云南彝良5．7級(jí)地震前衛(wèi)星熱紅外異常①

張 璇，張?jiān)?，魏從信，2，田秀豐，馮紅武

（1．中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2．中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所蘭州創(chuàng)新基地，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

地震短臨異常信息的有效提取一直是備受關(guān)注的問(wèn)題。自20世界80年代以來(lái)，衛(wèi)星遙感技術(shù)迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外不少地震學(xué)者做了大量的地震紅外異常機(jī)理的探索，進(jìn)行了紅外遙感技術(shù)應(yīng)用方法及典型震例對(duì)比分析等研究，并取得了許多有價(jià)值的研究結(jié)果。典型震例衛(wèi)星遙感資料分析結(jié)果表明，地震發(fā)生前存在不同程度的“熱震兆”現(xiàn)象［1－12］。徐秀登等在研究臺(tái)灣南投7．6級(jí)大地震前的衛(wèi)星熱紅外異常時(shí)，發(fā)現(xiàn)震前紅外異常明顯［13］。張?jiān)葢?yīng)用小波變換和相對(duì)功率譜方法分析靜止衛(wèi)星熱紅外遙感資料，對(duì)汶川等地震的研究結(jié)果表明，地震發(fā)生前存在明顯的熱異常特征周期和特征幅值［14］。隨著震前熱異常震例的累積，地震熱異常信息提取方法的改進(jìn)，熱紅外異常特征在地震預(yù)測(cè)工作中得到了更多應(yīng)用［15－19］。

2012年9月7日云南省昭通市彝良縣連續(xù)發(fā)生5．7級(jí)、5．6級(jí)中強(qiáng)地震。筆者應(yīng)用中國(guó)靜止氣象衛(wèi)星FY－2C／E亮溫變化資料，發(fā)現(xiàn)在地震前后表現(xiàn)出了可以識(shí)別的熱紅外異常特征。結(jié)合震中區(qū)構(gòu)造活動(dòng)分析提取該次典型震例的熱紅外亮溫異常信息，研究異常隨時(shí)間變化的分布特征、持續(xù)時(shí)間及異常區(qū)特征功率譜幅值，為今后運(yùn)用熱紅外遙感技術(shù)進(jìn)行地震預(yù)報(bào)研究提供資料與依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)處理過(guò)程

1．1 資料來(lái)源

本文應(yīng)用中國(guó)靜止氣象衛(wèi)星FY－2C／E的紅外遙感亮溫產(chǎn)品數(shù)據(jù)。資料區(qū)域范圍為N5°～50°，E55°～150°，這樣可覆蓋整個(gè)中國(guó)及周邊大范圍區(qū)域；選取研究長(zhǎng)度為2007年1月1日至2012年9月16日。對(duì)北京時(shí)間01：00、02：00、03：00、04：00、05：00 （GMT17：00、18：00、19：00、20：00、21：00）的每日觀測(cè)數(shù)據(jù)，用補(bǔ)窗法（對(duì)每天5個(gè)時(shí)次的觀測(cè)數(shù)據(jù)，按照觀測(cè)質(zhì)量，考慮云干擾值為下限、錯(cuò)值及不符合黑體輻射公式的高值為上限進(jìn)行剔除，所得數(shù)據(jù)計(jì)算均值，即為日值）進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，去除云干擾，計(jì)算其平均值，構(gòu)成日值。

1．2 亮溫?cái)?shù)據(jù)處理

首先，通過(guò)對(duì)普朗克輻射公式某一波段各波長(zhǎng)值和波段響應(yīng)函數(shù)做積分可得到波段的黑體輻射公式：

其中，mi＝（v2i－v1i）／Δv，i為波段數(shù)；B（vi，T）是波數(shù)v（cm－1）和溫度T（K）處的光譜輻射出射度（w／m2·sr·cm－1）；f（vm）為對(duì)應(yīng)波段的波段響應(yīng)函數(shù)；v1i和v2i分別是i波段的上、下限波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的波數(shù)。利用所得每個(gè)波段的輻射出射度與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系表可查得對(duì)應(yīng)的黑體的輻射溫度值，該溫度值即為亮溫。

