大線性結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)相關(guān)的熱場(chǎng)的存在[2]。 在2003年墨西哥科利馬(Colima)M7.6地震前， 觀測(cè)到了潛熱流的異常變化[3]。 在大氣層的頂部(10～12 km)觀測(cè)到大氣的電離效應(yīng)。 在2004年12月26日MW9.0印尼地震前， 在300 GPa高度記錄到長(zhǎng)波輻射的異常變化[4]。 這些異常熱變化發(fā)生在地震前的4～20天[5-8]。

地震之前， 震中上空的電離層會(huì)有局部異常變化[9-11]。 統(tǒng)計(jì)分析表明， 在地震發(fā)生之前的1～5天會(huì)出現(xiàn)這些變化[12]。 有些學(xué)者結(jié)合上述孕震時(shí)期的異?，F(xiàn)象， 嘗試著建立能聯(lián)合巖石圈-大氣層-電離層的模型[13-14]。 這些模型研究了一連串從巖石圈、 大氣、 大氣電場(chǎng)、 電離層和磁層觀察到的可能作為地震短期前兆的異?，F(xiàn)象。 急流就是其中的一個(gè)可能前兆。

急流是一種在對(duì)流層上部或平流層下部沿幾乎呈水平的軸向進(jìn)行快速流動(dòng)的狹窄的空氣流， 其特點(diǎn)是有高的垂直和水平風(fēng)速梯度， 且有一個(gè)或多個(gè)最大風(fēng)速[15-16]。 急流在軸線上風(fēng)速最大。 急流的線性尺度(長(zhǎng)度、 寬度和厚度)是由30 m/s的風(fēng)速等值線來決定的。 一般來說， 急流的長(zhǎng)度為數(shù)千千米， 寬度為數(shù)百千米， 厚度可以是4～5 km。 急流可分為北極急流(至65°N)、 極地急流、 亞熱帶急流和赤道急流等幾種類型。 極地急流位于中緯度區(qū)域(大約在30°N～60°N之間)， 亞熱帶急流分布在兩個(gè)半球23.5°N和33.0°N之間的中緯度范圍內(nèi)[17]。 吹過西非上空的急流就是赤道急流的一種。 在夏季， 它位于10°N～20°N之間。

大氣中的每一種現(xiàn)象都對(duì)應(yīng)于特定的高度。 本研究描述的是極地急流， 它在海平面上方9～12 km的高度流動(dòng)。 此外， 較弱的亞熱帶急流位于海平面上方11～16 km。 急流中心部分稱為核心， 那里風(fēng)速最大， 其橫截面水平達(dá)50～100 km， 垂直達(dá)1～2 km。 急流軸上的風(fēng)速通常為45～55 m/s， 最大風(fēng)速可達(dá)200 m/s[16]。

急流對(duì)氣象和航空非常重要。 氣象學(xué)家利用急流位置進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)。 急流前鋒可能引起氣象前鋒和風(fēng)暴的形成。 急流的商業(yè)用途是在航空運(yùn)輸方面： 當(dāng)飛機(jī)順著急流方向行駛時(shí)， 可以節(jié)省時(shí)間和燃料。

早些時(shí)候注意到[18-20]， 在地震前的一定時(shí)間段內(nèi)， 在地震活躍區(qū)域上方， 急流的前方或尾部?jī)啥藭?huì)有風(fēng)速幾乎固定的等高線出現(xiàn)。 本研究的目的是確定異常急流出現(xiàn)的位置和時(shí)間， 并將這些因素與強(qiáng)震發(fā)生時(shí)間和震中數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行比較。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的， 我們采用加州地區(qū)天氣服務(wù)中心提供的急流圖[17]和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局/國(guó)家地震信息中心(U.S. Geological Survey/National Earthquake Information Center， USGS/NEIC)[21]在中國(guó)和太平洋地震帶西北部?jī)蓚€(gè)地區(qū)的速報(bào)地震目錄來作研究。

