楊 杰

(南陽師范學院，環(huán)境科學與旅游學院，河南南陽473061)

0 前言

地震前的溫度異常變化現(xiàn)象早已為國內(nèi)外所關注。隨著衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展，利用紅外傳感器可以快速地探測地球表面大面積的溫度場信息。20世紀80年代前蘇聯(lián)學者Gorny等(1988)首次報道了在中亞及東地中海地區(qū)，許多中強地震前出現(xiàn)大面積衛(wèi)星熱紅外輻射增強現(xiàn)象。此后20多年，世界各國學者開展了大量的震例分析工作(尤 傳 俠，1983;Mil'kis，1986;Gornyetal，1988;徐秀登等，1990;Tronin，1996;強祖基，賃常恭，1998;劉德富等，1999;Saraf，Choudhury，2005;顧菊開等，2003;鄧志輝等，2005;鐘美嬌，張元生，2007)，發(fā)現(xiàn)許多強震前均出現(xiàn)了不同程度地紅外增溫現(xiàn)象。但由于地震異常具有“強背景、弱信息”的特點，如何提取與構造活動有關的異常信息是一個難點問題。陳順云等(2004)提出了地表亮度溫度及年變基準場的概念，用分離窗方法和小波分析方法，提取了中國地表亮溫的年變基準場;劉培洵等(2004)針對地下熱異常信號可能淹沒在氣象信息之中的問題，提出提取地下熱異常的新指標“透熱指數(shù)”以消除天氣的干擾;李金平等(2008)提出了一種基于參考基準場的震前熱紅外遙感定量分析模型與異常識別方法;王亞麗等(2008)通過小波包分析將熱紅外輻射信息的時間序列分解成不同頻帶的信號，通過分析各頻帶信號能量的變化規(guī)律進行事件性信號檢測。

由于熱紅外成像儀受制于工作波長，云雨天氣下無法連續(xù)獲得地表熱信息，馬未宇(2008)、秦凱等(2008)將美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)的氣象同化資料引入到地震熱異常研究中，提供了一種長時序、連續(xù)的數(shù)據(jù)源，成為云雨天氣下紅外衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的重要補充。秦凱等(2011)在剖析NCEP數(shù)據(jù)文件結構與各物理量內(nèi)涵及其內(nèi)在聯(lián)系基礎上提出了一種顧及不同地形單元下墊面屬性差異的逐像元方法，并以發(fā)生在地形起伏變化較大的內(nèi)陸地震為例，對此方法進行了檢驗。那么，逐像元方法是否適用于下墊面高程差異不大的海洋地震?據(jù)臺灣氣象部門測定，2010年2月7日，臺灣花蓮外海發(fā)生6.3級地震，震中位于(23.35°N，123.09°E)，震源深度為15.5 km。本文基于Liu等(2007)的逐像元方法，分析此次地震前后兩個月的NCEP-FNL地表等壓面溫度時空變化特征，揭示可能與該區(qū)域構造活動有關的震前熱異常信息。

1 構造環(huán)境

圖1為臺灣及周邊區(qū)域的板塊構造分布圖。從圖中看出，臺灣島位于歐亞板塊、菲律賓板塊及南海亞板塊交匯部位;由于菲律賓板塊及歐亞大陸板塊相接，使得這里成為應力集中和地震的高發(fā)區(qū)。在臺灣東部有琉球弧溝系統(tǒng)，沿著琉球海溝，菲律賓海板塊向北俯沖到歐亞大陸板塊之下，最后兩個板塊間形成一系列的線性構造、琉球海溝和沖繩海槽。在臺灣的南部則有呂宋弧溝系統(tǒng)，沿著馬尼拉海溝，歐亞大陸板塊上的南中國海盆向東俯沖到菲律賓板塊之下(Liu et al，2007)。臺灣地區(qū)的孕震應力源可分為兩種:一種應力源來源于臺灣島西南的南海亞板塊的由南西向北東的俯沖擠壓作用;另一種應力來源于臺灣島東南部的菲律賓板塊的由南東到北西的俯沖擠壓作用。前一種地應力作用引發(fā)的地震震中一般位于臺灣島的西或西南部，而后一種引發(fā)地震的震中則多位于臺灣島的東部或東北部。此次2010年花蓮6.3級地震應該屬于第二種類型，是菲律賓板塊向歐亞板塊移動的結果。

