基于小波變換的地震前后GNSS ZTD異常變化分析

王勇,婁澤生,劉嚴(yán)萍,王軒

(1.天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測繪學(xué)院,天津 300384;2.天津城建大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院,天津 300384;3.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院,河南 焦作 454000)

0 引 言

近年來我國地震頻繁發(fā)生,僅2017年中國發(fā)生的5級以上地震多達(dá)19次,嚴(yán)重危害了人民群眾的生命及財產(chǎn)安全[1]．地震引起的滑坡、泥石流等次生災(zāi)害嚴(yán)重影響震后的救援重建工作．滑坡、泥石流等都與地震和降水密切相關(guān)[2-3],而大氣中可降水含量直接影響降水[4-5]．多位學(xué)者針對震前水汽、溫度的異常變化進(jìn)行研究[6-8],探究了水汽上升異常原因分析,發(fā)現(xiàn)水汽增加與震中區(qū)熱作用增強、水汽蒸發(fā)加速有關(guān)[9],或者是由于巖層中裂隙、孔隙的開合、地下流體的運動和地?zé)崮艿淖兓?影響地面溫度所致[10]．鑒于震前溫度的異常變化,李治等[11]開展了震前衛(wèi)星熱紅外異常面積與震級大小的關(guān)系研究．以上研究多針對震前水汽或溫度變化展開,而當(dāng)前地震預(yù)報工作復(fù)雜且受技術(shù)條件所限,不能準(zhǔn)確預(yù)報地震的發(fā)生[12-13],因此在當(dāng)前預(yù)測技術(shù)尚不成熟的情況下,有必要對地震誘發(fā)的次生災(zāi)害進(jìn)行分析．而震后次生災(zāi)害的發(fā)生多與氣象要素發(fā)生異常變化相關(guān)．

該文擬以中國近三年發(fā)生的5.0級以上若干地震為例,借助小波變換方法,結(jié)合地震時間和降水?dāng)?shù)據(jù),利用中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)站點開展地震前后天頂對流層延遲(ZTD)序列異常變化研究．通過該研究,以期對地震短臨預(yù)報和震后災(zāi)區(qū)次生災(zāi)害預(yù)警提供參考．

1 研究數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)包括:地震、無線電探空大氣可降水量(PWV)、GNSS ZTD和降水量．

1)地震數(shù)據(jù):該文選擇近3年中國發(fā)生的幾次地震來研究地震前后水汽的變化特征．地震數(shù)據(jù)來源于中國地震局網(wǎng)站 http://www.cea.gov.cn,包括:震中位置、地震時間、震級等信息,表1給出了研究選取的幾次地震震中、震級及地震發(fā)生時間,其中云南通?？h分別在2018年8月13日和14日(年積日為226和227)發(fā)生兩次地震,震級相同．多次地震的震中位置如圖1所示．

表1 地震數(shù)據(jù)與中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)GNSS站點

(注:紅色圓點代表地震震中，綠色圓點代表GNSS站點)圖1 地震震中與CMONOC GNSS站點

2)無線電探空PWV:該數(shù)據(jù)主要用于分析其與GNSS ZTD的相關(guān)性,驗證利用GNSS ZTD取代水汽的可行性．下載與CMONOC GNSS站點(QHYS(青海玉樹))較為接近的無線電探空站點PWV數(shù)據(jù)(http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html),數(shù)據(jù)時間為2017年全年探空PWV數(shù)據(jù),PWV采樣率為每天兩次,單位為mm．

3)GNSS ZTD:ZTD與大氣中水汽密切相關(guān),由于氣象數(shù)據(jù)的缺失,該文研究擬采用ZTD取代PWV．GNSS ZTD數(shù)據(jù)來源于中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),GNSS站點名稱及與震中的距離見表1,圖1給出了GNSS站點分布情況．ZTD數(shù)據(jù)解算采用GAMIT軟件計算,每2 h解算一個ZTD值．該文選擇地震前后各10天的ZTD數(shù)據(jù),其中SUIY站地震前ZTD數(shù)據(jù)有缺失,其ZTD數(shù)據(jù)為年積日1-16數(shù)據(jù),YNTH站因年積日231天以后數(shù)據(jù)缺失,故選用年積日216-231數(shù)據(jù)．

4)降水?dāng)?shù)據(jù):降水?dāng)?shù)據(jù)用于驗證地震前后是否有降水過程發(fā)生,降水?dāng)?shù)據(jù)來源于氣象網(wǎng)站:https://tianqi.911cha.com．降水?dāng)?shù)據(jù)采用日降水量(mm)．

1.2 研究方法

小波變換是一種信號的時間-頻率分析方法,在時域和頻域都具有表征信號局部特征的能力,該文使用小波變換方法分析ZTD在地震前后的異常變化．選用DbN小波對ZTD作小波變換,對其分解后得到高頻系數(shù)與低頻系數(shù),高頻部分是由各種干擾噪聲、異常突變、周期和隨機波動等構(gòu)成,低頻部分則反映了ZTD的主要特征,如演變趨勢．

2 探空PWV與GNSS ZTD的相關(guān)性比較

PWV是影響降水的關(guān)鍵要素之一,ZTD變化與PWV密切相關(guān)．鑒于部分GNSS站點缺少氣象觀測要素,及氣象領(lǐng)域探空PWV觀測每日僅有2次,擬采用GNSS ZTD用于地震前后異常變化分析．選擇QHYS站點2017年數(shù)據(jù)開展探空PWV與GNSS ZTD的相關(guān)性比較分析,圖2示出了探空PWV與GNSS ZTD的比較．

