郭 曉 張?jiān)?魏從信 鐘美嬌 張 璇

1）中國蘭州 730000 中國地震局蘭州地震研究所

2）中國蘭州 730000 中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州創(chuàng)新基地

引言

地震是對人類生存安全危害最大的自然災(zāi)害之一，我國又是世界上地震活動最強(qiáng)烈和地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一．汶川MS8．0地震發(fā)生不到5年，2013年4月20日，四川省雅安市蘆山縣又發(fā)生MS7．0強(qiáng)烈地震，造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失．地震預(yù)報(bào)問題再次引起社會的關(guān)注．關(guān)于地震預(yù)報(bào)，雖有過成功的實(shí)例（如1975年海城MS7．3地震），但絕大多數(shù)地震還是未能做出預(yù)報(bào)．其主要原因是人類對地震孕育過程的認(rèn)識還很膚淺．此外，地震預(yù)報(bào)還受地形、環(huán)境等因素的影響，如地震高發(fā)區(qū)地震監(jiān)測能力差或無監(jiān)測能力等也會導(dǎo)致地震預(yù)報(bào)困難．隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，全天候的衛(wèi)星遙感資料給地震預(yù)測研究創(chuàng)造了良好的監(jiān)測條件和實(shí)踐機(jī)會．

近20年來，紅外遙感技術(shù)的應(yīng)用及典型震例研究結(jié)果表明，大地震發(fā)生之前存在熱紅外和長波輻射異常，它是地震孕育過程中伴生的一種自然現(xiàn)象（強(qiáng)祖基等，1997；劉德富等，1999；Qiangetal，1999；Gabrielovetal，2000；Troninetal，2002；張?jiān)龋?002；鄧志輝等，2003；郭曉等，2005；屈春燕等，2006；康春麗等，2008；Sarafetal，2008）．為有效獲取這些地震熱信息，地震研究人員提出了多種熱紅外異常提取方法，主要有功率譜相對變化法、渦度背景場法、斷裂帶內(nèi)外溫差法等（強(qiáng)祖基等，1990；劉德富等，1999；陳梅花等，2007；郭曉等，2010；康春麗等，2011；張?jiān)龋?011；荊鳳等，2012）．其中功率譜相對變化法可很好地壓制地形地貌、地物類型和氣象等非構(gòu)造活動因素引起的長波輻射變化，以突出地震孕育過程中引起的長波輻射異?，F(xiàn)象．應(yīng)用該方法對靜止衛(wèi)星長波輻射資料進(jìn)行的震例研究結(jié)果表明，強(qiáng)震前確實(shí)存在不同程度的長波輻射功率譜信息異?，F(xiàn)象．蘆山MS7．0地震前也應(yīng)該存在長波輻射異常，為此，本文以靜止衛(wèi)星長波輻射資料為數(shù)據(jù)源，應(yīng)用功率譜相對變化法對蘆山MS7．0地震進(jìn)行了分析研究．

1 長波輻射數(shù)據(jù)

長波輻射通量密度（outgoing long-wave radiation，簡寫為OLR或簡稱為長波輻射）是地球向外空輻射出去的所有波長的電磁波能量密度，也稱熱輻射能量密度．由于它的波長主要集中在4—∞μm，氣象上又稱為射出長波輻射．其大小主要由發(fā)射下墊面的溫度所決定，因此，實(shí)時OLR基本上反映了觀測地區(qū)的地表溫度變化狀況．FY2-C衛(wèi)星于2004年10月19日發(fā)射，定點(diǎn)于105°E，星下點(diǎn)分辨率為5km．國家衛(wèi)星氣象中心于2005年6月開始正式運(yùn)行FY2-C的OLR產(chǎn)品處理軟件，其生成的一日8個時次的實(shí)時OLR產(chǎn)品，以及日、候、旬、月平均OLR產(chǎn)品均已被存檔．衛(wèi)星觀測時刻的實(shí)時OLR產(chǎn)品主要通過FY2－C紅外通道1（10．3—11．3μm）、紅外通道2（11．5—12．5μm）、水汽通道（6．3—7．6μm）輻射率測量值經(jīng)由一系列回歸公式計(jì)算出來的（吳曉，2007）．FY2-C衛(wèi)星的地理范圍為50°N—50°S、55°—155°E，數(shù)據(jù)分辨率為0．1°×0．1°，精度高于極軌氣象衛(wèi)星，并且具有時間的一致性（使用數(shù)據(jù)為每天午夜的觀測數(shù)據(jù)）和地點(diǎn)的可比性（對同一地點(diǎn)，衛(wèi)星的高度角與輻射傳播路徑基本相同）．

