2014年魯?shù)镸S 6.5、景谷MS 6.6地震前的長波輻射異常特征

張麗峰 郭曉 張璇 魏從信 秦滿忠

1）青海省地震局，西寧市興海路1號 810001

2）中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

0 引言

自1800年發(fā)現(xiàn)紅外線以來，紅外技術(shù)被廣泛用于通訊、安防、醫(yī)療等領(lǐng)域，使人們的生產(chǎn)生活方式得到了很大改變。熱輻射主要靠紅外線傳播，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，通過衛(wèi)星紅外探測傳感器就可了解地面物體的熱輻射狀態(tài)。20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家ГОРНЫЙ（1988）正是在分析中亞地區(qū)的熱紅外遙感影像時發(fā)現(xiàn)，地震前2條斷層交匯區(qū)域出現(xiàn)熱紅外異?，F(xiàn)象。自此，熱紅外資料被更多的應(yīng)用于地震研究中，國外學(xué)者Ouzounov等（2006）利用Meteosat和Terra／MODIS衛(wèi)星資料研究了幾次強震的熱紅外輻射變化，得出強震前存在熱輻射增強現(xiàn)象，如2001年1月26日發(fā)生在印度普杰的7級地震，震前6天出現(xiàn) LST（land surface temperature）高值異常，震前 4天消失。Tronin等（2002）、Choudhury等（2006）、Saraf等（2012）等學(xué)者也做了相關(guān)研究。國內(nèi)對地震熱紅外異常的研究主要為震例及機理方面的研究，如耿乃光（1998）、吳立新等（2006）進行的機理方面的研究；徐秀登（1991）、強祖基（1998）、馬瑾（2000）等開展的震例方面的研究。近年來靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地震中的應(yīng)用研究又取得一些進展（郭曉等，2014；李青梅等，2015；張麗峰等，2016），這種靜止衛(wèi)星資料與Terra、Aqua等極軌衛(wèi)星資料相比，靜止衛(wèi)星資料的優(yōu)勢在于地點一致性好、時間可比度高。

2014年云南地區(qū)相繼發(fā)生了8月3日魯?shù)镸S6.5地震和10月7日景谷MS6.6地震。魯?shù)榈卣鹪斐傻娜藛T傷亡慘重、次生災(zāi)害顯著，而景谷地震是自2000年以來云南地區(qū)發(fā)生的最大地震。為了探究這2次地震的熱輻射變化特征，文章選用靜止氣象風(fēng)云衛(wèi)星射出長波輻射（outgoing lang-wave radiation，簡稱OLR）資料，利用功率譜相對變化法對其進行了分析。

1 資料處理

1.1 數(shù)據(jù)概況

射出長波輻射通量密度是指波長集中在4～∞μm的電磁波向外太空輻射出的能量密度，其大小主要由發(fā)射下墊面溫度決定，對于云頂和地面空間，云頂溫度低OLR值較小，地面溫度高OLR值較大，所以晴空下的 OLR可用于反映地面溫度變化（吳曉，2007）。實時OLR產(chǎn)品主要通過中國靜止氣象衛(wèi)星自選掃描輻射器VISSR的紅外1通道、紅外2通道及水汽通道數(shù)據(jù)反演得出。本研究所用數(shù)據(jù)來源于靜止氣象衛(wèi)星FY-2E，在國家衛(wèi)星氣象中心（http：／／satellite.cma.gov.cn）可下載獲取 1日8個時次（00：00、03：00、06：00、09：00、12：00、15：00、18：00、21：00UTC）的實時 OLR數(shù)據(jù)。選取午夜 15：00、18：00、21：00 UTC等 3個時次數(shù)據(jù)計算，以避免白天太陽直接輻射造成的干擾；因文件記錄區(qū)域過大（60°S～60°N、45°～165°E），通過格式轉(zhuǎn)換獲取中國及鄰區(qū)（5°～50°N、55°～150°E）的數(shù)據(jù)；以 0.05°×0.05°（5km×5km）為最小像元，計算3個時次數(shù)據(jù)平均值構(gòu)成日值，并進行了簡單去云處理。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

