Hong-Chun Wu , Ivan N Tikhonov

1) Institute of Occupational Safety and Health, Safety Department,Shijr City, Taipei, China 2) Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS,Yuzhno-Sakhalinsk, Russia

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急流異?？赡苁荕>6.0地震的短期前兆*

Hong-Chun Wu1), Ivan N Tikhonov2)

1) Institute of Occupational Safety and Health, Safety Department,Shijr City, Taipei, China 2) Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS,Yuzhno-Sakhalinsk, Russia

摘要熱圖像的衛(wèi)星數(shù)據(jù)揭示了與地殼斷層大線性結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)相關(guān)的熱場的存在。 所測量的長波輻射高度正好落在急流區(qū)間內(nèi)。 本工作描述了兩個區(qū)域范圍內(nèi)強震和急流之間可能存在的聯(lián)系。 在2006～2010年強震(M>6.0)震中附近， 氣流的前端或尾端位置能在震中附近保持6個小時甚至更久。 在一張6小時氣象圖上有93.6%的幾率可以觀測到穩(wěn)定的急流， 而在兩張鄰接的氣象圖上看到這種變化的幾率是26.7% 。 震中和急流位置分布的中位數(shù)為36.5 km。 能實現(xiàn)預(yù)測的累積概率估算值如下： 10天為24.2%， 20天為48.4%， 30天為66.1%， 40天為87.1%， 50天為93.5%， 70天為100%。 觀測到的前兆效應(yīng)可能會引起地震實際短臨預(yù)報應(yīng)用者的極大興趣。

關(guān)鍵詞地震； 震中； 急流； 前兆異常

引言

近年來， 大量的研究都集中在確定強震孕震期內(nèi)巖石圈、 大氣層和電離層的耦合關(guān)系上。 對不同參數(shù)局部異常的分析(如， 地電場、 地下氣體、 熱通量、 不同頻帶的電磁輻射、 云結(jié)構(gòu)和電離層的電子濃度等)集中在尋找地震前兆。 許多有遠見的研究方向已初露端倪。 讓我們來看一些例子， Ondoh[1]描述了至少在強震前地下水氡濃度的急劇增加。

熱圖像的衛(wèi)星數(shù)據(jù)揭示了與地殼斷層大線性結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)相關(guān)的熱場的存在[2]。 在2003年墨西哥科利馬(Colima)M7.6地震前， 觀測到了潛熱流的異常變化[3]。 在大氣層的頂部(10～12 km)觀測到大氣的電離效應(yīng)。 在2004年12月26日MW9.0印尼地震前， 在300 GPa高度記錄到長波輻射的異常變化[4]。 這些異常熱變化發(fā)生在地震前的4～20天[5-8]。

地震之前， 震中上空的電離層會有局部異常變化[9-11]。 統(tǒng)計分析表明， 在地震發(fā)生之前的1～5天會出現(xiàn)這些變化[12]。 有些學(xué)者結(jié)合上述孕震時期的異?，F(xiàn)象， 嘗試著建立能聯(lián)合巖石圈-大氣層-電離層的模型[13-14]。 這些模型研究了一連串從巖石圈、 大氣、 大氣電場、 電離層和磁層觀察到的可能作為地震短期前兆的異?，F(xiàn)象。 急流就是其中的一個可能前兆。

急流是一種在對流層上部或平流層下部沿幾乎呈水平的軸向進行快速流動的狹窄的空氣流， 其特點是有高的垂直和水平風(fēng)速梯度， 且有一個或多個最大風(fēng)速[15-16]。 急流在軸線上風(fēng)速最大。 急流的線性尺度(長度、 寬度和厚度)是由30 m/s的風(fēng)速等值線來決定的。 一般來說， 急流的長度為數(shù)千千米， 寬度為數(shù)百千米， 厚度可以是4～5 km。 急流可分為北極急流(至65°N)、 極地急流、 亞熱帶急流和赤道急流等幾種類型。 極地急流位于中緯度區(qū)域(大約在30°N～60°N之間)， 亞熱帶急流分布在兩個半球23.5°N和33.0°N之間的中緯度范圍內(nèi)[17]。 吹過西非上空的急流就是赤道急流的一種。 在夏季， 它位于10°N～20°N之間。