圖1 臺灣地區(qū)地質(zhì)構造(Liu et al，2007)Fig.1 Geotectonic background of Taiwan region(Liu et al，2007)

2 數(shù)據(jù)與方法

本文使用的數(shù)據(jù)來自美國國家環(huán)境預報中心(簡稱NCEP)與美國國家大氣研究中心(簡稱NCAR)合作提供的最終全球再分析資料集(Final Operational Global Analysis)，簡稱 NCEP-FNL資料。NCEP每日定時通過全球電信系統(tǒng)(Global Telecommunications System，簡稱GTS)與 美國國家環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息服務中心(National Environmental Satellite Data and Information Service，簡稱NESDIS)獲得最近6 h內(nèi)地面、船舶、無線電探空、探空氣球、飛機及衛(wèi)星等觀測資料，然后進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后進行同化處理，最終得到逐6 h(00時、06時、12時、18時)的全球1°×1°(全球共360×181個格點)的再分析資料(秦凱 等，2011)，并通 過網(wǎng) 絡(http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/)向全球用戶免費分發(fā)。NCEP-FNL資料包含了海平面氣壓、表面溫度、海冰等9個單層變量和位勢高度、溫度、東西風分量、南北風分量、相對濕度共5個全層次變量。其中，等壓面溫度值包括了1 000～10 hPa共26層的不同高度層的溫度值。

根據(jù)區(qū)域構造環(huán)境(Liu et al，2007)與一些學者得出的地震熱異常結果(徐秀登等，1990;Tronin，1996;強祖基，賃常恭，1998;劉德富等，1999;Saraf，Choudhury，2005;顧菊開等，2003;鄧志輝等，2003;鐘美嬌，張元生，2007)，筆者選擇(17～27°N、118～128°E)范圍內(nèi)的地震前后兩個月(2010年1月與2月)的數(shù)據(jù)。同時，為了對比往年無震時期的情況，還收集了2001～2009年同一時間段的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)方法(馬未宇，2008;秦凱等，2008)采用NCEP-FNL資料中某一統(tǒng)一的高度層來研究其溫度變化，難以有效揭示震前熱異常的空間分布特征。為此，秦凱等(2011)提出了逐像元分析方法，即考慮下墊面屬性差異根據(jù)各像元的地表大氣壓值來選取相應的等壓面溫度層，得到地表等壓面溫度。筆者基于該方法編寫程序自動計算出地表等壓面溫度，由于溫度變化受季節(jié)、氣候氣象及地形等多種因素影響，為了減少這些非震因素的干擾，以突出構造活動引起的溫度異常，進一步采用多年距平方法求取地表等壓面溫度相對于歷史同期的變化值，即用某天某時次的地表等壓面溫度數(shù)據(jù)減去多年同一時次的平均值。圖2給出了具體的數(shù)據(jù)處理流程。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Flowchart for data processing

(1)在IDL中調(diào)用開源的動態(tài)鏈接庫文件，讀取二進制格點加工數(shù)據(jù)格式(簡稱為GRIB碼)的2001～2010年10年間1、2月(一天4個文件，共2 368個)的NCEP-FNL資料。

(2)根據(jù)各物理量的記錄號提取出等壓面溫度(每個文件26個值)和表面大氣壓(每個文件26個值)。

(3)根據(jù)各像元的地表大氣壓值來選取(臨近原則)相應的等壓面溫度層，得到地表等壓面溫度TGIS(全稱Temperature at Ground Isobaric Surface)。

(4)計算無震年份(2001～2009年)同一天同一時次的地表等壓面溫度的均值，并用2010年相對應數(shù)據(jù)減之，得到地表等壓面溫度變化值 ΔTGIS。

(5)在GMT軟件中對文本格式的ΔTGIS數(shù)據(jù)進行差值處理后柵格化、并疊加矢量地圖與構造邊界線后生成空間分布圖。

圖3 震前ΔTGIS異常時空分布Fig.3 Spatio-temporal distribution of ΔTGISbefore Hualian MS6.3 earthquake in 2010

