張　帆， 熊　丹， 鐘羽云， 朱新運(yùn)

(浙江省地震局，浙江 杭州 310013)

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浙江省及其鄰區(qū)紅外亮溫異常與地震關(guān)系①

張帆， 熊丹， 鐘羽云， 朱新運(yùn)

(浙江省地震局，浙江 杭州 310013)

摘要：選取2006—2013年的FY2風(fēng)云2號(hào)氣象衛(wèi)星熱紅外亮溫夜間數(shù)據(jù)，采用相對(duì)功率譜法進(jìn)行全時(shí)空分析，獲得優(yōu)勢(shì)頻率和幅值。研究每一個(gè)頻率點(diǎn)的相對(duì)功率譜隨時(shí)間和空間的變化，與浙江省及其鄰區(qū)17個(gè)ML5.0以上地震的三要素關(guān)系進(jìn)行分析，得到如下結(jié)果：9個(gè)地震前出現(xiàn)熱紅外亮溫相對(duì)功率譜異常，前三個(gè)特征周期的對(duì)應(yīng)率比后三個(gè)特征周期高；在時(shí)間上，異常多出現(xiàn)在震前數(shù)日至數(shù)月，并且較多發(fā)生在異常達(dá)到最大值后和異?；謴?fù)后，少部分發(fā)生在異常達(dá)到最大值前；空間上，異常的表現(xiàn)為由弱-強(qiáng)-弱-消失的過程，異常形態(tài)多為從零星異常演化成團(tuán)塊狀或與斷裂帶走向較為一致的條帶狀。異常時(shí)間、異常幅度、異常開始到地震發(fā)生的時(shí)間等特征與地震無明顯關(guān)系。

關(guān)鍵詞：遙感； 紅外亮溫； 風(fēng)云2號(hào)； 小波變換； 相對(duì)功率譜； 地震關(guān)系

0引言

遙感技術(shù)已經(jīng)廣范應(yīng)用到資源普查、土地利用調(diào)查、火山活動(dòng)、土砂災(zāi)害、天氣預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。根據(jù)傳感器對(duì)電磁波波長(zhǎng)的感知，遙感可分為可見光-近紅外(Visible-Near Infrared)遙感、紅外(Infrared)遙感及微波(Microwave)遙感。1988年前蘇聯(lián)科學(xué)家Gorny等發(fā)現(xiàn)1984年加茲利的一系列地震震前衛(wèi)星熱紅外異常后，紅外遙感成了地震學(xué)界關(guān)心的研究課題。很多學(xué)者都利用熱紅外對(duì)地震進(jìn)行研究，用目視解釋法分析熱紅外異常[1]發(fā)現(xiàn)震前有增溫現(xiàn)象；1998年張北6.2級(jí)地震前沿張家口—渤海斷裂帶有衛(wèi)星熱紅外異常現(xiàn)象[2]；昆侖山8.1級(jí)地震前出現(xiàn)明顯的地溫異常條帶[3-4]；2000年姚安6.5級(jí)地震、1997年瑪尼7.5級(jí)地震前斷裂帶內(nèi)外亮溫差值偏高[5]。還有很多學(xué)者利用中國(guó)FY2號(hào)氣象衛(wèi)星的資料來研究地震前紅外亮溫的增溫和異常現(xiàn)象[6-7]。最近微波遙感也用于地震預(yù)測(cè)研究，并和紅外遙感進(jìn)行對(duì)比[8]。張?jiān)萚9]應(yīng)用小波變換和相對(duì)功率譜估計(jì)分析靜止衛(wèi)星熱紅外遙感資料研究汶川等地震，發(fā)現(xiàn)震前存在明顯的熱異常。

以往的研究多是針對(duì)西部地區(qū)，而這些地方的地震都以大震或者巨震為主，對(duì)于東部及其沿海地區(qū)，熱紅外方面的研究還相對(duì)較少。本文利用遙感資料對(duì)浙江省及其鄰近地區(qū)熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究該區(qū)熱紅外亮溫正常背景和異常變化特征，結(jié)合研究區(qū)地震分析中強(qiáng)震前熱紅外時(shí)空演化特征，探討熱紅外異常與地震的關(guān)系。

