溫少妍，屈春燕，單新建，閆麗莉，宋冬梅

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011;2.中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029;3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，青島 266555)

0 引言

衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)具有動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、覆蓋面積廣、連續(xù)穩(wěn)定及可獲得大面積的連續(xù)場(chǎng)信息等優(yōu)勢(shì)。很多學(xué)者就利用該技術(shù)對(duì)地震監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究，并取得了較好的結(jié)果[1－3]。研究表明，震前熱紅外增溫出現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)短不一，從震前幾天到震前3個(gè)月都有存在，一般增溫幅度可達(dá)幾度[4]。震前這種增溫異常出現(xiàn)的時(shí)間和變化幅度特點(diǎn)，為利用多年背景場(chǎng)數(shù)據(jù)判別當(dāng)日觀(guān)測(cè)圖像中的異常區(qū)域提供了基礎(chǔ)。然而，這些研究大多是圍繞震例展開(kāi)的，專(zhuān)門(mén)針對(duì)衛(wèi)星熱紅外亮溫背景場(chǎng)的研究較少。

衛(wèi)星熱紅外圖像受地表各種環(huán)境因素的影響，正常動(dòng)態(tài)亮溫背景場(chǎng)的建立是有效提取震前熱紅外亮溫異常的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)學(xué)者已認(rèn)識(shí)到背景場(chǎng)的建立直接影響到熱紅外異常的識(shí)別與提取，目前研究重心正在從異常的識(shí)別轉(zhuǎn)向背景場(chǎng)的建立[5－8]。陳順云等[5]借用分離窗算法和小波分析方法提取了中國(guó)地表亮溫的年變基準(zhǔn)場(chǎng)，為進(jìn)一步提取與分析異常場(chǎng)奠定基礎(chǔ);屈春燕等[6]在分析地震活動(dòng)熱紅外異常影響因素中指出建立紅外亮溫變化的基準(zhǔn)模型及各類(lèi)非震因素的扣除模型，將有可能較好地排除非震因素的影響，可有效檢測(cè)出與地震活動(dòng)有關(guān)的異常;郭衛(wèi)英等[7]定量分析了在地震活動(dòng)相對(duì)平靜的年份內(nèi)，活動(dòng)斷裂造成了地形地貌差異與紅外輻射的動(dòng)態(tài)變化，并認(rèn)為地形地貌因素對(duì)斷裂帶的紅外亮溫也產(chǎn)生一定作用;溫少妍等[8]給出了區(qū)域背景場(chǎng)建立的方法，得出地形地貌及構(gòu)造活動(dòng)具有很好的相關(guān)性。許多地震的熱紅外圖像具有復(fù)雜性，有些是有增溫異常而無(wú)地震，有些則是有地震而無(wú)增溫異常。到目前為止，還不能完全解釋這種現(xiàn)象，在機(jī)理研究方面還需深入探索。

本文采用NOAA/AVHRR極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，選定祁連山和首都圈2個(gè)地震重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)作為研究區(qū)，建立不同時(shí)間尺度的紅外亮溫背景場(chǎng)，并分析正常情況下背景場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律及其與地形地貌的關(guān)系，為有效識(shí)別與地震有關(guān)的熱紅外異常信息提供方法依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

為了降低太陽(yáng)輻射對(duì)地表亮溫的影響以便更真實(shí)地反映地表熱輻射狀態(tài)的變化，本文選取NOAA衛(wèi)星第5通道夜間2:00—5:00時(shí)的熱紅外遙感圖像。在亮溫背景場(chǎng)計(jì)算之前，對(duì)亮溫圖像進(jìn)行幾何精糾正(誤差在1個(gè)像元以?xún)?nèi))，并去除云和噪聲，從而確保計(jì)算出的亮溫背景場(chǎng)能夠真實(shí)反映無(wú)震時(shí)的亮溫正常動(dòng)態(tài)變化[8]。