經(jīng)上述處理后的數(shù)據(jù)以二進制格式存儲并以年為單位建立數(shù)據(jù)庫，累計到2017年1月1日其數(shù)據(jù)共有11年。這11年的長波輻射數(shù)據(jù)中包括2部分溫度變化信息，第1部分為云雨、極端氣流、地球基本溫度場、年變、日變等引起的溫度變化，第2部分為其他影響因素（如地震等構(gòu)造活動）引起的溫度變化。從頻率域分析，這些影響因素具有不同的頻率（陳順云等，2006），如地球基本溫度場和年變溫度場屬于長周期成分，而云雨和極端氣流現(xiàn)象則屬于短周期成分，其引起的溫度變化時間較短，一般為幾小時至幾天。小波變換分析方法可對信號進行多尺度細化，是對信號進行時頻分析的理想工具。本文采用Daubecheies（db N）小波系中的db8小波基對長波輻射資料進行了小波變換處理，在此基礎(chǔ)上又對其進行了功率譜計算及相對處理，具體計算過程詳見郭曉等（2010）的文獻。處理后的數(shù)據(jù)為時頻相對功率譜空間數(shù)據(jù)，對各頻率數(shù)據(jù)進行時空掃描以期發(fā)現(xiàn)長波輻射異常震兆。

在前人工作基礎(chǔ)上，本文計算了地震當(dāng)年功率譜、功率譜背景值、功率譜標(biāo)準(zhǔn)差等，以期為進一步提取長波輻射地震異常預(yù)測指標(biāo)提供參考。以0.5°×0.5°區(qū)域為例，地震當(dāng)年功率譜用地震當(dāng)年數(shù)據(jù)來計算，計算式為

式中，wij為小區(qū)域第i天第j個像元的相對功率譜值。功率譜背景值即為計算每年（2006～2015年）相同天的相對功率譜平均值，計算式為

式中，wijk為小區(qū)域第k年（2006～2015年）的第i天第j個像元的相對功率譜值。功率譜標(biāo)準(zhǔn)差計算式為

式中，wijk與式（2）中相同，式（2）、（3）不考慮閏年的情況。

2 資料處理結(jié)果及分析

2.1 魯?shù)榈卣鹎伴L波輻射異常特征

2014年8月3日云南省昭通市魯?shù)榭h發(fā)生MS6.5地震，震源深度為12.0km，震中位于27.1°N、103.3°E，該次地震的發(fā)震斷層為NW向的包谷垴-小河斷裂（房立華等，2014）。

對 24°～33°N、95°～106°E區(qū)域進行長時間尺度（半年）的掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn) 2014年6月初有異常出現(xiàn)于怒江斷裂與巴青-類鳥齊斷裂附近，主要分布在震中西北部且離震中較遠；隨時間推移，異常逐漸沿東南方向向震中擴展，最后集中分布在理塘-德巫斷裂與玉農(nóng)希斷裂的交界處，其展布與鮮水河斷裂方向較為一致（圖1），在7月初面積達到最大，相對功率譜大于8倍的面積大概為2×104km2；7月中旬異常開始向震中東北部延伸，至7月底震中西北部異常幾乎消失，震中東北部異常在8月底逐漸減弱并逐日背離震中。異常總體表現(xiàn)為增強、減弱、消失。

通過分析震中東北部0.5°×0.5°區(qū)域2014年的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)在地震前33天出現(xiàn)了一次明顯的功率譜峰值（圖2），約為平均值的10倍；對比該區(qū)域10年數(shù)據(jù)的功率譜背景值與標(biāo)準(zhǔn)差時序曲線，發(fā)現(xiàn)在地震前56天地震當(dāng)年功率譜開始偏離其背景值及標(biāo)準(zhǔn)差，偏離起止時間為2014年6月8日～8月9日，持續(xù)62天；地震當(dāng)年功率譜與其背景值及標(biāo)準(zhǔn)差的最大差值分別為8和7倍。

2.2 景谷地震前長波輻射異常特征

魯?shù)榈卣鹬?，?0月7日普洱市景谷傣族彝族自治縣發(fā)生了MS6.6地震，震源深度為5km，震中位于23.4°N、100.5°E，其發(fā)震斷層正好位于NW向右旋走滑的茶房-普文斷裂之間，是兩條斷裂貫通過程中的構(gòu)造活動表現(xiàn)（吳坤罡等，2016）。