1理論和方法

為了研究物體熱輻射的性質(zhì)，引入一個(gè)在任何溫度下對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射都能全部吸收的標(biāo)準(zhǔn)熱輻射體，即絕對(duì)黑體，作為理解熱輻射過程和定量研究的基準(zhǔn)。黑體的吸收率α(λ,T)≡1，反射率ρ(λ,T)≡0，透過率τ(λ,T)≡0 ，它們都是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)。黑體的輻射出射度與其溫度和輻射波長(zhǎng)的關(guān)系用普朗克公式表示為

(1)

式中：Mλ(λ,T)為光譜輻射出射度(W·m-2)；c為真空中的光速；h為普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34W·s2；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23W·s/K；T為黑體的絕對(duì)溫度(K)；λ為波長(zhǎng)(μm)。

物體亮度溫度(簡(jiǎn)稱亮溫，用Tb表示)定義為輻射出與被測(cè)物體相等的輻射能量的黑體溫度，是一個(gè)衡量物體溫度的指標(biāo)，而不是物體的真實(shí)溫度。假設(shè)物體的輻射值為輻射值 NE,那么根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)出物體亮度溫度Tb與NE的關(guān)系為

(2)

FY2號(hào)衛(wèi)星所記錄的數(shù)據(jù)只是遙感傳感器VISSR掃描輻射計(jì)所記錄到的數(shù)字量化值，不是輻射能量，因此必須進(jìn)行輻射定標(biāo)將數(shù)字量化值轉(zhuǎn)換為輻射值。FY2號(hào)衛(wèi)星的通道計(jì)數(shù)值DCi與衛(wèi)星通道輻射值NEi成線性關(guān)系[10]：

(3)

式中：DCi為衛(wèi)星通道計(jì)數(shù)值；Gi為衛(wèi)星i通道的定標(biāo)斜率；Ii為截距，也叫做定標(biāo)系數(shù)，在1級(jí)數(shù)據(jù)中給出。將DCi和Ii代入式(3)中得到i通道的輻射值NEi后，代入式(2)便可得到衛(wèi)星通道i的紅外亮溫值Tbi。

2資料選取

FY2號(hào)衛(wèi)星定位于105° E赤道上空，定點(diǎn)距地面36 000 km。衛(wèi)星上裝載的VISSR儀器每小時(shí)對(duì)觀測(cè)區(qū)進(jìn)行一次掃描，掃描區(qū)域?yàn)?0° N～60° S、45°～165°E，儀器通道波段為可見光(0.55~0.90 μm)、紅外1(10.3～11.3 μm)、紅外2(11.5～12.5 μm)、紅外3(3.5～4.0 μm )和水氣(6.3～7.6 μm)，其中紅外1和紅外2為熱紅外，紅外3為中紅外。由于地球本身曲率和衛(wèi)星軌道不穩(wěn)定，衛(wèi)星所拍攝到的“圖像”有一定的畸變，使用前必須對(duì)畸變進(jìn)行幾何校正。雖然前人對(duì)此已經(jīng)做了很多的工作[11]，但進(jìn)行幾何校正還是比較復(fù)雜和繁瑣。國(guó)家氣象衛(wèi)星中心網(wǎng)站(http://www.nsmc.cma.gov.cn/)提供了經(jīng)過幾何校正和定標(biāo)后的標(biāo)稱格式1小時(shí)平均相當(dāng)黑體亮度溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)品下載。為避開復(fù)雜繁瑣的幾何校正和定標(biāo)工作，本文選擇國(guó)家氣象衛(wèi)星中心下載的2006年1月至2013年12月整8年每天5幅夜間的平均相當(dāng)黑體亮溫?cái)?shù)據(jù)(世界時(shí)間17時(shí)、18時(shí)、19時(shí)、20時(shí)、21時(shí)整)。

