玉樹(shù)、九寨溝地震前長(zhǎng)波輻射變化研究*

楊 星，張鐵寶，陳 銳，龍 鋒，甘桂琴

(1.四川省地震局，四川 成都 610000；2.甘孜藏族自治州氣象局，四川 康定 626000)

0 引言

長(zhǎng)波輻射(Outgoing Longwave Radiation，OLR)是地表向外輻射的一種能量較低的熱紅外電磁波，單位為w/m2，波長(zhǎng)集中在4～120 μm，其數(shù)值會(huì)受大氣溫度、地表溫度等因素的影響。衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有持續(xù)穩(wěn)定、可大范圍探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，可快速獲取OLR數(shù)據(jù)，這也使得OLR成為研究震前異常的新方法。目前，(美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局NOAA)的OLR數(shù)據(jù)是熱紅外與地震研究中應(yīng)用最多的數(shù)據(jù)之一，不同地區(qū)的多個(gè)地震表明，震前在震中附近或偏離震中一定范圍內(nèi)存在OLR值增強(qiáng)現(xiàn)象(劉德富，2000；康春莉等，2009；荊鳳等，2012；戴勇等，2014)；除震前有OLR值增強(qiáng)現(xiàn)象外，OLR對(duì)華北地區(qū)短期發(fā)生M5地震的可能性也具有指示意義(康春莉等，2006)。任靜等(2015)結(jié)合臨震天體引力潮起伏周期和OLR值變發(fā)現(xiàn)，2010—2011年川滇藏的4次地震前的OLR值距平都存在增強(qiáng)現(xiàn)象。

除NOAA的OLR數(shù)據(jù)外，我國(guó)風(fēng)云衛(wèi)星也提供了OLR數(shù)據(jù)。孫珂等(2017)利用風(fēng)云衛(wèi)星FY-2D和NOAA的OLR數(shù)據(jù)，研究了尼泊爾2015年MS8.1和MS7.5地震前的OLR值變化特征，發(fā)現(xiàn)NOAA能記錄到震前OLR值異常，F(xiàn)Y-2D能記錄到震前紅外異常動(dòng)態(tài)演化過(guò)程；風(fēng)云衛(wèi)星FY2E/G的熱紅外資料也表明緬甸MS6.9震前存在顯著亮度溫度變化(潘宇航等，2017)；張治廣等(2018)利用風(fēng)云FY2E/G的熱紅外數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)理塘MS5.1和雜多MS6.2地震前存在明顯的異常變化。除這2種熱紅外資料外，張鐵寶等(2013，2015，2016)利用(美國(guó)航空航天局NASA)的MODIS熱紅外資料研究四川及周邊地區(qū)多個(gè)地震也發(fā)現(xiàn)震前存在熱紅外數(shù)據(jù)的明顯上升。在國(guó)外，也有許多基于OLR和其它熱紅外數(shù)據(jù)的震前異常研究，也得到了震前存在輻射增強(qiáng)現(xiàn)象的結(jié)果(Troninetal，2002；Venkatanathanetal，2013；Ouzounov，F(xiàn)reund，2004；Ouzounovetal，2006；Prakash，Srivastava，2015)。

以往研究中，少有利用風(fēng)云三系衛(wèi)星的OLR對(duì)地震進(jìn)行研究的先例，對(duì)地震周?chē)嚓P(guān)塊體單獨(dú)進(jìn)行異常指數(shù)的研究則更少。本文利用風(fēng)云三系衛(wèi)星FY-3A和FY-3C的OLR數(shù)據(jù)，尋找2010年4月14日玉樹(shù)MS7.1地震和2017年8月8日九寨溝M7.0地震前后可能出現(xiàn)的異常信息。

1 構(gòu)造背景及研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)構(gòu)造背景

印度板塊以50～60 mm/a的速度向北嵌入青藏高原，引起高原殼-幔物質(zhì)向東蠕散(嵇少丞等，2008；Tapponnieretal，2001；Zhangetal，2004)，在與大陸板塊的相互擠壓作用下，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向變化。這一過(guò)程形成了諸多次級(jí)塊體和斷裂帶，從而誘發(fā)了一系列地震，玉樹(shù)地震與九寨溝地震就是在這樣的構(gòu)造背景下發(fā)生的(葛肖虹，王敏沛，2011；徐錫偉等，2017；胡曉輝等，2019；Chenetal，2010)。