1.2 背景場(chǎng)建立方法

正常動(dòng)態(tài)亮溫背景場(chǎng)以構(gòu)造活動(dòng)區(qū)多年相同時(shí)相觀(guān)測(cè)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為表征量，計(jì)算時(shí)對(duì)多年累積的數(shù)據(jù)按地理坐標(biāo)進(jìn)行時(shí)間序列上的統(tǒng)計(jì)分析，即

式中:N 為可用數(shù)據(jù)年限;Ti(x，y，t)為位置(x，y)處第 i年 t時(shí)刻的亮溫觀(guān)測(cè)值;T(x，y，t)和 σ(x，y，t)分別為位置(x，y)處t時(shí)刻N(yùn)年內(nèi)，與研究區(qū)地震活動(dòng)不相關(guān)的自然噪聲源影響下的亮溫平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2 祁連山地區(qū)紅外亮溫背景場(chǎng)

2.1 研究區(qū)概況

祁連山研究區(qū)位于 E 98°～108°，N 32°～40°之間(圖1)，地處青藏高原東北部邊緣，西起祁連山北緣斷裂，東至六盤(pán)山斷裂，北接阿拉善地塊，南達(dá)東昆侖斷裂一線(xiàn)，包括祁連山脈的主體及河西走廊新生代陸盆地群。該區(qū)受到印度板塊和歐亞板塊的強(qiáng)烈碰撞和擠壓，形成祁連山北緣左旋逆走滑沖斷裂帶，主要斷裂帶有祁連山北緣斷裂、東昆侖斷裂、海原斷裂和西秦嶺北緣斷裂，多為NWW走向。區(qū)內(nèi)河西走廊地處甘肅西北部地區(qū)，位于祁連山和龍首山之間，是祁連山北緣的山前拗陷，地震活動(dòng)具有高強(qiáng)度和高頻度的特點(diǎn)[9]。

圖1 祁連山研究區(qū)范圍及地質(zhì)構(gòu)造背景圖Fig.1 Region and tectonic background of Qilian Mountains

2.2 背景場(chǎng)時(shí)空特征

利用自主研發(fā)的衛(wèi)星紅外亮溫地震信息處理軟件對(duì)祁連山研究區(qū)2003—2011年的NOAA圖像進(jìn)行不同時(shí)間尺度的紅外亮溫背景場(chǎng)計(jì)算，分析其時(shí)空演化特征。圖2可反映出紅外亮溫的冬春夏秋季節(jié)性變化特征。

圖2 祁連山2010年4個(gè)月份的亮溫背景場(chǎng)Fig.2 Brightness temperature background field of Qilian Mountains in four months of 2010

從圖2看出:研究區(qū)4個(gè)月份的亮溫背景場(chǎng)的變化主要受季節(jié)和地形的控制;其次，受活動(dòng)斷裂帶的影響也較明顯。對(duì)2010年背景場(chǎng)亮溫均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)月份亮溫值呈現(xiàn)夏高冬低的年變特征，1—7月的亮溫均值逐漸升高，7月達(dá)到最高值11℃，8月亮溫開(kāi)始逐漸下降，12月的亮溫值約－17℃。由于平均海拔較高，呈現(xiàn)整體平均亮溫偏低。在空間上，整個(gè)研究區(qū)以祁連山北緣斷裂為界分成2個(gè)不同的溫度區(qū)域，斷裂以北的河西走廊地帶，為相對(duì)高溫區(qū)，斷裂以南的青藏高原為相對(duì)低溫區(qū)。

圖3 祁連山DEM剖面與2010年7月的亮溫剖面對(duì)比Fig.3 Contrast between DEM profile and brightness temperature profile in July 2010

從圖3可以看出，亮溫變化與高程變化呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在紅外亮溫剖面線(xiàn)處，地面高程最大值4 825 m時(shí)對(duì)應(yīng)的亮溫值約2℃，地面高程最小值1 294 m時(shí)對(duì)應(yīng)的亮溫值約21℃。說(shuō)明該區(qū)地面高程每增加100 m，其亮溫降低幅度約0.54℃。這與我國(guó)氣溫直減率0.63℃/100 m基本一致。

