氣候變暖背景下安徽省地震時(shí)空特征與氣象因子關(guān)系研究

楊清 陳偉 王俊 呂希順

摘 要：基于1970—2020年安徽省地震震級(jí)和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用相關(guān)分析、Mann-Kendall突變分析、Morlet小波分析等方法，研究了地震震級(jí)時(shí)空特征、突變特征、周期特征及與氣象要素的可能關(guān)系。結(jié)果表明：（1）安徽省地震最大震級(jí)超過(guò)5級(jí)的有2年，超過(guò)4級(jí)的有19年，最大的是1979年的5.4級(jí)。地震震級(jí)與年平均氣溫和相對(duì)濕度呈弱負(fù)相關(guān)，與平均地溫和降水量呈弱正相關(guān)，與平均地溫相關(guān)系數(shù)最大。（2）安徽省地震震級(jí)突變點(diǎn)與平均地溫突變年份相同，M-K檢驗(yàn)曲線均存在多個(gè)交點(diǎn)，存在一定的相似性。（3）安徽省地震震級(jí)、平均氣溫、相對(duì)濕度和平均地溫的第一主周期分別為5a、16a、23a和29a，地震震級(jí)周期規(guī)律與年平均地溫較為接近。

關(guān)鍵詞：地震震級(jí);相關(guān)分析;Mann-Kendall法;Morlet小波分析

中圖分類(lèi)號(hào) P429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）03-0169-04

1 引言

中國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家，地震給人民帶來(lái)了極大的生命財(cái)產(chǎn)損失，地震防災(zāi)減災(zāi)是人類(lèi)面臨的共同問(wèn)題。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外大震頻發(fā)，引起了社會(huì)公眾的廣泛關(guān)注。在全球增溫背景下，我國(guó)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出，極端天氣、災(zāi)害呈增加趨勢(shì)[1-2]。關(guān)于地震與降水、氣溫之間存在著某種聯(lián)系，可能直接參與了孕震過(guò)程的問(wèn)題，成為很多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

安徽省地處長(zhǎng)江、淮河中下游，東西（南北）跨度接近6個(gè)經(jīng)（緯）度，屬于由北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡的南北氣候過(guò)渡帶，近年來(lái)全省氣候增溫明顯。為此，本研究基于安徽省地震、氣象要素?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)用相關(guān)分析、Mann-Kendall突變分析、Morlet小波分析等方法，安徽省地震震級(jí)時(shí)空特征、特變特征、周期特征及與氣象要素的可能關(guān)系，以期為地震的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

2 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

2.1 研究區(qū)域 安徽省位于安徽省北部，介于東經(jīng)114°54′～119°37′，北緯29°41′～34°38′之間，地處華東腹地，跨長(zhǎng)江、淮河中下游，是中國(guó)東部襟江近海的內(nèi)陸省份。地勢(shì)西南高、東北低，地形地貌南北迥異，地處華北斷塊、秦嶺—大別斷褶帶和下?lián)P子斷塊區(qū)3個(gè)一級(jí)地質(zhì)構(gòu)造的交匯部位，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，是一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜、新構(gòu)造活動(dòng)具有一定差異的地區(qū)，著名的郯城—廬江斷裂帶斜貫全省，具備發(fā)生中強(qiáng)地震的地質(zhì)構(gòu)造背景。地處暖溫帶與亞熱帶過(guò)渡地區(qū)，淮河以北屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，淮河以南為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，南北兼容，季風(fēng)明顯，四季分明，春暖多變，夏雨集中，秋高氣爽，冬季寒冷。地處中緯度地帶，隨季風(fēng)的遞轉(zhuǎn)，降水發(fā)生明顯季節(jié)變化，是季風(fēng)氣候明顯的區(qū)域之一[3-4]。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源 1970—2020年地震數(shù)據(jù)來(lái)源于安徽省地震局，1970—2020年地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）。

2.3 研究方法

2.3.1 Pearson相關(guān)分析 通過(guò)對(duì)安徽省地震震級(jí)和氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，研究地震震級(jí)和氣象要素之間的關(guān)系。

Pearson相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

其中，變量X是所有點(diǎn)的x坐標(biāo)的集合，變量Y是所有點(diǎn)的y坐標(biāo)集合。Pearson相關(guān)系數(shù)實(shí)質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)學(xué)方法中的一種線性相關(guān)系數(shù)，可以用來(lái)衡量定距變量間的線性關(guān)系。Pearson相關(guān)系數(shù)r越接近于1，表示2個(gè)變量的相關(guān)程度越高。