第一部分樣本取30°N～ 40°N， 80°E～ 105°E范圍內(nèi)M>6.0地震(表1)。 第二部分樣本取千島群島(Kurile Islands)、 堪察加半島(Kamchatka)和阿留申群島(Aleutian Islands)區(qū)域內(nèi)M>6.0地震(表2)。 這樣就能研究30°N以內(nèi)陸地和海洋地震活動(dòng)區(qū)內(nèi)與不同類型地震(板間和板內(nèi))相關(guān)的急流特性。 我們比較了2006年5月22日～2010年12月23日期間的兩種類型地震資料與急流圖數(shù)據(jù)。

我們考慮一下我們用于分析急流的氣象圖的若干參數(shù)。 它們以GFS全球預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)， 顯示風(fēng)速的等值線和矢量數(shù)據(jù)[17]。 在舊金山大學(xué)(San Francisco University)地球科學(xué)系的氣象項(xiàng)目框架下， 國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(National Center for Environmental Prediction)每日做4次預(yù)報(bào)(每6小時(shí)一次)。 這些氣象圖顯示的是在地面氣壓為300 GPa時(shí)， 對(duì)流層上層的急流參數(shù)。 如前所述， 這些圖是風(fēng)速的等值線， 最低風(fēng)速為30 m/s。

表12006年5月22日～2010年12月23日期間， 美國(guó)國(guó)家地震信息中心初步認(rèn)定的震中位于中國(guó)的M>6.0強(qiáng)震

序號(hào)發(fā)震時(shí)間(世界時(shí))年-月-日時(shí):分:秒緯度/°N經(jīng)度/°E深度/km震級(jí)12007-05-0508:51:3934.2581.9796.122008-01-0908:26:4532.2985.17106.432008-03-2022:32:5835.4981.47107.242008-05-1206:28:0231.00103.32197.952008-05-1211:11:0231.21103.62106.162008-08-2513:21:5930.9083.52126.772008-11-1001:22:0337.5695.83196.382009-08-2801:52:0737.7095.72136.392010-04-1323:49:3833.1796.55176.9102010-04-1401:25:1633.1996.4576.1

表22006年5月22日～2010年12月23日期間， 美國(guó)國(guó)家地震信息中心初步認(rèn)定的震中位于千島群島、 勘察加半島和阿留申群島的M>6.0強(qiáng)震

序號(hào)發(fā)震時(shí)間(世界時(shí))年-月-日時(shí):分:秒緯度/°N經(jīng)度/°E深度/km震級(jí)12006-05-2211:12:0160.77165.74°196.622006-05-2213:08:0354.27158.45°1976.232006-06-1404:18:4351.75177.08°146.542006-06-2702:39:3352.23176.16°176.252006-07-0820:40:0151.21-179.31°226.662006-08-2421:50:3751.15157.52°436.572006-09-3017:50:2346.35153.17°116.682006-10-0109:06:0246.47153.24°196.592006-11-1511:14:1446.59153.27°108.3102006-11-1511:29:2346.37154.48°106.2112006-11-1511:34:5846.65155.30°106.4122006-11-1511:40:5546.48154.73°106.7132006-12-0719:10:2246.15154.39°166.4142007-01-1304:23:2146.24154.52°108.1152007-04-2912:41:5752.01-179.97°1176.2162007-05-3020:22:1352.14157.29°1166.4172007-07-1513:08:0252.49-168.04°156.1182007-08-0202:37:4247.12141.80°56.2192007-08-0203:21:4351.31-179.97°216.7202007-08-1520:22:1150.32-177.55°96.5212007-09-0316:14:5445.84150.06°946.2222007-10-2513:50:0446.01154.23°206.1232007-12-1909:30:2851.36-179.51°347.2242007-12-2107:24:3451.37-178.98°256.3252007-12-2622:04:5552.56-168.22°256.4262008-03-0309:31:0246.41153.18°106.5272008-03-2221:24:1152.18-178.72°1326.2282008-04-1522:59:5251.86-179.36°116.4292008-04-1605:54:2051.88-179.16°136.6302008-05-0201:33:3751.86-177.53°146.6312008-05-2013:53:3651.16178.76°276.3322008-07-0502:12:0453.88152.89°6327.7332008-07-2401:43:1650.97157.58°276.2342008-11-0213:48:4351.55-174.37°366.1352008-11-2409:02:5954.20154.32°4927.3362009-01-1517:49:3946.86155.15°367.4372009-04-0704:23:3346.05151.55°316.9382009-04-1819:17:5946.01151.43°356.6392009-04-2105:26:1250.83155.01°1526.2402009-07-0614:53:1250.44176.99°226.1412009-10-1305:37:2452.75-167.00°246.5422009-10-1320:21:5352.60-167.12°146.4432009-12-1002:30:5353.42152.76°6566.3442010-04-3023:11:4360.47-177.88°126.5452010-04-3023:16:2960.48-177.65°146.3462010-06-1802:23:0644.45148.69°286.2472010-07-1805:56:4552.88-169.85°146.7482010-07-3003:56:1452.50159.84°236.3492010-08-0412:58:2451.42-178.65°276.4502010-09-0311:16:0751.45-175.87°236.5512010-10-0803:26:1451.37-175.36°196.4522010-12-2314:00:3253.13171.16°186.3