我們使用的有效數(shù)據(jù)的起止時間為2006年1月1日—2013年5月8日，其中2009年11月25日—2013年5月8日為FY2-E衛(wèi)星數(shù)據(jù)（FY2-E為FY2-C替代星）．為減少太陽輻射的影響，每天選取北京午夜的3個時次觀測數(shù)據(jù)，分別為世界時15：00、18：00和21：00．由于數(shù)據(jù)量大，我們只選擇了衛(wèi)星地理范圍為5°—50°N、55°—150°E內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理．

2 功率譜相對變化法

連續(xù)的長波輻射數(shù)據(jù)信息中應(yīng)包括地球基本溫度場（直流部分）、年變和日變溫度場、云雨和寒熱氣流、地形等因素引起的溫度變化以及其它因素（包括地震）引起的長波輻射變化信息．采用Daubechies（dbN）小波系中的db8小波基對OLR信息進(jìn)行小波變換處理．應(yīng)用小波變換可以去除地球基本溫度場和地形（直流部分）及年變溫度場等長周期引起的長波輻射，即舍去小波7階的低通部分．用小波2階的低通部分減去小波7階的低通部分，即保留了中間頻帶部分信息，舍去了高頻和低頻信息，此步驟相當(dāng)于一個帶通濾波．由于雨云和寒熱氣流引起的溫度變化時間較短，一般為幾小時至數(shù)天，這種信息經(jīng)小波變換可基本去除，即舍去小波2階的高通部分．具體小波變換過程詳見張?jiān)龋?010）熱紅外資料的處理過程．對每個像元而言，經(jīng)小波變換處理后的數(shù)據(jù)在時間域里是正負(fù)相間的長波輻射相對變化波形數(shù)據(jù)（單位為W／m2），它的時間周期范圍包含了強(qiáng)震信息的短臨異常周期范圍．

對這樣海量的長波輻射相對變化波形數(shù)據(jù)，我們采用了波形數(shù)據(jù)處理常用的數(shù)學(xué)方法，即功率譜估計(jì)．功率譜反映了隨機(jī)信號各頻率成分功率能量的分布情況，可以揭示信號中隱含的周期性及靠得很近的譜峰等有用信息．應(yīng)用功率譜估計(jì)可以獲得優(yōu)勢頻率和幅值，其目的在于研究地震前后長波輻射變化的功率譜與其它時段的功率譜的異同．考慮短臨地震異常出現(xiàn)的時間一般在10—90天內(nèi)，以n（n＝64，128，本文中n＝64）天為窗長，m（m＝1，2，3，4，5，本文中m＝1）天為滑動窗長做傅里葉變換，計(jì)算其功率譜，對每個像元的時程數(shù)據(jù)滑動一次可獲得一組功率譜，時間約定為窗內(nèi)數(shù)據(jù)的最新時間，這樣就獲得了時頻空間數(shù)據(jù)．

為了更好地反映地震前后長波輻射變化的功率譜與其它時段的功率譜的不同，我們對每一像元的所有頻率的功率譜作相對幅值處理，生成功率譜時頻相對變化空間數(shù)據(jù)（郭曉等，2010）．運(yùn)用圖像處理技術(shù)對時頻相對功率譜進(jìn)行時空掃描，易于提取有用信息和進(jìn)行震例分析，尋找幅值變化較大的對應(yīng)頻率（即特征周期）、時間和區(qū)域位置參數(shù)．

3 結(jié)果

蘆山MS7．0地震是繼汶川MS8．0大地震后，四川地區(qū)再次發(fā)生的嚴(yán)重破壞性大地震，這兩次地震均發(fā)生在龍門山地震帶上．龍門山斷裂帶是青藏高原東緣最劇烈的地形梯度帶，主要由近北東走向的3條斷裂帶構(gòu)成：沿汶川—茂縣的龍門山后山斷裂帶，沿映秀—北川的龍門山中央主斷裂帶和沿灌縣—江油的龍門山前山斷裂帶（張培震等，2008）．蘆山地震就發(fā)生在龍門山斷裂帶的南端．