2.3.2 Mann-Kendall突變分析 運(yùn)用MATLAB 2014軟件，使用M-K突變檢驗(yàn)方法對(duì)安徽省地震震級(jí)、年平均氣溫、相對(duì)濕度和平均地溫進(jìn)行突變分析。Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，與參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法相比不受參數(shù)值的影響[5]，該方法適用于氣象、水文等非正態(tài)分布資料分析，計(jì)算方便，可用來(lái)分析地震震級(jí)于降水氣溫的變化趨勢(shì)，詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[6]。M-K檢驗(yàn)的順序統(tǒng)計(jì)曲線UF與逆序統(tǒng)計(jì)曲線UB在臨界線之間的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的年份為可能突變年，只有統(tǒng)計(jì)曲線突變點(diǎn)之后超過(guò)臨界直線，才表明其通過(guò)可信度檢驗(yàn)。實(shí)際應(yīng)用中，如果臨界線之間出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)的情況，往往說(shuō)明M-K檢驗(yàn)方法不能單獨(dú)作為判斷依據(jù)，本文結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)進(jìn)一步確定突變點(diǎn)。

2.3.3 Morlet小波變換分析 利用Morlet小波分析方法，對(duì)安徽省地震震級(jí)與氣候要素進(jìn)行周期特征分析。

連續(xù)小波變換（Continue Wavelet Transform）的公式為：

式中，[Wf（a， b）]為小波變換系數(shù);[f（t）]為一個(gè)信號(hào)或平方可積函數(shù);a為伸縮尺度;b平移參數(shù);[Ψ（X-ba）]為[Ψ（X-ba）]為的復(fù)共軛函數(shù)。

式（2）的離散小波變換形式為：

小波變換通過(guò)改變伸縮尺度a來(lái)得到信號(hào)的低頻或高頻信息，然后分析信號(hào)的概貌或細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)不同時(shí)間尺度和空間局部特征的分析[7-8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 地震震級(jí)時(shí)空分布 選取安徽省1970—2020年的歷史地震資料，制作了震級(jí)一時(shí)間序列圖（圖1）。由圖1可知，安徽省地震最大震級(jí)超過(guò)5級(jí)的有2年（分別出現(xiàn)在固鎮(zhèn)和安慶），超過(guò)4級(jí)的有19年，最大的是1979年固鎮(zhèn)發(fā)生的5.4級(jí)地震。由1970—2020年地震最大震級(jí)空間分布（圖2）可知，安徽省最大震級(jí)空間布局分散，僅在六安市南部較為集中。

3.2 地震活動(dòng)與氣象要素的相關(guān)關(guān)系 表1為安徽省地震震級(jí)與氣象要素的相關(guān)系數(shù)。由表1可知，地震震級(jí)與年平均氣溫和相對(duì)濕度呈弱負(fù)相關(guān)，與平均地溫和降水量呈弱正相關(guān)，與平均地溫相關(guān)系數(shù)最大為0.130。將著重分析地震震級(jí)與平均氣溫、相對(duì)濕度和平均地溫的突變關(guān)系和周期規(guī)律。與降水量相關(guān)系數(shù)最小，不再分析突變和周期規(guī)律。

3.3 地震活動(dòng)與氣象要素的突變關(guān)系 使用M-K突變檢驗(yàn)方法對(duì)安徽省地震震級(jí)、年平均氣溫、相對(duì)濕度和平均地溫進(jìn)行突變分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。圖2中紅色曲線為M-K檢驗(yàn)的順序統(tǒng)計(jì)曲線UF，藍(lán)色曲線為逆序統(tǒng)計(jì)曲線UB，兩曲線的交點(diǎn)為可能突變年。安徽省地震震級(jí)M-K檢驗(yàn)曲線存在多個(gè)交點(diǎn)（圖2A），突變點(diǎn)為2012年，2011年出現(xiàn)了近50年來(lái)的次大震級(jí)5.2級(jí)。安徽省年平均氣溫突變點(diǎn)為1997年（圖2B），1997年后氣溫升高明顯，突變前平均氣溫值為14.79℃，突變后值為15.74℃，經(jīng)突變升高了0.95℃。相對(duì)濕度在1976年發(fā)生突變（圖2C），1976年后相對(duì)濕度進(jìn)入振蕩期，2003年后明顯下降。平均地溫M-K檢驗(yàn)曲線存在多個(gè)交點(diǎn)（圖2D），在2012年明顯突變，突變前平均地溫為17.67℃，突變后值為18.40℃，經(jīng)突變升高了0.73℃。由上可見(jiàn)，安徽省地震震級(jí)突變點(diǎn)與平均地溫突變年份相同，有相似的性質(zhì)。與其他氣象要素的突變年份則不同。

