2018年8月14日云南通海M5.0地震熱紅外亮溫異常分析

格 根，梁沙沙，裴東洋，阿娜爾

（內蒙古自治區(qū)地震局，內蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

衛(wèi)星遙感技術具有瞬時探測大范圍近地空間熱紅外異常的動態(tài)變化，具有比常規(guī)地表定點測量手段無法比擬的優(yōu)勢[1]。自1988年，前蘇聯(lián)學者Gorny等分析1984年加茲利MS7.1地震前出現(xiàn)的顯著熱紅外亮溫異常之后，衛(wèi)星熱異常的震兆研究已經成為地震學界的一種熱點[2-5]。由于熱紅外輻射容易受到復雜的大氣干擾、地表層熱狀況、地物輻射等影響，直接利用紅外輻射無法準確獲得與地震有關的異常變化，因此國內外學者提出了一些有效的數(shù)據(jù)處理方法，并應用到震例總結和地震預測當中。張元生等提出的雙通道多時相反演方法對提取大范圍地表溫度的連續(xù)變化和分辨異常區(qū)域提供了技術支撐，除此之外張元生等采用離散小波變換濾波及短時傅里葉變換的相對功率譜方法對汶川8.0、于田7.3、日本9.0等多次大震震例進行研究，得出地震熱紅外異常機理及震前的變化特征[6-7]；Filizzola采用基于統(tǒng)計的RST方法，通過雅典5.9級地震震中區(qū)域溫度與背景溫度值相減，獲取震前溫度的上升變化[8]；魏從信等采用相對功率譜法，對2007—2010年間85個5.5級以上地震的熱紅外異常震例總結顯示，95%以上地震前均有熱異常變化[9-10]；孟慶巖等[11]針對NOAA18/AVHRR和EOS MODIS數(shù)據(jù)提出基于歷年同期亮度溫度偏移指數(shù)方法、基于長周期信息的亮溫提取方法等，應用在青藏高原東北隅、首都圈、川滇地區(qū)等三大主要構造區(qū)域近年來的6級以上震例研究中，總結出異常的短臨性、階段性和構造帶的相關性。前人的研究結果顯示，汶川、于田、精河地震、尼泊爾地震、日本地震等多次強震前熱紅外均出現(xiàn)明顯的異常變化，主要特征有：（1）強震前在震源附近區(qū)域出現(xiàn)熱異常，并具有隨時間逐漸增大之衰減的時空演化特征；（2）異常區(qū)域聚集且沿斷裂帶發(fā)展。但也存在普遍性，不一定每次異常都會對應地震或每次地震前都會出現(xiàn)熱異常變化[12-24]。

據(jù)中國臺網(wǎng)中心測定，2018年8月14日3時50分，在云南省玉溪市通?？h（24.19°N，102.75°E）發(fā)生M5.0地震，震源深度6km，震中位于通?！肷綌嗔焉希▓D1）。本文利用相對功率譜估計法對本次地震進行了地震前后熱紅外亮溫數(shù)據(jù)異常變化分析，獲取與該地震相關的熱紅外亮溫變化特征，以期為衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)演化特征與地震的關系研究提供震例積累。

圖1 2018年8月14日云南通海M5.0地震地理位置Fig.1 The geographic location of the M5.0 earthquake in Tonghai，Yunnan Province on August 14，2018

1 資料選取與數(shù)據(jù)處理

1.1 亮溫資料

地震監(jiān)測與氣象監(jiān)測一樣，要求數(shù)據(jù)連續(xù)性和可比性，因此本文采用國家衛(wèi)星氣象中心（風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務網(wǎng)）所提供的FY-2G靜止氣象衛(wèi)星遙感熱紅外亮溫數(shù)據(jù)（遠紅外觀測波段為10.3～11.3μm和11.5～12.5μm），該數(shù)據(jù)分辨率雖不如極軌衛(wèi)星高，但具有時間上的一致性、地點的可比性，每天進行24小時觀測，一次觀測范圍為地球三分之一的面積，因此更加適用于地震監(jiān)測預報的要求[2，22]。由于衛(wèi)星熱紅外易受到太陽輻射的影響，因此選取世界時的19—21時、范圍為22～30°N，97～107°E區(qū)域間的數(shù)據(jù)進行了熱紅外亮溫異常分析。