2010年玉樹(shù)震區(qū)位于巴顏喀拉與羌塘2個(gè)次級(jí)地塊相交的區(qū)域(圖1)，巴顏喀拉塊體南側(cè)NW向玉樹(shù)—鮮水河左旋走滑引起玉樹(shù)MS7.1地震。研究表明，該斷裂在晚第四紀(jì)活動(dòng)強(qiáng)烈，是一條與大地震的發(fā)生有密切聯(lián)系的走滑斷裂(劉云華等，2010)，玉樹(shù)地震的余震主要沿著玉樹(shù)斷裂向ES向展布。

自1997年以來(lái)，圍繞巴顏喀拉塊體邊界斷裂帶發(fā)生了一系列7.0級(jí)以上地震，這一區(qū)域是我國(guó)大陸強(qiáng)震的主體活動(dòng)區(qū)。2017年九寨溝地震就發(fā)生在青藏高原東緣的巴顏喀拉地塊與東部華南地塊碰撞擠壓的邊界帶上，震中位于左旋走滑斷層?xùn)|昆侖斷裂帶的分支斷裂帶上，震區(qū)附近還包含有塔藏?cái)嗔?、虎牙斷裂及岷江斷裂?易桂喜等，2017)。

圖1 玉樹(shù)、九寨溝地震震中示意圖Fig.1 Map showing the epicenters of the Yushu and the Jiuzhaigou earthquakes

1.2 數(shù)據(jù)與方法

本文OLR數(shù)據(jù)均來(lái)自于風(fēng)云三系衛(wèi)星，時(shí)間分辨率為旬，空間分辨率為1 000 m(1)獲取地址：http：//www.nsmc.org.cn.。風(fēng)云三系的3A與3C都有OLR產(chǎn)品，F(xiàn)Y-3A的可獲取時(shí)段為2010年1月至2016年4月，F(xiàn)Y-3C可獲取時(shí)段為2014年5月至2018年11月。考慮到玉樹(shù)與九寨溝地震均發(fā)生在青藏高原東麓，因此將研究范圍設(shè)定為：(25°～40°N，90°～110°E)，這一范圍包括了青藏高原3大次級(jí)塊體——羌塘、巴顏喀拉、柴達(dá)木塊體的東部，還包括川滇菱形塊體的北部，是我國(guó)地震強(qiáng)活動(dòng)區(qū)域之一。

利用熱紅外數(shù)據(jù)研究震前異常有2種常用方法，一是計(jì)算渦度(路茜等，2014；陶月潮等，2015；荊鳳等，2009，2011；戴勇等，2014，2015，2016)、二是計(jì)算距平(梁阿全等，2013；丁風(fēng)和等，2006；張鐵寶等，2013，2015，2016)。渦度指空間上某數(shù)值與其臨近數(shù)值的差異，距平是指某時(shí)刻數(shù)值與該時(shí)刻多年平均值的差值。筆者實(shí)驗(yàn)過(guò)2種方法后，發(fā)現(xiàn)渦度方法在研究區(qū)域誤報(bào)率高，不能提取有效異常，故認(rèn)為距平更適合本研究區(qū)域。因此首先構(gòu)建OLR背景場(chǎng)，再計(jì)算玉樹(shù)和九寨溝地震前、后距平，并針對(duì)地震涉及的構(gòu)造區(qū)，計(jì)算巴顏喀拉、柴達(dá)木、羌塘3個(gè)次級(jí)塊體在地震前、后的異常因子，以獲得異常信息。其中，背景場(chǎng)是某一旬在2010—2017年的平均值，本文共得到36個(gè)背景場(chǎng)數(shù)據(jù)，其表達(dá)式為：

(1)

式中：n是某旬OLR數(shù)量，值為8；S(xi，j，yi，j，tk)表示經(jīng)度為xi，j，緯度為yi，j；時(shí)間t為第k旬的OLR值，而距平D定義為：

(2)

在計(jì)算某一旬的距平時(shí)，其背景場(chǎng)的計(jì)算中不納入該旬。為量化不同塊體地震前、后的OLR值變化，提出異常指數(shù)ΔE_anomoly(t)，其表達(dá)式為：