圖2 QHYS站點GNSS ZTD與探空PWV比較

由圖2可知,探空PWV變化和GNSS ZTD變化基本一致,提取GNSS ZTD數(shù)據(jù)時間分辨率與探空PWV一致,計算兩者相關(guān)性,相關(guān)性系數(shù)為0.958,顯著性檢驗值為0.00,說明探空PWV與GNSS ZTD兩者之間存在顯著正相關(guān)特性,鑒于GNSS站點分布密度及時間分辨率高于探空站點,可用GNSS ZTD數(shù)據(jù)代替PWV數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析．

3 地震前后GNSS ZTD變化

選擇不同區(qū)域地震前后各10天的GNSS ZTD數(shù)據(jù),結(jié)合地震發(fā)生時間和降水?dāng)?shù)據(jù)開展ZTD的變化分析．圖3為多次地震發(fā)生前后GNSS ZTD與地震發(fā)生時間及降水情況的比較．

(a) GXWZ (b) QHME

(c) XZAR (d) XZRK

(e) XJXY (f) YNTH

(g) XZCD (h) SUIY

(i) NMAZ (j) XJYN圖3 GNSS ZTD與地震發(fā)生時間及降水的比較

由圖3可知:大部分GNSS站點的ZTD序列在震前呈現(xiàn)出大幅快速升高然后快速下降的變化,震后ZTD存在快速大幅上升的變化,震前震后均發(fā)生了降水過程．由于GNSS測站距離震中距離的不同,ZTD峰值變化、降水時間與地震發(fā)生時間也不同．震前GNSS ZTD序列存在突變,具有快速上升和下降過程,對應(yīng)了降水過程的發(fā)生,究其原因:地震前溫度升高,導(dǎo)致震區(qū)附近地表水和土壤水等加快蒸發(fā)[12-14],PWV上升,其對應(yīng)了ZTD的上升過程,PWV是影響降水的重要因素之一,PWV的上升下降對應(yīng)了降水過程．結(jié)合GNSS測站坐標(biāo)序列變化和其他地震觀測信息,利用震前GNSS ZTD的異常變化這一特點可為地震短臨預(yù)報提供輔助．震后ZTD存在快速大幅上升的變化,對應(yīng)了降水過程的發(fā)生．究其原因:地震會釋放大量能量導(dǎo)致地表溫度升高,進(jìn)而導(dǎo)致PWV升高并引發(fā)降水[9]．震后降水過程可引發(fā)次生災(zāi)害,影響震后救援．利用震后ZTD變化預(yù)測降水過程,可為震后災(zāi)區(qū)救援提供參考．

4 基于小波變換的GNSS ZTD變化與地震、降水的比較

由圖3的分析可知,地震前后ZTD存在異常變化,而ZTD變化受到噪聲和周期性變化等影響,為了細(xì)化ZTD序列在地震前后的變化分析,選用小波變換方法對ZTD序列進(jìn)行處理．經(jīng)試驗比較,選擇Db7小波基函數(shù)用于ZTD序列的分解與重構(gòu)．綜合比較各高頻層重構(gòu)結(jié)果發(fā)現(xiàn):高頻系數(shù)D4重構(gòu)結(jié)果對應(yīng)PWV變化周期為2天,可反映ZTD(PWV)兩天內(nèi)的變化情況,可用于分析地震與PWV變化關(guān)系．因此,該文選擇對ZTD序列進(jìn)行小波變換D4高頻系數(shù)重構(gòu),進(jìn)而分析ZTD變化與地震、降水的關(guān)系．圖4為小波分解重構(gòu)的ZTD D4高頻項與地震、降水的比較．

(a) GXWZ (b) XZCD

(c) XZRK (d) XZAR

(e) XJYN (f) YNTH

(g) XJXY (h) NMAZ

(i) QHME (j) SUIY圖4 小波分解重構(gòu)的ZTD D4高頻項與地震、降水的比較

由圖4可知,各測站GNSS ZTD D4高頻項的變化,在震前均存在異常變化,如圖4(a)～(i)各測站震前ZTD周期峰值均高于震前7天內(nèi)其他周期峰值,均發(fā)生降水過程．

分析圖4各測站ZTD數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù),除圖4(g)、(h)站外,其余站點震后ZTD第一個周期振幅(峰值或波谷)為震后10天內(nèi)最大值,且在ZTD到達(dá)峰值后下降伴隨降水過程發(fā)生．XJXY站圖4(g)在震后5天達(dá)到周期峰值并發(fā)生降水,造成周期峰值滯后現(xiàn)象，原因可能與震區(qū)當(dāng)?shù)丨h(huán)境因素相關(guān)．NMAZ站圖4(h)在震后6天左右達(dá)到波峰最大值,結(jié)合表1,造成該站滯后現(xiàn)象原因可能為距離震中較遠(yuǎn)．震后ZTD和水汽的異常變化可為震后降水的預(yù)測和震后救援重建等提供參考．

5 結(jié)束語

通過對多次地震前后的GNSS ZTD數(shù)據(jù)和地震、降水的比較,以及小波變換處理ZTD后研究其異常變化,獲得以下結(jié)論:

1)地震前后震區(qū)ZTD變化存在異常變化,震前ZTD(PWV)變化明顯上升;震后ZTD(PWV)也存在明顯上升下降過程．

2)利用小波變換對ZTD序列分解重構(gòu),可更好地探測震區(qū)ZTD(PWV)的變化及到達(dá)峰值時間．