1.2 亮溫計算

實際物體的輻射能量是以電磁波的形式傳到傳感器上，該輻射能量通過輻射定標和幾何糾正、普朗克輻射公式和波段響應函數(shù)能轉化等步驟便能計算獲得亮溫），該亮溫可作為監(jiān)測地震的紅外參數(shù)[2，11，25]。

普朗克輻射定理完整的描述了黑體輻射的光譜分布，公式為：

式中，B（V，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），h為普朗克常數(shù)，c為光速，k為玻耳茲曼常數(shù)。某一波段的黑體輻射公式是普朗克公式對這一波段各個波長值和該波段響應函數(shù)的積分，可以表達為：

式中，i為波段數(shù)，fi（v）為第i波段的波段響應函數(shù)，v2i和v1i分別是i波段上下限波長對應的波數(shù)。利用波數(shù)間隔Δv=5cm-1求和代替積分，波段的黑體輻射公式為：

式中mi=（v2i-v1i）/Δv。應用公式（3）在溫度T1i至T2i范圍內以Δv步長變化時，分別對每個紅外波段進行數(shù)值積分，能得到每個紅外波段（i）的輻射出射度Wi（T）與溫度T的對應關系。經過查詢關系表能獲得對應的黑體輻射溫度值，該溫度值即是研究所需的亮溫BT，單位為K，但不是物體的真實溫度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 小波變換

小波變換是一種線性時頻分析方法，在時間和頻率域均有很好的局部化性質[22]。熱紅外遙感所獲取的亮溫數(shù)據(jù)中包括地球的基本溫度場、年變、日變溫度場、天氣引起的溫度變化以及地震等其他因素引起的微弱變化[2]。本文為了提取與地震有關的溫度變化，采用db8小波基對亮溫數(shù)據(jù)進行小波變換。為了去除地球基本溫度場和年變溫度場先舍去小波7階的低頻部分；為了去除天氣等引起的較短時間云雨、寒熱氣流等溫度變化，再舍去小波2階的高頻部分，經以上處理后每個象元的數(shù)據(jù)在時間域里是正負相間的亮溫相對變化數(shù)據(jù)[2，24]。

1.3.2 相對傅氏功率譜法

功率譜法是常用的波形數(shù)據(jù)處理的數(shù)學方法，它可以通過信號的相關性估計出接受信號的功率隨頻率的變化關系，揭示信號中隱含的周期性和相距較近的譜峰等有用信息[24]。由于海量的亮溫數(shù)據(jù)不易進行全時空分析，因此本文將采用功率譜法進行處理，獲取優(yōu)勢頻率和幅值，能有效的提取地震前后亮溫變化功率譜與其他時候的區(qū)別。具體步驟如下，以n=64天為窗長，m=1天為滑動窗長進行傅里葉變換，對每一象元的頻率數(shù)據(jù)滑動一次獲得一組功率譜，時間約定在窗內數(shù)據(jù)的起始時間，既能獲得時頻空間數(shù)據(jù)。為了去除觀測數(shù)據(jù)的地理位置、海拔等影響因素，對每一象元所有功率譜作相對譜值處理，獲得空間相對功率譜值。最后應用圖像處理技術進行全頻段時空掃描，既能識別異常區(qū)域及其演化特征[2，18，25-29]。

2 數(shù)據(jù)分析結果

2.1 亮溫時空演化特征

以22～30°N、97～107°E為研究區(qū)，對2018年8月14日云南省玉溪市通?？hM5.0地震進行熱紅外亮溫異常研究，通過區(qū)域追蹤掃描得到的初步圖像發(fā)現(xiàn)，特征周期為8天的平面功率譜信息圖像中存在明顯的異常（圖2）。

圖2 通海M5.0地震特征周期8天的平面功率譜圖Fig.2 Power spectrum of M5.0 earthquake in Tonghai County during 8-day period