3 結果分析

通過分析2010年1、2月份的地表等壓面溫度變化值(ΔTGIS)的時空分布圖(圖 3)發(fā)現(xiàn):2010年2月2日0時(世界標準時間，下同)，在臺灣島北部地區(qū)出現(xiàn)了一個弱的異常高溫區(qū)域;6小時后，該高溫異常區(qū)域幅度增強，達到6℃;隨后，逐漸擴大并向東南方向的震中位置移動，在2月3日0時，該高溫異常區(qū)域面積擴至最大，但仍主要被控制在沖繩海槽和琉球海溝之間的海域;此后，該高溫異常區(qū)域分散為兩部分，一部分位于臺灣島內(nèi)的線性構造及沖繩海槽附近，另一部分位于琉球海溝附近;2月4日6時，該高溫異常區(qū)域再次出現(xiàn)在沖繩海槽和琉球海溝之間的海域，之后逐漸消失。

上述分析結果表明:(1)震前5天在菲律賓板塊向歐亞板塊移動的前端出現(xiàn)了明顯的高溫區(qū)域，隨著地震的臨近，該高溫區(qū)域向震中方向發(fā)展，空間形態(tài)呈團狀或帶狀孤立分布，有別于氣象異常的大面積分布，且明顯受到?jīng)_繩海槽和琉球海溝的控制;(2)該高溫區(qū)域是采用多年距平方法得到的地表等壓面溫度變化值(ΔTGIS)，在一定程度上剔除氣象、太陽輻射等非震因素的干擾;(3)不同于氣象增溫，該高溫區(qū)域不僅出現(xiàn)在白天，也出現(xiàn)在沒有太陽照射的夜間。

圖4 2010年2月2～4日地表大氣壓均值分布圖Fig.4 Distribution of the mean value of Atmospheric Pressure on the ground on Feb.2～4，2010

由異常期間(2010年2月2～4日)的地表大氣壓均值分布圖(圖4)可知:雖然在大部分的海域地表等壓面變化不大，但是在不同地形單元組成的菲律賓與臺灣地區(qū)，其地表等壓面存在很大差異。若采用統(tǒng)一高度層的等壓面溫度，則難以準確表達花蓮地震前熱異常的空間分布。可見，逐像元方法不僅適用于地形起伏變化較大的內(nèi)陸地震，在有海島分布的海洋地震也同樣適用。

4 結論與討論

筆者采用逐像元方法分析了2010年2月花蓮6.3級地震前熱異常時空分布特征。結果表明，在震前5天，出現(xiàn)了明顯增溫異常，幅度達到6℃左右;異常在空間分布上受區(qū)域構造控制。這與強祖基和賃常恭(1998)的結論“熱紅外臨震前兆增溫幅度為2～6℃，一般在增溫異常發(fā)展到鼎盛時期后，在數(shù)天至2個月內(nèi)發(fā)震即進入短期和臨震時期”基本一致。遙感巖石力學實驗表明(吳立新等，2006)，巖石摩擦會產(chǎn)生熱效應，摩擦過程中產(chǎn)生的熱異常沿摩擦面分布，反映在構造地震，就意味著震前的熱紅外異常沿斷層分布;摩擦滑動過程中因摩擦表面應力場的時空演化會導致紅外溫度場的時空演化，隨著應力集中部位逐漸移向破裂位置，并且強度逐漸升高，沿摩擦面發(fā)展的高溫輻射條帶最終指向破裂部位。采用逐像元分析方法得到的花蓮地震前熱異常在空間上受區(qū)域構造控制，且隨著地震的臨近，異常區(qū)逐漸向震中遷移，與遙感巖石力學實驗結果具有良好的對應關系。

目前，關于震前熱異常的物理機理還不清楚，國內(nèi)外學者提出了各種假說(吳立新等，2006):包括地下熱傳導、斷層摩擦蠕動生熱、應力致熱、應力—耗散熱效應、地球放氣溫室效應、應力激活巖石空穴電荷紅外輻射及氡氣衰變導致潛熱釋放等。筆者認為:震前孕震區(qū)巖石圈構造活動導致能量釋放已經(jīng)在巖石力學實驗中得到了合理解釋，但是這種能量是如何傳輸?shù)浇乇泶髿鈱拥倪€有待進一步研究;特別是本文揭示的花蓮地震前熱異常除臺灣島外主要分布在海域，來自地下的能量要透過深層海水傳輸?shù)浇乇泶髿鈱?，應該是多種地球物理過程的綜合結果，包括地球排球?qū)е碌臏厥倚?、潛熱釋放增溫、大氣電場作用等?/p>

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