(3)

式中：τt為t時(shí)刻的OLR值的標(biāo)準(zhǔn)差，多個(gè)研究表明震前往往都會(huì)存在異常指數(shù)超過(guò)多倍標(biāo)準(zhǔn)差的現(xiàn)象(Ouzounov，F(xiàn)reund，2004；張鐵寶等，2016)。

2 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

背景場(chǎng)的構(gòu)建往往需要足夠長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)，這樣才能反映研究區(qū)域的一般情況。但FY-3A和FY-3C都不能單獨(dú)滿足要求，因此需要綜合2種數(shù)據(jù)，即2010—2015年使用FY-3A的OLR數(shù)據(jù)，2016—2017年使用FY-3C的OLR數(shù)據(jù)。結(jié)合2種數(shù)據(jù)前，需對(duì)2種數(shù)據(jù)的一致性進(jìn)行研究。利用2015—2016年4月FY-3A和FY-3C的重疊期內(nèi)數(shù)據(jù)，計(jì)算Pearson相關(guān)系數(shù)和二者的差，以確定是否具有一致性，限于篇幅，只展示部分結(jié)果，其表達(dá)式為：

(4)

式中：ρX，Y表示Pearson相關(guān)系數(shù)；X與Y代表了變量；COV(X，Y)代表協(xié)方差；δX和δY表示標(biāo)準(zhǔn)差。依據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)定義：ρX，Y大于0.8，屬于極強(qiáng)相關(guān)；ρX，Y在0.6～0.8，屬于強(qiáng)相關(guān)。

圖2a是2種數(shù)據(jù)在2015年的ρX，Y，圖2b是2016年1月中旬2種數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖。從圖2a可見(jiàn)，除2015年6月中旬外，ρX，Y均超過(guò)了0.8，且2015年的ρX，Y有25期超過(guò)0.9，為極強(qiáng)相關(guān)，其最大值出現(xiàn)在2015年2月上旬，為0.984。散點(diǎn)圖的意義在于說(shuō)明2種數(shù)據(jù)的值越相近，點(diǎn)越集中于y=x軸(即對(duì)角線)兩側(cè)，圖2b中呈現(xiàn)集中分布特征，在其余重疊時(shí)間上2種數(shù)據(jù)也具有相似的聚集特征。此外，圖中散點(diǎn)還表現(xiàn)出更多集中在低值區(qū)的特點(diǎn)，這可能與研究區(qū)域地形主要是高原且溫度本身較低有關(guān)。

圖2 2015年FY-3A與FY-3C相關(guān)系數(shù)(a)及2016年1月中旬期散點(diǎn)圖(b)Fig.2 The correlation coefficient between FY-3A and FY-3C(a) and the scatter diagram of the middle period of ten days in January 2016(b)

圖3是FY-3A和FY-3C在2016年4月下旬的OLR空間分布圖及2種數(shù)據(jù)的差，本旬的ρX，Y為0.88，圖中顯示2種數(shù)據(jù)在空間上極為相似，其數(shù)據(jù)差值極小，基本集中在-5～5。在其余重疊時(shí)間上，OLR空間分布和二者的差也與圖3c相似。因此，結(jié)合FY-3A和FY-3C這2種數(shù)據(jù)進(jìn)行研究是可行的。

圖3 2016年4月下旬FY-3A(a)與FY-3C(b)的OLR值空間分布及二者之差(c)Fig.3 The spatial distribution of OLR of FY-3A(a)and FY-3C(b) in the last ten days of April 2016 and their difference(c)

3 長(zhǎng)波輻射異常與異常指數(shù)結(jié)果分析

3.1 玉樹(shù)地震震前異常

圖4是2010年1月中旬至5月上旬玉樹(shù)地震前、后每旬的OLR值的距平圖像。玉樹(shù)震前，從2010年1月中旬(圖4a)開(kāi)始，在羌塘塊體的中部出現(xiàn)了OLR值升高的現(xiàn)象，且增量達(dá)到20 w/m2