東部地區(qū)地震主要沿郯廬斷裂帶活動(dòng)。郯廬斷裂帶長(zhǎng)2 400多 km，切穿中國(guó)東部不同大地構(gòu)造單元，是地殼斷塊差異運(yùn)動(dòng)的接合帶。它向南到湖北省長(zhǎng)江北岸的武穴，向北北東方向經(jīng)安徽省的宿松、潛山、廬江、嘉山，江蘇省的泗洪、宿遷，山東省郯城、沂水、濰坊進(jìn)渤海，然后過遼東半島穿過東北三省到達(dá)俄羅斯。1668年7月28日山東郯城8.5級(jí)大地震、1969年7月15日渤海中部7.4級(jí)地震、1975年2月24日遼寧海城7.3級(jí)地震都發(fā)生在郯廬斷裂帶上或其附近。浙江省的地震活動(dòng)受到長(zhǎng)江中下游—南黃海地震帶，東南沿海地震帶，環(huán)北地震帶，冀魯豫地震亞區(qū)，華南地震區(qū)、大巴山-南嶺地震亞區(qū)、富春江地震帶的影響。因此我們所選擇的區(qū)域主要是沿"郯廬斷裂帶"的地震區(qū)以及浙江省以南的地震區(qū)帶，經(jīng)緯度范圍選擇為22°～45°N，107°～127°E。選取2006年1月1日至2013年12月31日的ML5.0以上地震共17個(gè)，見表1。

表 1　研究區(qū)所選ML5.0以上地震三要素表

3計(jì)算方法和結(jié)果

紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)中包含地球基本溫度場(chǎng)、年變溫度場(chǎng)、月變溫度場(chǎng)、雨云和寒熱氣流引起的溫度變化以及其他因素(包括地震)引起的溫度微變化信息。為了得到可靠的亮溫?cái)?shù)據(jù)，以云干擾值為下限，錯(cuò)值及不符合黑體輻射公式的高值為上限，用補(bǔ)窗法剔除數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算均值去除云干擾，接著用小波變換方法扣除7階的尺度部分和2階的細(xì)節(jié)部分消除亮溫背景場(chǎng)(包含地形影響)和氣象突變因素。然后對(duì)每個(gè)像元點(diǎn)采用相對(duì)功率譜法對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行全時(shí)空分析，獲得優(yōu)勢(shì)頻率和幅值：以n(n=64，128；本文中n=64，單位：d)為窗長(zhǎng)，m(m=1，2，3，4，5；本文中m=1，單位：d)為滑動(dòng)窗長(zhǎng)作傅里葉變換計(jì)算其功率譜[11]。每一像元點(diǎn)的所有功率譜進(jìn)行相對(duì)處理得到相對(duì)功率譜后，對(duì)每一個(gè)頻段進(jìn)行時(shí)空掃描，分析震前的變化特征。

在部分地震前，某一特征周期的相對(duì)功率譜在震前數(shù)日至數(shù)月前出現(xiàn)異常，并且較多發(fā)生在異常達(dá)到最大值后和異?；謴?fù)后，少部分發(fā)生在達(dá)到最大值前；異常有由弱-強(qiáng)-弱直至消失的過程，異常形態(tài)多為從零星異常演化團(tuán)塊狀或與斷裂帶走向較為一致的條帶狀。

2012年7月20日江蘇寶應(yīng)縣ML5.2地震的相對(duì)功率譜第一特征周期(64天)震前6天在震中附近出現(xiàn)近東西向的異常條帶，直至地震發(fā)生(圖1)。

在震中附近以32.7° N，120.0° E為中心，1°×1°區(qū)域的相對(duì)功率譜均值從2012年7月5日開始上升，8月7日達(dá)到最大值16.07后開始下降，9月6日恢復(fù)到1左右；地震在達(dá)到最大值前18天發(fā)生(圖2)。

圖1　2012年7月20日江蘇寶應(yīng)縣ML5.2地震相對(duì)功率譜異常演化圖Fig.1　Abnormal evolution of relative power spectrum of Baoying，Jiangsu ML5.2 earthquake on July 20,2012

圖2　2012年7月20日江蘇寶應(yīng)縣ML5.2地震　　　震中附近區(qū)域相對(duì)功率譜變化圖Fig.2　Relative power spectrum variation in the area　　　 near the epicenter of Baoying ML5.2 earthquake