3.4 地震活動(dòng)與氣象要素的周期對(duì)應(yīng)關(guān)系 利用Morlet小波分析方法，對(duì)安徽省地震震級(jí)與氣候要素進(jìn)行周期特征分析（圖3），安徽省地震震級(jí)和氣候要素均具有明顯的年代際周期變化。由圖3A可知，地震震級(jí)存在15～25a的周期，在20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)前十年存在8～12a的周期，始終存在5a左右的周期。小波方差曲線在5a、10a、22a處存在波峰。表明地震震級(jí)有5a、10a和22a三大周期，5a為第一主周期，10a、22a第二、三主周期。

由圖3B可知，年平均氣溫始終存在25～30a、14～20a和5～8a的周期。小波方差曲線在7 a、16a和28a處存在波峰，20a處存在不顯著波峰。表明有7 a、16a和28a三大周期，16a和28a最為顯著為第一、二主周期，7a為第三主周期。

由圖3C可知，年相對(duì)濕度在始終存在20～25a的周期，在21世紀(jì)更為顯著，20世紀(jì)80年代后還存在10～15a的周期。此外，21世紀(jì)還存在5～10a的周期變化。小波方差曲線在23a，13a和9a處存在波峰。表明相對(duì)濕度有23a，13a和9a三大周期，23a為第一主周期，13a為第二主周期，9a為第三主周期。

由圖3D可知，年平均地溫始終存在25～35a的周期，20世紀(jì)90年代后還存在12～20a的周期，20世紀(jì)90年代前主要存在5～10a的周期。小波方差曲線在7a、9a、16a和29a處存在波峰。表明平均地溫有7a、9a、16a和29a四大周期，29a為第一主周期，7a為第二主周期，9a和16a為第三、四主周期。

由上可見(jiàn)，安徽省地震震級(jí)周期屬性與平均地溫較為相似。從小波方差波形看，亦與平均地溫更為接近。

4 結(jié)論與討論

（1）安徽省地震最大震級(jí)超過(guò)5級(jí)的有2年（分別出現(xiàn)在固鎮(zhèn)和安慶），超過(guò)4級(jí)的有19年，最大的是1979年固鎮(zhèn)發(fā)生的5.4級(jí)地震;安徽省最大震級(jí)空間布局分散，僅在六安市南部較為集中。地震震級(jí)與年平均氣溫和相對(duì)濕度呈弱負(fù)相關(guān)，與平均地溫和降水量呈弱正相關(guān)，與平均地溫相關(guān)系數(shù)最大為0.130。

（2）安徽省地震震級(jí)突變點(diǎn)與平均地溫突變年份相同，有相似的性質(zhì)。安徽省地震震級(jí)M-K檢驗(yàn)曲線存在多個(gè)交點(diǎn)，突變點(diǎn)為2012年，2011年出現(xiàn)了近50年來(lái)的次大震級(jí)5.2級(jí)。安徽省年平均氣溫突變點(diǎn)為1997年，1997年后氣溫升高明顯，突變前平均氣溫值為14.79℃，突變后值為15.74℃，經(jīng)突變升高了0.95℃。相對(duì)濕度在1976年發(fā)生突變，1976年后相對(duì)濕度進(jìn)入振蕩期，2003年后明顯下降。平均地溫M-K檢驗(yàn)曲線存在多個(gè)交點(diǎn)，在2012年明顯突變，突變前平均地溫為17.67℃，突變后值為18.40℃，經(jīng)突變升高了0.73℃。

（3）地震震級(jí)有5a、10a和22a三大周期，5a為第一主周期，10a、22a第二、三主周期。年平均氣溫有7a、16a和28a三大周期，16a和28a最為顯著為第一、二主周期，7a為第三主周期。年相對(duì)濕度有23a，13a和9a三大周期，23a為第一主周期，13a為第二主周期，9a為第三主周期。年平均地溫有7a、9a、16 a和29a四大周期，29a為第一主周期，7a為第二主周期，9a和16a為第三、四主周期。安徽省地震震級(jí)周期規(guī)律與平均地溫較為相似。從小波方差波形看，亦與平均地溫更為接近。

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（責(zé)編：張宏民）

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