以上，計(jì)算增幅發(fā)現(xiàn)，1月中旬的OLR值相較于背景場(chǎng)上升了19.6%。到1月下旬(圖4b)，OLR值升高現(xiàn)象從羌塘塊體延伸到巴顏喀拉塊體，OLR值比背景場(chǎng)高3.5%，而后距平降低。從2月上旬到3月中旬(圖4c～g)都沒(méi)有OLR值大面積超過(guò)20 w/m2的情況。但在3月下旬(圖4h)，距平值大幅上升，上升范圍包括了羌塘塊體、巴顏喀拉塊體、柴達(dá)木塊體以及四川盆地部分地區(qū)，部分增量達(dá)到20 w/m2以上，OLR值增幅為2.5%。1月下旬和3月下旬OLR值空間上超過(guò)20 w/m2的面積比1月中旬大，但增幅卻比1月中旬低，這是因?yàn)檫@2旬OLR值在部分區(qū)域下降的幅度大于1月中旬。此后直至發(fā)震的4月中旬，均未出現(xiàn)大范圍OLR值增強(qiáng)(圖4i～j)。距平圖像出現(xiàn)上述變化或許有如下的動(dòng)力學(xué)原因：印度板塊推擠時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)逐次通過(guò)青藏高原的羌塘、巴彥喀拉、柴達(dá)木塊體向東推進(jìn)，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)作用增強(qiáng)，進(jìn)而致使區(qū)域長(zhǎng)波輻射增強(qiáng)，表現(xiàn)為在某些時(shí)間上出現(xiàn)OLR值升高現(xiàn)象。而距平上升和下降的反復(fù)出現(xiàn)，可能也說(shuō)明了在震前存在應(yīng)力的累積和卸載過(guò)程。

圖4 2010年1月中旬—5月上旬研究區(qū)OLR值距平圖Fig.4 Anomaly of OLR from the middle ten days of January to the first ten days of May 2016

圖5是2010年1月中旬至5月上旬玉樹(shù)地震前、后的異常指數(shù)的時(shí)間曲線圖。在玉樹(shù)地震前，3個(gè)塊體的異常指數(shù)均出現(xiàn)了“下降—上升—下降—上升”的特點(diǎn)。巴顏喀拉塊體的異常指數(shù)在1月中、下旬和3月下旬都超過(guò)了1倍標(biāo)準(zhǔn)差，分別達(dá)到了3.1，1.1和1.9倍，由此可知在這些時(shí)間段，OLR值與背景場(chǎng)存在較大差異。柴達(dá)木塊體在1月中旬異常指數(shù)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差3.5倍，此后一直處于1倍標(biāo)準(zhǔn)差之下，但在3月下旬異常指數(shù)也有上升。羌塘塊體在1月中、下旬和3月下旬異常指數(shù)分別為標(biāo)準(zhǔn)差的4.2，1.8和1.4倍。從數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的結(jié)果可知，羌塘塊體的異常值是3個(gè)塊體中最高的一個(gè)，這是因?yàn)闃?gòu)造上，羌塘塊體是青藏高原受擠壓向東運(yùn)動(dòng)的第一受力塊體，其次才是巴顏喀拉塊體和柴達(dá)木塊體。

圖5 玉樹(shù)地震前后不同塊體異常指數(shù)的時(shí)間曲線Fig.5 Time curve of anomaly index of different blocks before the Yushu earthquake

3.2 九寨溝地震震前異常

圖6為2017年6月中旬—9月上旬九寨溝地震前、后區(qū)域OLR值距平圖像。九寨溝震前，在7月下旬(圖6e)出現(xiàn)了OLR值大面積高出背景場(chǎng)的現(xiàn)象。在羌塘、巴顏喀拉、柴達(dá)木塊體，均出現(xiàn)了距平超過(guò)30 w/m2的情況，OLR值增幅為8.3%，是九寨溝地震研究時(shí)段內(nèi)增幅最高的一旬(其余均小于0)，說(shuō)明7月下旬的OLR值與背景場(chǎng)存在顯著差異。以往研究表明，九寨溝地震是在青藏高原東向推擠過(guò)程中，其東緣與華南地塊觸碰而在二級(jí)塊體邊緣發(fā)生的地震(Chenetal，2010)，在7月下旬出現(xiàn)OLR值增強(qiáng)后，直至地震發(fā)生8月上旬(圖6f)，均未再出現(xiàn)OLR值大面積超過(guò)30 w/m2的現(xiàn)象。九寨溝地震前只有一旬距平突出的原因或許是此處活動(dòng)水平與青藏塊體西部相比相對(duì)較弱。