(a) 2006年10月20日12時(shí)0分的急流圖； (b) 2006年10月20日18時(shí)0分的急流圖;(c) 2006年10月21日0時(shí)0分的急流圖

急流不是連續(xù)的氣流。 急流會(huì)不斷地改變其形狀使其前端或尾端的移動(dòng)速度達(dá)到100 km/h。 圖1所示的是一個(gè)從2006年10月20日中午到2006年10月21日午夜的例子， 急流的形狀由小變大。 急流的前端在12小時(shí)內(nèi)通過了大約1200 km， 其速度約為100 km/h。 如果急流的前端或尾端的速度低于10 km/h， 我們可以認(rèn)為， 這樣的運(yùn)動(dòng)為異常現(xiàn)象。

以前的研究表明[18-20]，M>6.0地震前70天內(nèi)有急流存在。 在氣壓為300 GPa水平時(shí)， 分析氣象圖包括： 搜索急流勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)擾動(dòng)出現(xiàn)的區(qū)域(片)， 或在6小時(shí)內(nèi)急流的前端或尾端停止、 隨后出現(xiàn)尖角的區(qū)域。 我們必須研究位于構(gòu)造斷層之上的這些區(qū)域， 因?yàn)樗鼈兊拇怪蓖队翱赡芫褪窃杏龔?qiáng)震的地方。

圖2顯示了兩種類型的急流異常前兆。 在第一類異常里(圖2a)， 急流前端保持在相同的地點(diǎn)達(dá)6小時(shí)甚至更久(圖2b)。 此點(diǎn)可能就是未來地震的震中。 另一類異常如圖2c和2e所示。圖2c顯示了高速急流的初始狀態(tài)。 一段時(shí)間之后， 急流區(qū)的初始形狀發(fā)生了變化， 風(fēng)速等值線在一點(diǎn)交匯(圖2d)， 然后急流分為兩個(gè)部分(圖2e)， 最后消失的地方就是未來地震震中的上空。 這些等值線交點(diǎn)的投影也就是未來地震的震中。

(a)和(b)為第一類前兆， 急流前端保持在相同位

圖2兩種急流異常類型圖解。 圓圈表示未來可能發(fā)生強(qiáng)震的地方

在本工作研究期間， 在第一個(gè)區(qū)域共有10次M>6.0地震發(fā)生(表1)， 在第二個(gè)區(qū)域有52次M>6.0地震發(fā)生(表2)。 第一個(gè)區(qū)域里有1次地震、 第二個(gè)區(qū)域里有3次地震， 在地震發(fā)生前70天內(nèi)， 沒有急流出現(xiàn)。 因此， 我們就取第一區(qū)域剩余的9次地震和第二區(qū)域剩余的49次地震進(jìn)行急流比較。 我們檢查了總共58組急流異常。 我們感興趣的是那些顯示在氣象圖上的急流風(fēng)速等值線， 在一定的時(shí)間內(nèi)它們的前端或末端在未來發(fā)震地區(qū)上空幾乎靜止不動(dòng)。