大氣中的每一種現(xiàn)象都對應(yīng)于特定的高度。 本研究描述的是極地急流， 它在海平面上方9～12 km的高度流動。 此外， 較弱的亞熱帶急流位于海平面上方11～16 km。 急流中心部分稱為核心， 那里風(fēng)速最大， 其橫截面水平達50～100 km， 垂直達1～2 km。 急流軸上的風(fēng)速通常為45～55 m/s， 最大風(fēng)速可達200 m/s[16]。

急流對氣象和航空非常重要。 氣象學(xué)家利用急流位置進行天氣預(yù)報。 急流前鋒可能引起氣象前鋒和風(fēng)暴的形成。 急流的商業(yè)用途是在航空運輸方面： 當飛機順著急流方向行駛時， 可以節(jié)省時間和燃料。

早些時候注意到[18-20]， 在地震前的一定時間段內(nèi)， 在地震活躍區(qū)域上方， 急流的前方或尾部兩端會有風(fēng)速幾乎固定的等高線出現(xiàn)。 本研究的目的是確定異常急流出現(xiàn)的位置和時間， 并將這些因素與強震發(fā)生時間和震中數(shù)據(jù)參數(shù)進行比較。

為了實現(xiàn)上述目的， 我們采用加州地區(qū)天氣服務(wù)中心提供的急流圖[17]和美國地質(zhì)調(diào)查局/國家地震信息中心(U.S. Geological Survey/National Earthquake Information Center， USGS/NEIC)[21]在中國和太平洋地震帶西北部兩個地區(qū)的速報地震目錄來作研究。

第一部分樣本取30°N～ 40°N， 80°E～ 105°E范圍內(nèi)M>6.0地震(表1)。 第二部分樣本取千島群島(Kurile Islands)、 堪察加半島(Kamchatka)和阿留申群島(Aleutian Islands)區(qū)域內(nèi)M>6.0地震(表2)。 這樣就能研究30°N以內(nèi)陸地和海洋地震活動區(qū)內(nèi)與不同類型地震(板間和板內(nèi))相關(guān)的急流特性。 我們比較了2006年5月22日～2010年12月23日期間的兩種類型地震資料與急流圖數(shù)據(jù)。

我們考慮一下我們用于分析急流的氣象圖的若干參數(shù)。 它們以GFS全球預(yù)測模型為基礎(chǔ)， 顯示風(fēng)速的等值線和矢量數(shù)據(jù)[17]。 在舊金山大學(xué)(San Francisco University)地球科學(xué)系的氣象項目框架下， 國家環(huán)境預(yù)測中心(National Center for Environmental Prediction)每日做4次預(yù)報(每6小時一次)。 這些氣象圖顯示的是在地面氣壓為300 GPa時， 對流層上層的急流參數(shù)。 如前所述， 這些圖是風(fēng)速的等值線， 最低風(fēng)速為30 m/s。

表12006年5月22日～2010年12月23日期間， 美國國家地震信息中心初步認定的震中位于中國的M>6.0強震

序號發(fā)震時間(世界時)年-月-日時:分:秒緯度/°N經(jīng)度/°E深度/km震級12007-05-0508:51:3934.2581.9796.122008-01-0908:26:4532.2985.17106.432008-03-2022:32:5835.4981.47107.242008-05-1206:28:0231.00103.32197.952008-05-1211:11:0231.21103.62106.162008-08-2513:21:5930.9083.52126.772008-11-1001:22:0337.5695.83196.382009-08-2801:52:0737.7095.72136.392010-04-1323:49:3833.1796.55176.9102010-04-1401:25:1633.1996.4576.1