蘆山地震前后長波輻射功率譜信息異常主要分布在龍門山斷裂帶上及其西北地區(qū)，即位于由龍門山斷裂帶中—南段到龍日壩斷裂帶，以及它們之間夾持的龍門山次級塊體共同組成的青藏高原東緣的邊界構(gòu)造帶內(nèi)（徐錫偉等，2008）．圖1顯示了蘆山地震前后一個多月的長波輻射功率譜時空變化特征．從該圖中可以看到，從3月下旬開始出現(xiàn)長波輻射功率譜異常，至4月上旬異常持續(xù)向龍門山斷裂帶方面擴(kuò)展，主要分布在龍門山斷裂帶上及其西北地區(qū)．蘆山地震發(fā)生前一天（即4月19日）功率譜異常幅值已達(dá)平均值的8倍多，震后6天（即4月26日）異常幅值達(dá)到極值，約為平均值的9倍，地震前后功率譜幅值大于平均值2倍的持續(xù)時間約為65天（圖2）．幅值大于平均值6倍的異常面積約為12萬km2（圖1）．隨后異常面積開始縮小，異常幅度也在下降，至5月下旬這種異?，F(xiàn)象基本消失．蘆山地震前后的熱異常分布可能反映了應(yīng)力集中和調(diào)整變化，根據(jù)異常的演化過程，結(jié)合斷裂帶分布可以估計(jì)發(fā)震的可能區(qū)域范圍．

圖1 蘆山MS7．0地震長波輻射功率譜異常時段及其演化Fig．1 Abnormal periods and the evolution of power spectrum of OLR for the Lushan MS7．0earthquake

圖2 異常區(qū)小范圍的相對功率譜平均值時序曲線（區(qū)域范圍為31°—31．5°N，102．5°—103°E）（a）多年時段；（b）蘆山地震異常時段Fig．2 Time history plot of mean value of relative power spectrum in small regions（Latitude 31°N to 31．5°N，longitude 102．5°E to 103°E）（a）Several years；（b）The anomalous period of Lushan earthquake

4 討論與結(jié)論

蘆山MS7．0地震長波輻射異常主要分布在龍門山斷裂帶上及其西北地區(qū)．該地區(qū)為晚第四紀(jì)至今青藏高原東緣的邊界構(gòu)造帶．構(gòu)造帶由龍門山斷裂帶中—南段到龍日壩斷裂帶，以及它們之間夾持的龍門山次級塊體共同組成，構(gòu)造帶內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)烈的構(gòu)造與地震活動性（徐錫偉等，2008）．地球內(nèi)部（殼層）含有大量的水汽、二氧化碳和其它少量氣體．在大地震發(fā)生前地殼應(yīng)力持續(xù)增大，貫通地表的裂隙數(shù)量明顯增多，導(dǎo)致地下逸出氣增多，大量水汽、二氧化碳和甲烷等其它溫室氣體混合作用引起溫室效應(yīng)，地殼內(nèi)部熱傳導(dǎo)加強(qiáng)，使地表及底層大氣溫度顯著上升，長波輻射信息功率譜特征幅值明顯增強(qiáng)．因此，這種震前構(gòu)造應(yīng)力場的遷移與集中活動所激發(fā)與加劇的應(yīng)力熱與地?zé)岬膫鬟f，及其與孕震區(qū)溫室效應(yīng)的相互作用，即地球放氣與大氣共同作用是此次地震衛(wèi)星長波輻射異常產(chǎn)生的主要機(jī)理（Zhangetal，2010）．

本文以靜止衛(wèi)星長波輻射資料為數(shù)據(jù)源，應(yīng)用功率譜相對變化法對蘆山MS7．0地震進(jìn)行了分析研究．結(jié)果表明，蘆山MS7．0地震前龍門山斷裂帶上及其西北地區(qū)出現(xiàn)了明顯的長波輻射功率譜信息異?，F(xiàn)象，震后6天這種異?，F(xiàn)象達(dá)到極值．隨后異常面積開始縮小，異常幅度也在下降，至5月下旬這種異常現(xiàn)象基本消失．地震前后的熱異常分布可能反映了應(yīng)力集中和調(diào)整變化，根據(jù)異常的演化過程結(jié)合斷裂帶分布可以估計(jì)發(fā)震的可能區(qū)域范圍．

蘆山MS7．0地震發(fā)生在功率譜增強(qiáng)范圍區(qū)的邊緣．臨震時功率譜相對變化率幅值達(dá)到近幾年來的極值，約為平均值的8倍，功率譜幅值（相對變化率）大于平均值2倍的持續(xù)時間達(dá)65天，功率譜幅值最大時大于平均值6倍的面積達(dá)12萬km2．這些短臨異常信息表現(xiàn)特征與之前的中國大陸MS≥6．5地震研究結(jié)果基本一致（郭曉等，2010）．強(qiáng)震長波輻射功率譜信息特征幅值極值、功率譜增強(qiáng)持續(xù)時間等短臨異常特征識別較為容易，且長波輻射資料可實(shí)時更新，未來可將其應(yīng)用于監(jiān)測地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)，特別是監(jiān)測能力較差的強(qiáng)震多發(fā)區(qū)．

感謝中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心提供靜止衛(wèi)星長波輻射遙感資料．

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