圖7是2017年6月中旬—9月上旬九寨溝地震前、后的異常指數(shù)，由圖可見(jiàn)，3個(gè)塊體均出現(xiàn)了先升高后下降的變化特點(diǎn)。且異常指數(shù)同時(shí)在7月下旬達(dá)到了最大值，分別超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)差的2.78，1.11和2.68倍，而其余時(shí)間上，未有超過(guò)1倍標(biāo)準(zhǔn)差的現(xiàn)象出現(xiàn)。巴顏喀拉塊體的異常指數(shù)最高，或許與其是構(gòu)造上引起九寨溝地震的主要塊體有關(guān)，同時(shí)也說(shuō)明在7月下旬OLR值明顯異于背景場(chǎng)。

4 結(jié)論與討論

本文結(jié)合了2010—2017年風(fēng)云三系衛(wèi)星FY-3A和FY-3C的逐旬OLR數(shù)據(jù)，通過(guò)建立OLR背景場(chǎng)，計(jì)算了玉樹(shù)MS7.1和九寨溝M7.0地震前后OLR值距平和不同次級(jí)塊體異常指數(shù)，得到以下結(jié)果和結(jié)論：

圖6 2017年6月中旬—9月上旬研究區(qū)OLR值距平圖Fig.6 Anomaly of OLR from the middle ten days of June to the first ten days of September 2017

圖7 九寨溝地震前后不同塊體異常指數(shù)的時(shí)間曲線Fig.7 Temporal curve of anomaly index of different blocks before the Jiuzhaigou earthquake

(1)FY-3A和FY-3C的OLR值在空間上有很高的相似性，2015年全年36期Pearson相關(guān)系數(shù)只有一期低于0.8，大于0.9的有25期，屬于極強(qiáng)相關(guān)，通過(guò)計(jì)算2類(lèi)數(shù)據(jù)OLR值的差發(fā)現(xiàn)，其差的值范圍為-5～5，差異很?。煌瑫r(shí)，二者的空間圖像也具有高度的一致性。因此，可結(jié)合2種數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

(2)玉樹(shù)地震前，空間上出現(xiàn)了OLR值大幅上升的現(xiàn)象。2010年1月中、下旬和3月下旬，空間上出現(xiàn)了不同范圍OLR值超過(guò)20 w/m2的現(xiàn)象，相比于背景場(chǎng)，3旬的增幅分別為19.6%，3.5%和2.5%，輻射增強(qiáng)和下降現(xiàn)象在震前多次反復(fù)出現(xiàn)，或許也說(shuō)明震前塊體間應(yīng)力存在多次加強(qiáng)和卸載。通過(guò)計(jì)算異常指數(shù)表明震前巴顏喀拉、柴達(dá)木、羌塘塊體的OLR值均有超過(guò)多倍標(biāo)準(zhǔn)差的現(xiàn)象，從側(cè)面也說(shuō)明了這一結(jié)論。

(3)九寨溝地震前，在2017年7月下旬出現(xiàn)了OLR值在不同塊體內(nèi)超過(guò)30 w/m2的現(xiàn)象。除研究包含的3個(gè)次級(jí)塊體外，川滇菱形塊體北部也出現(xiàn)了這一現(xiàn)象，塊體異常指數(shù)達(dá)到最大的時(shí)間均為7月下旬，巴顏喀拉塊體異常指數(shù)最高，為標(biāo)準(zhǔn)差的2.78倍，其次是羌塘塊體和柴達(dá)木塊體，巴顏喀拉塊體的異常指數(shù)最高，或許與其是構(gòu)造上引起九寨溝地震的主要塊體有關(guān)。

(4)玉樹(shù)震前，OLR值距平與地震存在2次“上升—下降”而后地震的特點(diǎn)，異常指數(shù)有“下降—上升—下降—地震”的特點(diǎn)；九寨溝地震OLR值距平和異常指數(shù)都有“上升—下降—地震”的特點(diǎn)。2次地震異常指數(shù)變化呈現(xiàn)出不同的變化，但震前異常指數(shù)上升而后發(fā)震這一特征是可以確定的。