我們以2007年5月5日發(fā)生在中國(guó)(喀喇昆侖山口之西藏西北角-譯者注)的M6.1地震為例(表1)， 其震中位置為(34.25° N， 81.97°E)， 震源深度為9 km。 急流以30 m/s的速度移動(dòng)， 其前端在2007年4月3日中午首次形成(圖3a)， 直到下午6點(diǎn)都固定不動(dòng)(圖3b)， 它在地表的投影是(34.5° N, 81.5° E), 距離震中51 km， 地震就發(fā)生在此31.6天之后， 急流在此同一地點(diǎn)幾乎保持了6個(gè)小時(shí)(表3)。

表3顯示了中國(guó)地區(qū)強(qiáng)震發(fā)生前， 急流異常在時(shí)間和空間上的相關(guān)性特征。 表4顯示了第二取樣區(qū)(太平洋西北部地震帶)的類似數(shù)據(jù)。 不考慮樣本多少， 由陸地和海洋地震活動(dòng)區(qū)分別得到的樣本參數(shù)R值(震中與急流投射坐標(biāo)點(diǎn)的距離)無明顯差別。 參數(shù)T(地震前異常發(fā)生的時(shí)間)也同樣無明顯異常。 考慮到上述所有情況， 把表3和表4合成為一個(gè)樣本， 對(duì)參數(shù)R做進(jìn)一步地估計(jì)。 對(duì)參數(shù)T也用同樣的方法。

(a) 2007年4月3日12時(shí)0分觀察到的急流位置和形狀； (b) 6小時(shí)后(2007年4月3日18時(shí)0分)觀察到的急流位置和形狀； 星號(hào)是2007年5月5日地震的震中

發(fā)震時(shí)間(世界時(shí))年-月-日時(shí):分:秒異常急流時(shí)間緯度/°N經(jīng)度/°ER/km﹡T/d2007-05-0508:51:392007-04-03,12,1834.581.551.331.62008-01-0908:26:452008-01-04,0632.085.036.15.12008-01-08,182008-03-2022:32:582008-03-10,00,0635.081.554.610.72008-05-1206:28:022008-04-29,00,1231.5103.063.412.82008-05-1211:11:0267.113.02008-08-2513:21:59----2008-11-1001:22:032008-10-15,0637.595.529.925.82009-08-2801:52:072009-07-22,1838.595.0108.936.32009-07-23,002010-04-1323:49:382010-03-11,1833.096.519.533.22010-04-1401:25:1621.733.3

﹡該列是急流異常投射到地表的坐標(biāo)；R是以公里為單位的震中到急流異常投射到地表坐標(biāo)間的距離；T是以天為單位的前兆異常與強(qiáng)地震發(fā)生的間隔時(shí)間

表4　千島群島、 堪察加半島和阿留申群島地震、 急流異常數(shù)據(jù)以及它們的時(shí)空關(guān)系

續(xù)表4

﹡該列是急流異常投射到地表的坐標(biāo)；R是以公里為單位的震中到急流異常投射到地表坐標(biāo)間的距離；T是以天為單位的前兆異常與強(qiáng)地震發(fā)生的間隔時(shí)間

圖4根據(jù)兩組取樣數(shù)據(jù)得到的參數(shù)R的分布(震中與急流投射坐標(biāo)點(diǎn)的距離)

圖4是根據(jù)聯(lián)合采樣數(shù)據(jù)計(jì)算的參數(shù)R的分布。 此分布的中位數(shù)對(duì)應(yīng)于R=36.5 km。 在76.7%的研究對(duì)象中， 參數(shù)R并沒有超過90 km。 60例中只有4例， 地震震中距急流在地球表面的投影超過了200 km。 這樣的結(jié)果對(duì)于M>6.0地震的預(yù)測(cè)應(yīng)該算是相當(dāng)鼓舞人的。 在過去幾十年被實(shí)踐驗(yàn)證的最成功的中期預(yù)測(cè)算法是M8和MSc[22-24]。 因此， 即使回顧1995年日本神戶M7.2地震， 由MSc算法驗(yàn)證的預(yù)警空間區(qū)域面積相當(dāng)于175 km×175 km。