其次，采用小波變換和相對(duì)傅氏功率譜法對(duì)選取的亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。應(yīng)用小波變換可以在時(shí)間域去除年變溫度場(chǎng)和地球基本溫度場(chǎng)。即舍去小波7階的尺度部分。由于雨云和寒熱氣流引起的溫度變化時(shí)間較短，一般為幾小時(shí)至幾天，這種信息經(jīng)小波變化可基本去除，即舍去小波2階的細(xì)節(jié)部分［14］。由于紅外數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，可以采用功率譜法獲得優(yōu)勢(shì)頻率和幅值，目的在于研究地震前后熱輻射變化的功率譜與其他時(shí)段的功率譜有何異同。文中以n＝64天為窗長(zhǎng)、m＝1天為滑動(dòng)窗長(zhǎng)做傅氏變換，計(jì)算其功率譜。對(duì)每個(gè)像元的時(shí)程數(shù)據(jù)滑動(dòng)一次可獲得一組功率譜，時(shí)間約定為窗內(nèi)數(shù)據(jù)的起始時(shí)間，這樣就獲得了時(shí)頻空間數(shù)據(jù)。用經(jīng)度為1°的間隔沿緯度方向作時(shí)頻剖面圖，尋找幅值變化較大的對(duì)應(yīng)頻率（特征周期）、時(shí)間和區(qū)域位置參數(shù)，再根據(jù)特征周期和時(shí)間參數(shù)作平面圖［14－16］。采用上述功率譜相對(duì)變化法可以獲得時(shí)頻空間數(shù)據(jù)，并利用時(shí)頻剖面圖法進(jìn)行全時(shí)空和全頻段掃描，最后得到地震熱紅外異常時(shí)空演化圖和亮溫平均值時(shí)序曲線，從而進(jìn)行地震熱紅外異常信息的提取和分析。

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2．1 地震熱紅外異常演化過(guò)程及特征

2012年9月7日云南彝良發(fā)生5．7級(jí)地震，震中位于27．5°N，104．0°E，發(fā)震構(gòu)造處在西魚(yú)河斷裂及昭通斷裂附近，震源深度14km，震型為震群型。該次地震發(fā)生在一條NE向的走滑斷裂上，屬于小江斷裂帶內(nèi)最東側(cè)的一條分支斷裂。多年來(lái)，這一地區(qū)發(fā)生過(guò)數(shù)次MS≥5．0的地震（圖1）。

我們?cè)O(shè)定掃描分析地理范圍為N21°～33°，E98°～110°，在地震前后的相對(duì)功率譜時(shí)空演化圖中可以明顯看出7月18日起震中區(qū)西部開(kāi)始出現(xiàn)小面積熱異常（圖2中綠色區(qū)域）；隨著時(shí)間推移異常范圍沿一定構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向逐漸擴(kuò)大，在昭通以西方向呈現(xiàn)不規(guī)則形狀；至8月12日異常范圍（圖2中紅色區(qū)域）涉及到震中區(qū)的東北部；震前25天內(nèi)異常區(qū)域沿NE向持續(xù)延伸、快速突變；之后于8月22日由北向南遷移，在震中區(qū)內(nèi)NE、SW方向均有大范圍熱紅外異常，呈帶狀分布，長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百公里；到9月1日左右面積達(dá)到最大。震中位置始終位于異常突出部位的邊緣，異常總體方向與斷層分布基本一致，可能與該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力的集中和調(diào)整變化相關(guān)，但其與主破裂帶的走向關(guān)系還有待于進(jìn)一步的宏觀調(diào)查。震后恢復(fù)階段（從9月11日開(kāi)始）可以發(fā)現(xiàn)，越靠近發(fā)震斷層，異常幅度降低的越快，震中區(qū)SW向異常減弱較慢，應(yīng)與該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和天氣因素相關(guān)（圖2）。

圖1 云南東部區(qū)域地震分布Fig．1 Distribution of earthquakes in east Yunnan．

分析這次熱異常的時(shí)空演化發(fā)現(xiàn)，異常變化持續(xù)較長(zhǎng)，震前出現(xiàn)熱異常的區(qū)域面積相對(duì)較大，形態(tài)相對(duì)突出，與發(fā)震區(qū)氣溫變化趨勢(shì)不符；而震中恰好在異常最集中區(qū)域的邊緣部位，與大多數(shù)震例結(jié)果相符；震后異常條帶收縮，異常信息逐漸衰減，趨于消失。