對21°～27°N、97°～104°E區(qū)域進行長時間尺度（半年）的掃描，發(fā)現(xiàn) 7月初震中及其附近出現(xiàn)相對功率譜異常，幅度較?。浑S著時間推移，半個月內(nèi)異常迅速增強，區(qū)域比較集中，震中東側(cè)異常以鎮(zhèn)遠-普洱斷裂為邊界，西側(cè)經(jīng)過瀾滄江斷裂，其邊界與南寧河?xùn)|支斷裂平行，在7月19日面積達到最大，相對功率譜大于8倍的面積大概為2×104km2；隨后于7月25日左右震中附近異?；鞠В?月初震中西北部異常又逐漸回升且不斷增強，在8月5日再次突出呈現(xiàn)，之后減弱并于8月中旬趨于消失（圖3）。異?？傮w的演化過程為增強—減弱—再增強—減弱—消失。

圖1 魯?shù)?.5級地震前長波輻射相對功率譜時空演化

圖2 魯?shù)?.5級地震前長波輻射異常時序曲線

通過分析震中附近0.5°×0.5°區(qū)域2014年的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)在地震前80天出現(xiàn)了1次明顯的功率譜峰值（圖4），約為平均值的15倍；對比該區(qū)域10年數(shù)據(jù)的功率譜背景值與標(biāo)準(zhǔn)差時序曲線，發(fā)現(xiàn)在地震前104天時地震當(dāng)年功率譜開始偏離其背景值及標(biāo)準(zhǔn)差，偏離起止時間為2014年6月26日～8月18日，持續(xù)53天；地震當(dāng)年功率譜與其背景值及標(biāo)準(zhǔn)差的最大差值分別為12、10倍。

圖3 景谷6.6級地震前長波輻射相對功率譜時空演化

圖4 景谷6.6級地震前長波輻射異常時序曲線

3 結(jié)論與討論

對2014年魯?shù)镸S6.5、景谷MS6.6地震的分析表明，2次地震前短期內(nèi)都存在明顯的長波輻射相對功率譜異常，異常特征展布的邊緣及走向與斷層密切相關(guān)。在時間上，魯?shù)榈卣甬惓３霈F(xiàn)在2014年6月初，7月初非常明顯，8月底基本消失；景谷地震異常出現(xiàn)在2014年7月初，7月19日左右非常明顯，之后減弱并8月初再次突出呈現(xiàn)，并于8月中旬趨于消失。在空間上，魯?shù)榈卣甬惓Ｖ饕植荚谡鹬形鞅辈?，震中在其邊緣；景谷地震異常主要分布在震中及西北部，震中在異常?nèi)邊緣。兩者相比景谷地震異常似更為顯著，呈現(xiàn)區(qū)域更為集中，而且異常有反復(fù)增強現(xiàn)象。一次強震釋放的能量是相當(dāng)大的，其引起的地表熱異常也是相當(dāng)可觀的，2次地震功率譜異常面積達到最大時，相對功率譜大于8倍的面積都約為2×104km2。從2次地震當(dāng)年功率譜時序曲線可看到，2次地震前都出現(xiàn)了一次較明顯的峰值，均在10倍以上，且都出現(xiàn)在地震前短期階段內(nèi)；地震當(dāng)年功率譜偏離其背景值及標(biāo)準(zhǔn)差值明顯，偏離持續(xù)時間約2個月；地震當(dāng)年功率譜與其背景值及標(biāo)準(zhǔn)差的最大差值均在7倍以上。地震當(dāng)年功率譜偏離其背景值及標(biāo)準(zhǔn)差的起止日期似可作為判別異常開始和結(jié)束的指標(biāo)，偏離持續(xù)時間似可作為異常持續(xù)時間的指標(biāo)，這種長時間（偏離持續(xù)時間約2個月）、大幅度（最大差值在7倍以上）的偏離或許可作為判別是否為地震長波輻射異常的依據(jù)。期盼通過分析樣本的不斷累積、進化，這些強震長波輻射異常特征能具有短期預(yù)測意義，并可為進一步提取長波輻射地震異常定量化預(yù)測指標(biāo)提供參考。

從時間和空間上對2次地震的長波輻射相對功率譜演化特征總結(jié)可得出，異常增強期過后開始減弱至后續(xù)平靜期是可能的發(fā)震時間，異常區(qū)內(nèi)部及其邊緣是可能的發(fā)震地點。功率譜背景值及標(biāo)準(zhǔn)差的計算分析有望在異常指標(biāo)的定量化方面取得進展。憑有限震例得出的結(jié)論肯定只是初步的，還有待分析大量的不同震例樣本來深化這些異?，F(xiàn)象的指標(biāo)意義。

致謝：感謝中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心為本研究提供的靜止衛(wèi)星長波輻射資料。