朱鵬濤，沈 寧，王晨曦，張仁鵬

（1.寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001；2.吉林省地震局，吉林 長(zhǎng)春 130117）

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)正式測(cè)定，2011 年3 月24 日緬甸孟帕亞縣發(fā)生了MS7.4 地震，震中位于99.949°E，20.705°N，震源深度20 km，距離中國(guó)云南邊界約86 km。地震造成74 人遇難，110 人受傷，240 多棟建筑物倒塌。為了減少地震造成的損失，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者致力于地震前兆的研究。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星熱紅外信息被認(rèn)為可能是研究斷層相互作用的一個(gè)新的獨(dú)立物理量[1-2]。20 世紀(jì)后期，美國(guó)極軌衛(wèi)星NOAA 熱紅外與地震的關(guān)系得到了廣泛的關(guān)注，逐步開(kāi)發(fā)了多種數(shù)據(jù)分析方法。例如RST 法[3]、內(nèi)外溫差法[4]。21 世紀(jì)初，中國(guó)風(fēng)云二號(hào)系列靜止軌道氣象衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)日益成熟。國(guó)內(nèi)地震學(xué)者們掀起了新的熱紅外與地震研究的熱潮，張?jiān)萚5]應(yīng)用小波連續(xù)變換和相對(duì)功率譜方法分析FY-2C 熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié)果表明汶川MS8.0 地震和日本MW9.0 地震前存在明顯的熱紅外亮溫異常。解滔等[6]應(yīng)用小波能譜分析方法獲得了FY-2E 2012 年云南彝良MS5.7 地震和2013 年蘆山MS7.0 地震前亮溫小波相對(duì)能譜信息。

基于熱紅外異常與7 級(jí)以上地震對(duì)應(yīng)較好的認(rèn)識(shí)，本文應(yīng)用中國(guó)靜止氣象衛(wèi)星FY-2E/G獲取熱紅外觀測(cè)資料，應(yīng)用可變時(shí)窗的連續(xù)小波變化和多頻段的相對(duì)功率譜分析方法，以期獲取7 級(jí)以上地震前熱紅外的異常演化特征，為進(jìn)一步探索熱紅外異常與地震的關(guān)系積累資料。

1 資料來(lái)源和數(shù)據(jù)處理

本文采用中國(guó)靜止氣象衛(wèi)星FY-2E/G 記錄的熱紅外亮溫資料，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心。兩顆衛(wèi)星FY-2E、FY-2G 分別發(fā)射于2008 年6 月15 日、2014 年12 月31日，靜止軌道距離地球35800 km，其攜帶的掃描輻射儀從太空遙感地球大氣，逐個(gè)像元地獲得來(lái)自地球表面和云的若干個(gè)波段相對(duì)黑體溫度數(shù)據(jù)。紅外分辨率可達(dá)到5 km，有效觀測(cè)范圍為60°N～60°S、45°～165°E，觀測(cè)波段分別為10.3～11.3 μm 和11.5～12.5 μm，相比極軌衛(wèi)星觀測(cè)周期，風(fēng)云靜止衛(wèi)星具有觀測(cè)周期短、范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 亮溫計(jì)算

固體或液體，在任何溫度T 下發(fā)射電磁波，這種發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱(chēng)為熱輻射。若物體在任何溫度T 下，對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射能的吸收比等于1，則稱(chēng)該物體為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱(chēng)黑體。根據(jù)普朗克黑體輻射定律，其光譜分布可表述為[7]：

式中B 是波數(shù)ν 和溫度T 處的光譜輻射出射度，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B 是普朗克公式對(duì)該波段各個(gè)波長(zhǎng)值和響應(yīng)函數(shù)的積分，可以表述為：

式中i 為波段數(shù)，fi（v）為第i 波段響應(yīng)函數(shù)，v1i和v2i分別是i 波段上、下限波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)波數(shù)?？捎貌〝?shù)間隔Δv=5 cm-1求和代替積分，因此，波段的黑體輻射公式可用下式表述：

式中mi=（v2i-v1i）/Δv，依據(jù)式（3）對(duì)每個(gè)紅外波段進(jìn)行數(shù)值積分，可得出每個(gè)紅外波段i的Wi（T）與T 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.2 亮溫?cái)?shù)據(jù)處理

風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星可直接觀測(cè)地物的熱輻射強(qiáng)度，經(jīng)處理（定標(biāo)處理和幾何校正）得到相應(yīng)波段的輻射亮度，數(shù)據(jù)信息中包括地球基本、年變、日變?nèi)齻€(gè)溫度場(chǎng)，云雨、寒熱氣流引起的溫度變化和未知因素引起的溫度微變信息[8]。考慮到太陽(yáng)直接輻射的干擾，本文選擇的觀測(cè)數(shù)據(jù)為北京時(shí)間凌晨1 點(diǎn)至5 點(diǎn)的小時(shí)值實(shí)時(shí)觀測(cè)相對(duì)黑體溫度TBB 數(shù)據(jù)。