活動(dòng)構(gòu)造斷裂帶在紅外圖像上有明顯反映，表現(xiàn)為亮溫高于周?chē)尘暗木€(xiàn)性條帶及不同溫度區(qū)域的分界帶。斷裂帶處的亮溫變化也符合季節(jié)規(guī)律的變化，總體表現(xiàn)出夏高冬低的特征。此外，河流和湖泊(如青海湖)在紅外圖像上清晰可見(jiàn)，往往是紅外圖像上較周邊地物為相對(duì)高亮溫的標(biāo)志性地物，而且由于水體的熱容量和熱慣量比較大，其溫度變化不如陸表的劇烈。因此，通常也可以將這些水體的溫度作為斷裂構(gòu)造活動(dòng)變化的參照。

圖4所示為多年月的亮溫背景場(chǎng)圖。多年月的亮溫背景場(chǎng)的變化隨季節(jié)的變化表現(xiàn)出夏高冬低的特征，同時(shí)亮溫變化也受到地形地貌和斷裂構(gòu)造的控制。對(duì)比單年月的背景場(chǎng)不難發(fā)現(xiàn)，在多年月的背景場(chǎng)圖像上斷裂構(gòu)造的線(xiàn)性影像特征和高亮溫條帶不如單年月的背景場(chǎng)圖像上的構(gòu)造特征清晰，且亮溫值明顯變小。原因在于參與多年月的背景場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的圖像越多，亮溫背景場(chǎng)圖像上的一些突變信息就會(huì)被平滑。參與計(jì)算的年份越多，所得到的亮溫背景值則越可靠，就越能真實(shí)反映區(qū)域性亮溫變化特征。這也表明，可以認(rèn)定多年月背景場(chǎng)得出的亮溫變化基準(zhǔn)值可以為局部目標(biāo)亮溫變化檢測(cè)提供參考，為斷裂活動(dòng)及地震所引起的增溫異常識(shí)別提供穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)亮溫背景場(chǎng)。

圖4 2003—2011年多年月的祁連山亮溫背景場(chǎng)Fig.4 Multi－ year month brightness temperature background field of Qilian Mountains from 2003 to 2011

3 首都圈地區(qū)紅外亮溫背景場(chǎng)

3.1 研究區(qū)概況

首都圈研究區(qū)地理范圍為 E 112°～118°，N 38°～42°(圖5)，位于華北拗陷盆地的北緣，包括山西斷陷盆地及華北平原的大部分。

圖5 首都圈研究區(qū)范圍及地質(zhì)構(gòu)造背景圖Fig.5 Region and tectonic background of Capital Zone

山西斷陷盆地?cái)嗔严底员毕蚰嫌醒討雅璧?、大同盆地、忻定盆地和太原盆地等主要斷陷盆地，呈右行斜列，位于鄂爾多斯塊體東側(cè)，NNE走向?？刂婆璧剡吔绲臄嗔岩訬NE，NE和NEE走向?yàn)橹鳎鼈冊(cè)诘谒募o(jì)的活動(dòng)不僅控制了盆地的發(fā)育，還控制了盆地內(nèi)次級(jí)構(gòu)造單元的形成。區(qū)內(nèi)一系列受伸展斷層控制的掀斜塊體在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用下，形成了典型的盆－嶺式構(gòu)造[10]，一系列NNE走向的盆地和斷裂分布與強(qiáng)震活動(dòng)密切相關(guān)，形成了以燕山山脈隆起為背景、面對(duì)華北平原廣大沉降帶強(qiáng)烈活動(dòng)的格局[11]。

3.2 背景場(chǎng)時(shí)空特征

選取1999年和2003—2011年共10 a的NOAA/AVHRR衛(wèi)星熱紅外夜間圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算首都圈地區(qū)不同時(shí)間尺度的紅外亮溫背景場(chǎng)(圖6)，可以看出首都圈亮溫背景場(chǎng)的變化主要受季節(jié)和地形因素的控制，其次受斷裂構(gòu)造的影響。在時(shí)間上，亮溫變化符合夏高冬低的季節(jié)變化特征;在空間上，整體表現(xiàn)為東南部華北平原的亮溫高于西北部山區(qū)，而且西北部的亮溫隨地面高程的增加而逐漸降低，說(shuō)明亮溫與地面高程呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖6 1999年和2003—2011年多年月的首都圈亮溫背景場(chǎng)Fig.6 Multi－year mouth brightness temperature background field of Capital Zone of 1999 and from 2003 to 2011