表3和表4的數(shù)據(jù)回答了這樣的問題： 在一次M>6.0地震前， 在一個(gè)和兩個(gè)相鄰的氣象圖上， 在所研究的區(qū)域里有多大的幾率可以觀察到(急流的穩(wěn)態(tài)行為)前兆。 使用一張圖看到的幾率為93.6%， 使用兩張鄰接圖在6小時(shí)內(nèi)看到的幾率為26.7%。

圖5顯示了一定天數(shù)里實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)累積概率的估計(jì)值： 5天為6.4%， 10天為24.2%， 20天為48.4%， 30天為66.1%， 40天為87.1%， 50天為93.5%， 70天為100%。 此圖顯示出前兆出現(xiàn)時(shí)間和地震發(fā)生之間的明確聯(lián)系。 它不同于電離層前兆持續(xù)1～5 天[12]或熱前兆持續(xù)4～20天[5-6]。 我們估計(jì)， 這種以急流形式出現(xiàn)的前兆時(shí)間可能提前0～67天， 它與其他上述的前兆出現(xiàn)的時(shí)間不同的原因目前還不清楚。

圖5　70天內(nèi)預(yù)測(cè)累積概率的估算值

因此， 急流和地震之間在空間和時(shí)間上存在的密切關(guān)聯(lián)(按地震學(xué)標(biāo)準(zhǔn))， 揭示了把此項(xiàng)前兆用于強(qiáng)震短臨預(yù)測(cè)有一定的前景。 根據(jù)物理學(xué)原理， 可以假定急流是氣流頭尾端壓力差的結(jié)果。 看起來有趣的是， 有時(shí)震中位置恰好對(duì)應(yīng)于急流的尾部， 意味著震中上空可能是正負(fù)氣壓極值區(qū)。 如前所述， 許多研究者把巖石圈-大氣層-電離層耦合模型作為對(duì)此現(xiàn)象的可能解釋。 本文作者對(duì)于這些模型的可信度究竟有多大尚無法判斷， 此并非本文研究的課題。

我們研究了中國(guó)和太平洋西北地震帶兩個(gè)區(qū)域內(nèi)強(qiáng)震和急流兩個(gè)自然現(xiàn)象之間的可能聯(lián)系。 研究樣本時(shí)長(zhǎng)為4.6年(2006年5月22日～2010年12月23日)。 我們發(fā)現(xiàn)， 在強(qiáng)震前幾天至兩個(gè)月內(nèi)， 急流的前端或尾端能夠在震中上空附近保持相同的位置長(zhǎng)達(dá)6小時(shí)或更久。 這種前兆異常在陸地以及構(gòu)造板塊的俯沖區(qū)域都能觀察到。 一張6小時(shí)氣象圖觀測(cè)到急流穩(wěn)態(tài)行為的幾率為93.6%， 兩張鄰接氣象圖觀測(cè)到的幾率為26.7%。 我們還發(fā)現(xiàn)了， 強(qiáng)震震中與穩(wěn)態(tài)急流在地表投影坐標(biāo)之間的關(guān)系。 震中與相關(guān)急流位置間距離分布的中位值為36.5 km。 預(yù)測(cè)累積概率的估算值是： 10天為24.2%， 20天為48.4%， 30天為66.1%， 40天為87.1%， 50天為93.5%， 70天為100%。 這些估計(jì)值檢驗(yàn)了本文提及的地震與急流自然現(xiàn)象之間時(shí)空異常的存在性。

雖然本文提及的前兆現(xiàn)象的機(jī)理還不清楚， 但在我們看來， 此前兆效應(yīng)必須加以細(xì)致研究， 并建議將此用于今后實(shí)際強(qiáng)震的短期預(yù)測(cè)工作中。

文獻(xiàn)來源： Hong-Chun Wu, Ivan N Tikhonov. Jet streams anomalies as possible short-term precursors of earthquakes withM>6.0. Research in Geophysics， 2014， 4： 4939： 12-18

(北京工業(yè)大學(xué)鄭吉盎、 章菲譯)

(譯者電子信箱， 章菲：7353282@emails.bjut.edu.cn)

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* 收稿日期：2016-04-11； 采用日期： 2016-05-23。

中圖分類號(hào)：P315.72；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.07.007