2013年1月23日遼寧燈塔縣ML5.4地震前30天，在震中西南方出現(xiàn)一呈北東向分布的異常條帶,該條帶在震前12天面積最大，地震當(dāng)天消失(圖3)。在震中附近以41.5° N，123.2° E為中心，1°×1°區(qū)域的相對(duì)功率譜均值從2012年12月16日開始上升，2013年1月9日達(dá)到最大值7.1，1月23日恢復(fù)到1左右，地震則在當(dāng)天發(fā)生(圖4)。 所選擇的17個(gè)地震中， 9個(gè)地震前有明顯紅外亮溫相對(duì)功率譜異常，所占比例為52.94%。每個(gè)地震出現(xiàn)異常的特征周期不一樣，其中前三個(gè)特征周期出現(xiàn)異常的概率較高，9個(gè)地震中有8個(gè)地震在前三個(gè)特征周期都出現(xiàn)異常，所占比例為88.89%：有7個(gè)地震前兩個(gè)特征周期出現(xiàn)異常，所占比例為77.78%(表2)。

按照不同特征周期統(tǒng)計(jì)，18個(gè)異常中地震發(fā)生于異常恢復(fù)后的有11個(gè)，達(dá)到最大值后的有5個(gè)，達(dá)到最大值前的有2個(gè)，所占比例分別為61.11%、27.78%和11.11%。大部分地震發(fā)生在相對(duì)功率譜異常恢復(fù)后(表3)。

恢復(fù)后發(fā)震的絕大多數(shù)部分都發(fā)生在恢復(fù)后的20天之內(nèi)，約占81.81%；最大之后發(fā)震的都發(fā)生在達(dá)到最大值后20天之內(nèi)；最大之前發(fā)震的都發(fā)生在達(dá)到最大值前20天之內(nèi)。在恢復(fù)后發(fā)震的最大時(shí)間為42天，在最大值之后發(fā)震的最大時(shí)間為15天，在最大值前發(fā)震的最大時(shí)間為18天。此外，從表3中看出相對(duì)功率譜的異常幅度介于5～16之間，但與震級(jí)沒有明顯的正相關(guān)關(guān)系，震級(jí)越大異常幅度不一定越大。

圖3　2013年1月23日遼寧燈塔縣ML5.4地震相對(duì)功率譜異常演化圖Fig.3　Abnormal evolution of relative power spectrum Dengta,Liaoning ML5.4 earthquake on January 23,2013

序號(hào)時(shí)間震級(jí)/ML地點(diǎn)特征周期第一第二第三第四第五第六12010-01-245.2山西河津縣√22010-06-055.0山西陽曲縣高村√√√√√32010-10-245.0河南太康縣√√42012-05-285.1河北唐山市林西√52012-07-205.2江蘇寶應(yīng)縣√√√62013-01-235.4遼寧燈塔縣√72013-09-045.2福建仙游縣石蒼√√82013-11-235.0山東萊州市店子√92013-12-165.4湖北巴東縣√√

表 3　亮溫相對(duì)功率譜異常特征統(tǒng)計(jì)表

圖4　2013年1月23日遼寧燈塔縣ML5.4地震　　　震中附近相對(duì)功率譜變化圖Fig.4　Relative power spectrum varietion in the area near　　　 the epicenter of Dengta,Liaoning ML5.4 earthquake　　　 on January 23,2013

4結(jié)論與討論

本研究選取2006—2013年的平均相當(dāng)黑體亮溫?cái)?shù)據(jù)，利用補(bǔ)窗法去除云干擾得到地表連續(xù)可靠的亮溫?cái)?shù)據(jù)。采用小波變換方法從原始亮溫?cái)?shù)據(jù)中扣除7階的尺度部分和2階的細(xì)節(jié)部分以便消除亮溫背景場(chǎng)(包含地形影響)和氣象突變因素，得到亮溫相對(duì)變化序列。用相對(duì)功率譜法(窗長(zhǎng)為64天，滑動(dòng)窗長(zhǎng)為1天)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行全時(shí)空分析，獲得6個(gè)特征周期及其幅值。研究每個(gè)特征周期的相對(duì)功率譜隨時(shí)間和空間的變化，并與浙江省及其鄰區(qū)17個(gè)ML5.0以上地震的地震三要素關(guān)系進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