有關(guān)地震的信號(hào)處理常用到傅立葉變換，對(duì)于隨著時(shí)間變換的非平穩(wěn)信號(hào)傅立葉變換無(wú)法區(qū)分頻譜，因此，時(shí)域相差較大的兩個(gè)信號(hào)可能與頻譜圖一致。而小波變換直接把傅立葉變換的無(wú)限長(zhǎng)的三角函數(shù)基換成了有限會(huì)衰減的小波基。這樣不僅能夠獲得頻率，還可以定位時(shí)間。小波變換公式可表述為：

式中：f（t）為原始信號(hào)；Wψf（a，b）為小波變換后的各頻段分量；a 為尺度因子，控制小波函數(shù)的伸縮，b 為時(shí)間平移因子；為小波母函數(shù)[9]。

考慮到空間自然天氣引起的溫度變化為短時(shí)變化，舍去小波2 階細(xì)節(jié)部分可以去除自然天氣引起的干擾。同理，舍去小波7 階的尺度部分，可以消除地球基本和年變溫度場(chǎng)。對(duì)每個(gè)像元而言，2 階尺度函數(shù)與7 階尺度函數(shù)相減后的數(shù)據(jù)在時(shí)間域里正負(fù)相間的亮溫相對(duì)變化波形數(shù)據(jù)。本文應(yīng)用dbN 小波系中的db8 小波基函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了小波變換處理[10]。

1.3 功率譜估計(jì)與相對(duì)處理

隨機(jī)信號(hào)的功率譜密度用來(lái)描述信號(hào)的能量隨頻率的變化關(guān)系，也簡(jiǎn)稱(chēng)為功率譜估計(jì)。本文小波變換后的大量數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行全時(shí)空分析，所以采用功率譜估計(jì)法。

功率譜估計(jì)法又分為經(jīng)典譜估計(jì)法和現(xiàn)代譜估計(jì)法，而經(jīng)典譜估計(jì)法也稱(chēng)為非參數(shù)譜估計(jì)。經(jīng)典譜估計(jì)法又分為語(yǔ)譜圖、周期圖法和相關(guān)圖法。Welch 算法是在經(jīng)典功率譜估計(jì)周期圖法的基礎(chǔ)上，依靠Matlab 強(qiáng)大的數(shù)值分析和信號(hào)處理能力，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)改進(jìn)而來(lái)的。本文中的功率譜估計(jì)法參考了該算法，先將TBB 數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)小波變換后再計(jì)算功率譜，以n（n=64d）為窗長(zhǎng)，m=1d 為滑動(dòng)窗長(zhǎng)做傅立葉變換，得到相應(yīng)頻率為64d，32d，21d，16d，13d，9d，8d，7d，6d，…。約定窗內(nèi)起始時(shí)間對(duì)每個(gè)像元的時(shí)程數(shù)據(jù)滑動(dòng)一次可獲得一組功率譜，其表達(dá)式為：

為了對(duì)比分析地震前后功率譜的變化，本文采用了功率譜幅值相對(duì)處理，得到相對(duì)功率譜時(shí)頻空間數(shù)據(jù)。最后，對(duì)時(shí)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行全頻段和全時(shí)空掃描得到相對(duì)功率譜對(duì)應(yīng)的頻率、時(shí)間和空間參數(shù)[10]。

2 資料處理結(jié)果分析

2.1 地震熱紅外異常演化過(guò)程及特征

緬甸孟帕亞縣MS7.2 地震發(fā)生在緬甸東北部，地處長(zhǎng)期受歐亞板塊和印度洋板塊強(qiáng)烈碰撞和擠壓地帶，該地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)劇烈，震中位于20.8 °N、99.88 °E，處NE 向孟帕亞—勐臘斷裂最西段塔蘭村一帶，震源深度20 km，屬淺源地震。

為了進(jìn)一步深入跟蹤分析地震發(fā)生前熱紅外亮溫異常的時(shí)空演化過(guò)程，本文計(jì)算了17～27°N、93～101°E 范圍內(nèi)的TBB 數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)6 個(gè)頻段相對(duì)功率譜時(shí)空演化圖像進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在緬甸MS7.2 地震前可以看到顯著的震前熱紅外異常變化，且在5 頻段呈現(xiàn)出了兩次不同程度的熱輻射異常變化，其遷移和演化趨勢(shì)如圖1 所示。

圖1 緬甸MS7.2 地震熱紅外亮溫相對(duì)功率譜異常時(shí)空演化Fig.1 The temperal-spatial evolution maps of thermal infrared anomalies before Burma MS7.2 earthquake using relative power spectrum