為獲取地震前后熱紅外亮溫異常演化特征，對該區(qū)域時頻相對功率譜值進行空間掃描，獲取通海M5.0地震前后的熱紅外亮溫功率譜異常時空演化圖像（圖3），結果顯示：2018年6月27日，在研究區(qū)西南側畹町—安定斷裂附近（24°N，98°E）開始出現(xiàn)亮溫增溫異常，隨后異常幅值及面積逐漸增大，并沿斷裂帶逐漸向東北方向發(fā)展，至2018年8月6日面積及譜值達到最高值，高值區(qū)域主要分布在震中西北及北北東方向，集中在鶴慶—洱源斷裂、永生—賓川斷裂帶延伸至蓮峰斷裂、龍泉山西緣斷裂一帶。之后高值異常區(qū)域慢慢收縮，在此過程中在異常區(qū)域附近發(fā)生通海M5.0地震，異常出現(xiàn)至發(fā)震約50天，震中區(qū)域未出現(xiàn)異常。至2018年9月12日異常基本消失。通過以上分析發(fā)現(xiàn)，該異常形態(tài)變化相對突出，異常輻射強度較大，發(fā)震位置在異常區(qū)域附近，與多數(shù)震例總結結果相符。

圖3 通海M5.0地震前后熱紅外亮溫相對功率譜時空演化圖Fig.3 Time-space evolution of thermal infrared brightness temperature relative power spectrum before and after Tonghai M5.0 earthquake

2.2 亮溫功率譜平均譜值時間變化特征

亮溫異常區(qū)功率譜平均譜值時序圖能反應異常區(qū)亮溫變化的整體趨勢[26]。該區(qū)域近6年的平均譜值時序圖顯示（圖4）：通海M5.0地震亮溫異常特征周期為8天，相對變化率達到20倍左右，最高值19.81出現(xiàn)在2018年8月8日，近6年數(shù)據(jù)的最大值，8月14日發(fā)震前平均功率譜值陡升，之后在高值回落階段發(fā)生了地震。2014年以來研究區(qū)亮溫功率譜平均譜值相對值基本在4倍均值以下，該次地震特征功率譜幅值大于4倍的持續(xù)時間為46天，時間特征相對突出。除此之外，6年之內超過4倍均值線的還有4次，即2014、2015、2017、2019年出現(xiàn)超4倍均值高值，考慮其持續(xù)時間較短或峰值相對較小，根據(jù)以往震例總結，可能與該地區(qū)地質環(huán)境及氣象因素有關。

圖4 異常區(qū)相對功率譜時序圖（研究范圍：28～29°N、103～104°E）Fig.4 Time series of relative power spectrum in abnormal region（Study Areas：28～29°N，103～104°E）

3 結論

本文針對2018年8月14日云南通海市M5.0地震，利用相對功率譜估計方法對研究區(qū)（22～30°N，97～107°E）靜止氣象衛(wèi)星FY-2G連續(xù)觀測的亮溫數(shù)據(jù)進行分析，結果顯示地震熱紅外亮溫相對功率譜時空演化特征為：（1）震前50天開始在震中以西畹町—安定斷裂附近出現(xiàn)明顯的增溫異常；（2）異常演化過程呈現(xiàn)為初步顯現(xiàn)至加速發(fā)展后逐步衰減；（3）異常區(qū)域聚集且沿斷裂帶發(fā)展，說明亮溫異常變化可能與斷裂活動有一定關系。異常區(qū)相對功率譜時序特征為：（1）異常特征周期為8天，相對變化率達到20倍左右；（2）發(fā)震前功率譜值陡升，之后在高值回落階段發(fā)生了地震；（3）特征功率譜幅值大于4倍的持續(xù)時間為46天，時間特征相對突出。綜合分析發(fā)現(xiàn)，該地震前出現(xiàn)明顯的熱紅外亮溫異常變化，其整體變化特征與以往的震例研究結果相似，異常幅度及時空演化特征較為突出。

4 討論

本研究實行期間，同時對云南地區(qū)2015—2019年其他6次5級以上地震進行了亮溫分析，結果發(fā)現(xiàn)，其中3次地震前存在不同程度的亮溫增溫現(xiàn)象。目前，熱紅外亮溫異常變化已具有一定的地震短臨預測意義，雖然預測時間和地點指標比較明確，但基本是基于經驗的總結，精準率尚待提高。對于熱異常的原因與異常特征變化關系的進一步探索，需靠不斷的震例總結及更深入的機理研究來挖掘，從而提高地震預測的精準度。