紅外亮溫剖面(2010年7月)與DEM高程剖面對(duì)比曲線(xiàn)(圖7)反映出亮溫與地形有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖7橢圓a所處位置為北京市區(qū)，橢圓b所處位置為天津市區(qū)，在這2處的亮溫形成2個(gè)峰值，這是由城市熱島效應(yīng)所致。在紅外亮溫剖面線(xiàn)上高程最大值1 950 m所對(duì)應(yīng)的亮溫值約9℃;在不考慮城市熱島效應(yīng)的情況下，高程最小值0 m所對(duì)應(yīng)的亮溫值約20℃。說(shuō)明該區(qū)地面高程每增加100 m，其亮溫降低約0.56℃。東南部華北平原夏季亮溫最高溫約23℃，冬季亮溫最低溫約－13℃;西北部山區(qū)夏季最高溫約13℃，冬季最低溫約－20℃;平原地區(qū)的亮溫季節(jié)差大于西北部山區(qū)的，分析表明在一定區(qū)域和季節(jié)內(nèi)，地面高程的變化對(duì)氣溫有較大影響。

圖7 首都圈DEM剖面與2010年7月的亮溫剖面對(duì)比Fig.7 Contrast between DEM profile and brightness temperature profile in July 2010

活動(dòng)構(gòu)造斷裂帶在紅外圖像上有明顯表現(xiàn)，大都表現(xiàn)為亮溫高于周?chē)尘?，其走向呈與斷裂帶一致的線(xiàn)性條帶。斷裂帶內(nèi)的亮溫變化也符合季節(jié)變化規(guī)律，總體表現(xiàn)為夏高冬低的特征。渤海灣海域亮溫隨季節(jié)變化的幅度小于東南部華北平原，而西北部山區(qū)亮溫隨季節(jié)變化的幅度相對(duì)較大，這主要與地表地物的熱輻射特性及地理緯度有關(guān)，而且水體具有較大的比熱容和熱慣量，受太陽(yáng)輻射的影響相對(duì)較小。1999年和2003—2011年多年月4個(gè)月份的亮溫背景場(chǎng)反映了一定時(shí)期內(nèi)亮溫穩(wěn)定變化的狀態(tài)，可以為局部目標(biāo)亮溫變化檢測(cè)提供參照背景，同時(shí)可作為震前紅外亮溫異常識(shí)別和檢測(cè)的基準(zhǔn)。

4 對(duì)比分析

祁連山和首都圈研究區(qū)所處的緯度大體一致，但地形地貌及地理環(huán)境相差很大。前者位于青藏高原東北緣，地勢(shì)復(fù)雜，高程起伏大，植被稀少;后者位于我國(guó)華北地塊，地勢(shì)相對(duì)平坦，植被覆蓋好。

通過(guò)以上分析看出，2個(gè)研究區(qū)的紅外亮溫時(shí)空演化規(guī)律基本一致，但也有差異性。相同的時(shí)空特征主要表現(xiàn)為:空間上，亮溫背景場(chǎng)的變化主要受地形地貌和斷裂帶的控制;時(shí)間上，主要受季節(jié)變化規(guī)律的影響，亮溫最高值出現(xiàn)在7月，亮溫最低值出現(xiàn)在1月;夏季溫差總體趨勢(shì)大于冬季溫差。

由于地理環(huán)境的不同，2個(gè)研究區(qū)的亮溫值存在一定差別(圖8)。

圖8 2009年和2010年月份亮溫背景場(chǎng)變化Fig.8 Change of month brightness temperature background field in 2009 and 2010