對(duì)所選數(shù)據(jù)的相對(duì)功率譜時(shí)空演化圖像（圖1）進(jìn)行分析可以看出，第一次異常特征為：2010 年8 月29 日前后開(kāi)始出現(xiàn)熱紅外亮溫異常，零星出現(xiàn)在震中區(qū)以南方向。隨著時(shí)間的推移異常面積開(kāi)始集中成片出現(xiàn)，9 月10日左右異常達(dá)到最大值，隨后異常逐漸減弱，9月27 日異常消失，異常主要分布于震中區(qū)南部。第二次異常特征表現(xiàn)為：2010 年10 月1日高值亮溫異常再一次出現(xiàn)，震前175 天內(nèi)異常區(qū)域沿NW 方向持續(xù)擴(kuò)展、加速，異常面積迅速擴(kuò)大，幅度增強(qiáng)，主要集中于打洛—景洪斷裂北部；隨后面積和幅值開(kāi)始大面積集中成片出現(xiàn)，并南移向震中靠攏，逐漸包絡(luò)震中，幅度迅速增大，呈現(xiàn)明顯大片熱紅外異常區(qū)域；2010 年11 月5 日達(dá)到極大值，隨后異常逐漸衰減，消失在緬甸MS7.2 地震震中的北部地區(qū)，地震發(fā)生在有NE 向斷裂分布的地殼形變復(fù)雜地區(qū)。分析此次熱異常的時(shí)空演化特征發(fā)現(xiàn)，震前出現(xiàn)熱異常的區(qū)域面積很大，異常持續(xù)時(shí)間高達(dá)98 天，異常形態(tài)顯著，地震發(fā)生在異常集中區(qū)域內(nèi)部孟帕亞斷裂帶上。

2.2 地震熱紅外亮溫平均譜值時(shí)序變化特征

熱紅外亮溫異常區(qū)域時(shí)序曲線可以直接反映出異常增溫區(qū)域的歷史變化情況，能夠得到亮溫異常的持續(xù)時(shí)間和相對(duì)功率譜幅值，能夠有效的識(shí)別判斷地震熱紅外異常。本文提取了異常區(qū)域小范圍（21～21.5°N，99～99.5°E）近6 年數(shù)據(jù)的平均值亮溫變化數(shù)據(jù)（圖2）。時(shí)序變化表明，該區(qū)域相對(duì)功率譜異常特征：（1）地震引起的熱異常持續(xù)時(shí)間在90 天以上，異常持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；（2）震前相對(duì)功率譜幅值為近6年來(lái)最大，且大于4 倍的持續(xù)時(shí)間在60 天以上的背景值，異常時(shí)間特征突出；（3）熱異常特征周期為64 d，相對(duì)變化率達(dá)16 倍以上（2010年10 月30 日左右）；（4）2010 年10 月12 日至2010 年11 月14 日，相對(duì)功率譜值陡增，發(fā)震時(shí)刻在異常峰值回落后且恢復(fù)正常值范圍后階段；（5）在2009 年出現(xiàn)了相對(duì)功率譜為7 倍左右的峰值，但是未有地震發(fā)生，對(duì)比本次異常峰值，2009 年出現(xiàn)的異常變化表現(xiàn)持續(xù)時(shí)間短，異常幅值較小等特征，可能與地質(zhì)環(huán)境、大氣環(huán)境等復(fù)雜因素有關(guān)。

圖2 異常區(qū)域相對(duì)功率譜平均值時(shí)序曲線Fig.2 Time series curve of mean value of relative power spectrum in the abnormal areas

3 結(jié)論與討論

如果地震是介質(zhì)應(yīng)力和應(yīng)變能量的積累和釋放過(guò)程，那么應(yīng)變能量可理解為以力和熱能的方式傳導(dǎo)。衛(wèi)星熱紅外觀測(cè)到的熱異常也可解釋為由于地殼受力形變引起巖層中出現(xiàn)微裂隙或大的微破裂，巖層中大量CO2、CH4等溫室氣體沿著裂隙或裂縫通道上涌至地面，逸出溫室氣體吸收地面的紅外輻射產(chǎn)生局部溫室效應(yīng)，促使孕震區(qū)地表增溫，這也是熱紅外異常機(jī)理的合理解釋[11]。

應(yīng)用小波變換和相對(duì)功率譜估計(jì)方法對(duì)2011 年3 月24 日緬甸MS7.2 地震進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：（1）此次地震前熱紅外異?，F(xiàn)象顯著，震前熱異常過(guò)程表現(xiàn)為“異常出現(xiàn)—增強(qiáng)—衰減—增強(qiáng)—達(dá)到極大值—衰減—異常消失—發(fā)震”，持續(xù)時(shí)間高達(dá)90 天以上。異常區(qū)域沿著斷裂走向遷移和延展，異常較大面積的熱紅外輻射強(qiáng)度驟增，震中出現(xiàn)在異常最大區(qū)域內(nèi)部，可能是地殼應(yīng)力變化及構(gòu)造活動(dòng)能量釋放的結(jié)果；（2）2007 年1 月至2011 年3 月期間異常區(qū)域特征功率譜幅值最高達(dá)到平均值的16 倍以上。地震特征周期相對(duì)較長(zhǎng)，受地形地貌、水系分布、氣象等多種因素的干擾，異常結(jié)束后約3 個(gè)月左右發(fā)震，該熱紅外異常與本次緬甸地震MS7.2 有較大的相關(guān)性。

致謝：本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，在此表示感謝。