2．2 地震熱紅外區(qū)域亮溫平均值時(shí)間變化特征

熱紅外異常區(qū)域平均值亮溫變化通?？梢郧逦髁说姆磻?yīng)地震異常信息，分析該區(qū)域五年數(shù)據(jù)的平均值亮溫變化曲線（圖3），可以得到以下特征：（1）該次地震引起的熱異常持續(xù)時(shí)間在30天以上，相對(duì)明顯；（2）熱異常特征周期為64天，震前特征功率譜幅值為近五年來(lái)的最大值，相對(duì)變化率達(dá)到11倍（2012年9月3日左右）；（3）2012年7月中旬到發(fā)震日（2012年9月7日），平均譜值陡增，發(fā)震時(shí)刻恰好在異常突出后開(kāi)始回落的階段；（4）震后特征幅值逐漸減小，異常隨之消散；（5）在2009年、2010年、2011年都出現(xiàn)過(guò)相對(duì)變化率為7倍左右的異常峰值，但未發(fā)生與之對(duì)應(yīng)的地震，對(duì)比本次異常峰值前幾次異常變化均表現(xiàn)出持續(xù)時(shí)間短，異常幅度較小等特征，或與該地區(qū)在這一時(shí)段的降雨等天氣因素相關(guān)。

圖2 云南彝良5．7級(jí)地震前后熱紅外相對(duì)功率譜時(shí)空演化圖Fig．2 Time evolution of thermal infrared anomalies in the nearby area of Yiliang MS5．7earthquake＇s epicenter．

圖3 異常區(qū)平均譜值時(shí)序曲線（區(qū)域范圍：27°～27．5°N，101°～101．5°E）Fig．3 Time－series curve of infrared effective observation period in this area（Region：27°～27．5°N，101°～101．5°E）．

3 討論和結(jié)論

對(duì)于該次地震熱紅外異常，我們?cè)谡鹎暗娜粘９ぷ鳎恐芴幚砹翜財(cái)?shù)據(jù)1次）中已有所發(fā)現(xiàn)，并且根據(jù)其時(shí)空演化圖和區(qū)域時(shí)間序列曲線，編寫(xiě)出說(shuō)明異常情況的文件，提交至相關(guān)預(yù)報(bào)部門(mén)。但科學(xué)問(wèn)題是需要不斷檢驗(yàn)和討論的，正是由于目前對(duì)地震熱紅外異常的成因機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不成熟，加之地震異常的復(fù)雜性、地域性及氣象異常的干擾性，該異常能否在未來(lái)地震預(yù)報(bào)中作為一種判識(shí)指標(biāo)，還需要實(shí)踐的檢驗(yàn)以及大量震例的研究總結(jié)，但地震熱紅外異常在本次地震前的突出反映確是真實(shí)可信的。

通過(guò)前面對(duì)云南彝良5．7級(jí)地震前后熱異常分析，可以總結(jié)如下特征：

（1）該次地震震前熱紅外異常明顯，異常形態(tài)在時(shí)域上具有持久性，大致經(jīng)歷了初始增溫和加強(qiáng)增溫兩個(gè)階段，時(shí)長(zhǎng)在30天以上。異常區(qū)域基本沿?cái)鄬幼呦蛞苿?dòng)和擴(kuò)展，異常面積增速較快，震中并沒(méi)有出現(xiàn)在異常最大區(qū)域內(nèi)，而是在異常區(qū)邊緣的斷層附近，這可能與震中附近的地質(zhì)構(gòu)造和地下環(huán)境有關(guān)。

（2）異常區(qū)特征功率譜幅值最高達(dá)到平均值的11倍，異常峰值出現(xiàn)在震前4天（即異常高值回落階段），峰值過(guò)后也是大多數(shù)震例中較易發(fā)生地震的時(shí)段，但各震例發(fā)震時(shí)刻距高值的時(shí)間不盡相同［18］。根據(jù)上述演化方向和異常峰值特征，可以為確定未來(lái)地震的發(fā)震時(shí)間、追蹤震中位置提供一些線索。

總之，該地區(qū)熱紅外前兆異常與地震孕育、發(fā)生、發(fā)展以及地震的發(fā)震時(shí)間、地點(diǎn)具有明顯相關(guān)性，異常形態(tài)特征、演化過(guò)程及時(shí)序曲線都具有很強(qiáng)的代表性，今后唯有不斷改善數(shù)據(jù)處理方法，提高地震預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度，才能為防震減災(zāi)發(fā)揮更大的實(shí)效。

致謝：感謝中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心提供了部分靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料。

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