從圖8可以看出:月份背景場(chǎng)總體都顯示出首都圈研究區(qū)的亮溫值高于祁連山地區(qū);2個(gè)地區(qū)的溫差變化不穩(wěn)定，在(－2℃，12℃)范圍內(nèi)，每年具體的溫差各不相同，規(guī)律性不強(qiáng)，原因在于氣象復(fù)雜多變，反映到月份尺度上變化更是反復(fù)無(wú)常(如在2009年11月祁連山的亮溫值反而比首都圈地區(qū)高2℃，這可能是由于氣候變化，引起了亮溫變化)。因此，用單年份資料做背景來(lái)判斷異常，可能難以排出氣候等因素的影響;而以多年份的平均亮溫場(chǎng)做背景才能更加穩(wěn)定地反映氣候特征影響亮溫變化的規(guī)律。

2個(gè)研究區(qū)亮溫背景場(chǎng)的變化符合季節(jié)規(guī)律變化，亮溫變化相對(duì)單年份的穩(wěn)定(圖9)。首都圈的亮溫值明顯高于祁連山地區(qū)，二者間夏半年溫差(最大溫差9℃)大于冬半年溫差(最大溫差3℃)，這是由于祁連山地區(qū)的平均高程(2 536 m)大于首都圈地區(qū)的平均高程(902 m)。結(jié)果表明，亮溫與地面高程呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，高程每增加100 m，亮溫就降低約0.21～0.63℃。這與方精云[12]所指出的我國(guó)氣溫直減率在0.25～0.63℃基本一致。另外，首都圈亮溫的變化較祁連山穩(wěn)定，祁連山冬半年出現(xiàn)小幅度浮動(dòng)，這可能是由于祁連山地區(qū)地形復(fù)雜引起的。

圖9 2003—2011年多年月平均亮溫背景場(chǎng)對(duì)比Fig.9 Annual variation contrast of multi－year month brightness temperature background field

5 結(jié)論

衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)為研究地震及斷裂活動(dòng)提供了一種有效的觀(guān)測(cè)手段，在基于紅外資料識(shí)別提取地震異常的研究中，多年尺度紅外背景場(chǎng)的建立是異常判別的前提。本文基于NOAA衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)建立了2個(gè)研究區(qū)的紅外亮溫背景場(chǎng)，同時(shí)分析亮溫變化與地形地貌、活動(dòng)構(gòu)造及季節(jié)變化的關(guān)系，為后期地震紅外異常判別提供依據(jù)，具有較為重要的研究?jī)r(jià)值。通過(guò)對(duì)2個(gè)不同區(qū)域的紅外亮溫背景場(chǎng)時(shí)空演化特征的分析，得到以下結(jié)論:

1)紅外亮溫背景場(chǎng)受季節(jié)變化影響最大，年變化規(guī)律明顯。夏半年亮溫逐漸升高，亮溫最高值出現(xiàn)在7月份;冬半年亮溫逐漸降低，亮溫在1月達(dá)到最低。這為排除氣候變化因素的影響識(shí)別地震異常提供了參考依據(jù)。

2)紅外亮溫受地形因素較大，與地面高程呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。地面高程每增加100 m，亮溫降低約0.21～0.63℃，這與我國(guó)氣溫直減率在0.25～0.63℃基本一致。對(duì)于地形地貌復(fù)雜的地區(qū)，亮溫變化曲線(xiàn)呈現(xiàn)不穩(wěn)定特征。

3)活動(dòng)斷裂帶在亮溫圖像上具有明顯界線(xiàn)特征，呈高亮溫線(xiàn)性條帶，或亮溫分界帶。河流和湖泊等水系在紅外亮溫圖像上清晰可見(jiàn)，表現(xiàn)較周?chē)匚锩黠@的高亮溫標(biāo)志。

4)多年平均亮溫背景場(chǎng)具有較好的穩(wěn)定性。多年平均背景場(chǎng)平滑了氣候等突變信息，呈現(xiàn)出穩(wěn)定性較強(qiáng)的規(guī)律性變化特征。多年平均亮溫背景場(chǎng)可作為亮溫變化的基準(zhǔn)場(chǎng)，為斷裂活動(dòng)和地震所引起的增溫異常檢測(cè)提供穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)參考。

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