(1) 9個(gè)地震前出現(xiàn)熱紅外亮溫相對(duì)功率譜異常，前三個(gè)特征周期的對(duì)應(yīng)率相比后三個(gè)特征周期高，且大部分地震都發(fā)生在異?；謴?fù)后20天以內(nèi)。在時(shí)間上，異常多出現(xiàn)在震前數(shù)日至數(shù)月，并且發(fā)生在異常達(dá)到最大值后和異?；謴?fù)后，少部分發(fā)生在達(dá)到最大值前；空間上，異常的表現(xiàn)形式為由弱-強(qiáng)-弱直至消失的過程，異常形態(tài)多為從零星異常演化團(tuán)塊狀或與斷裂帶走向較為一致的條帶狀。異常時(shí)間、異常幅度、異常開始到地震發(fā)生的時(shí)間等特征與地震三要素?zé)o明顯關(guān)系。

(2) 對(duì)于地震紅外亮溫異常提取，云和噪聲是最大干擾因素。本研究雖然利用補(bǔ)窗法將紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，但還是不能完全消除云和噪聲的影響。經(jīng)過后期的小波變換后并采用2階的尺度部分可以將這種云和噪聲的短期影響進(jìn)一步扣除。更快捷、方便的扣除云和噪聲的方法還需進(jìn)一步研究。

(3) 衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)以其獲取信息范圍大、數(shù)據(jù)更新快，可以實(shí)施時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀測(cè)方法的不足，使地震前兆的監(jiān)測(cè)從傳統(tǒng)的靜態(tài)定點(diǎn)觀測(cè)模式向動(dòng)態(tài)連續(xù)的大面積觀測(cè)模式發(fā)展。本研究探討熱紅外亮溫相對(duì)功率譜與地震三要素之間的關(guān)系，突破陸海限制、行政限制，為地震監(jiān)測(cè)獲取更多的數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)臺(tái)網(wǎng)密度不夠以及海洋區(qū)域監(jiān)測(cè)能力弱的不足。雖然紅外亮溫相對(duì)功率譜在一些地震前的確有異常出現(xiàn)，但是異常時(shí)間、幅度等和地震震級(jí)的關(guān)系不明顯，要對(duì)將來發(fā)生的地震三要素進(jìn)行判斷，還需要同GPS、地形變、流體觀測(cè)等學(xué)科結(jié)合起來。

致謝：本文在撰寫過程中得到了中國(guó)地震局蘭州地震研究所張?jiān)芯繂T的指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心的感謝！

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Relation between Infrared Brightness Temperature Anomalies and Earthquakes in Zhejiang Province and Its Adjacent Areas

ZHANG Fan, XIONG Dan, ZHONG Yu-yun, ZHU Xin-yun

(EarthquakeAdministratorofZhejiangProvince,Hangzhou310013,Zhejiang，China)

Abstract：In this study, remotely sensed infrared brightness temperature data from the China Geostationary Meteorological Satellite FY-2C/E from 2006 to 2013 are full time-space analyzed to determine the dominant frequency and amplitude using the relative power spectrum method. The variation in time and space in the relative power spectrum of each frequency was analyzed and compared with the three elements of 17 earthquakes having magnitudes greater than 5.0 in Zhejiang Province and its neighboring area. The following results were obtained: the relative power spectrum anomaly of infrared brightness temperature appears before nine earthquakes. The corresponding ratio of the first three dominant frequencies is higher than that of last three ratios. The anomalies occurred several days or months before earthquakes, and most earthquakes occurred after the anomalies reached the maximum value or were recovering. A few earthquakes occurred before the anomalies reached the maximum value. The anomalies increase in strength and then disappear, in a process from sporadic to conglomerate or banded along the fault zone. Anomaly time and amplitude and the time period from the appearance of the anomaly until the earthquakes occurred have no obvious relation with the three elements of the earthquake.

Key words：remote sensing; infrared brightness temperature; satellite FY-2C/E; wavelet transform; relative power spectrum; relation with earthquake

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0058

中圖分類號(hào):P315.72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-0844(2016)01-0058-07

作者簡(jiǎn)介：張帆(1978-)，男(漢族)，高級(jí)工程師，主要從事地震數(shù)字地震資料應(yīng)用及地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究。E-mail：cruiser911@163.com。

基金項(xiàng)目：浙江省公益技術(shù)研究社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(2011C23061)

收稿日期：①2014-11-25