表22006年5月22日～2010年12月23日期間， 美國國家地震信息中心初步認定的震中位于千島群島、 勘察加半島和阿留申群島的M>6.0強震

序號發(fā)震時間(世界時)年-月-日時:分:秒緯度/°N經(jīng)度/°E深度/km震級12006-05-2211:12:0160.77165.74°196.622006-05-2213:08:0354.27158.45°1976.232006-06-1404:18:4351.75177.08°146.542006-06-2702:39:3352.23176.16°176.252006-07-0820:40:0151.21-179.31°226.662006-08-2421:50:3751.15157.52°436.572006-09-3017:50:2346.35153.17°116.682006-10-0109:06:0246.47153.24°196.592006-11-1511:14:1446.59153.27°108.3102006-11-1511:29:2346.37154.48°106.2112006-11-1511:34:5846.65155.30°106.4122006-11-1511:40:5546.48154.73°106.7132006-12-0719:10:2246.15154.39°166.4142007-01-1304:23:2146.24154.52°108.1152007-04-2912:41:5752.01-179.97°1176.2162007-05-3020:22:1352.14157.29°1166.4172007-07-1513:08:0252.49-168.04°156.1182007-08-0202:37:4247.12141.80°56.2192007-08-0203:21:4351.31-179.97°216.7202007-08-1520:22:1150.32-177.55°96.5212007-09-0316:14:5445.84150.06°946.2222007-10-2513:50:0446.01154.23°206.1232007-12-1909:30:2851.36-179.51°347.2242007-12-2107:24:3451.37-178.98°256.3252007-12-2622:04:5552.56-168.22°256.4262008-03-0309:31:0246.41153.18°106.5272008-03-2221:24:1152.18-178.72°1326.2282008-04-1522:59:5251.86-179.36°116.4292008-04-1605:54:2051.88-179.16°136.6302008-05-0201:33:3751.86-177.53°146.6312008-05-2013:53:3651.16178.76°276.3322008-07-0502:12:0453.88152.89°6327.7332008-07-2401:43:1650.97157.58°276.2342008-11-0213:48:4351.55-174.37°366.1352008-11-2409:02:5954.20154.32°4927.3362009-01-1517:49:3946.86155.15°367.4372009-04-0704:23:3346.05151.55°316.9382009-04-1819:17:5946.01151.43°356.6392009-04-2105:26:1250.83155.01°1526.2402009-07-0614:53:1250.44176.99°226.1412009-10-1305:37:2452.75-167.00°246.5422009-10-1320:21:5352.60-167.12°146.4432009-12-1002:30:5353.42152.76°6566.3442010-04-3023:11:4360.47-177.88°126.5452010-04-3023:16:2960.48-177.65°146.3462010-06-1802:23:0644.45148.69°286.2472010-07-1805:56:4552.88-169.85°146.7482010-07-3003:56:1452.50159.84°236.3492010-08-0412:58:2451.42-178.65°276.4502010-09-0311:16:0751.45-175.87°236.5512010-10-0803:26:1451.37-175.36°196.4522010-12-2314:00:3253.13171.16°186.3

(a) 2006年10月20日12時0分的急流圖； (b) 2006年10月20日18時0分的急流圖;(c) 2006年10月21日0時0分的急流圖

急流不是連續(xù)的氣流。 急流會不斷地改變其形狀使其前端或尾端的移動速度達到100 km/h。 圖1所示的是一個從2006年10月20日中午到2006年10月21日午夜的例子， 急流的形狀由小變大。 急流的前端在12小時內(nèi)通過了大約1200 km， 其速度約為100 km/h。 如果急流的前端或尾端的速度低于10 km/h， 我們可以認為， 這樣的運動為異?，F(xiàn)象。

以前的研究表明[18-20]，M>6.0地震前70天內(nèi)有急流存在。 在氣壓為300 GPa水平時， 分析氣象圖包括： 搜索急流勻速運動時擾動出現(xiàn)的區(qū)域(片)， 或在6小時內(nèi)急流的前端或尾端停止、 隨后出現(xiàn)尖角的區(qū)域。 我們必須研究位于構(gòu)造斷層之上的這些區(qū)域， 因為它們的垂直投影可能就是孕育強震的地方。

圖2顯示了兩種類型的急流異常前兆。 在第一類異常里(圖2a)， 急流前端保持在相同的地點達6小時甚至更久(圖2b)。 此點可能就是未來地震的震中。 另一類異常如圖2c和2e所示。圖2c顯示了高速急流的初始狀態(tài)。 一段時間之后， 急流區(qū)的初始形狀發(fā)生了變化， 風(fēng)速等值線在一點交匯(圖2d)， 然后急流分為兩個部分(圖2e)， 最后消失的地方就是未來地震震中的上空。 這些等值線交點的投影也就是未來地震的震中。

(a)和(b)為第一類前兆， 急流前端保持在相同位

圖2兩種急流異常類型圖解。 圓圈表示未來可能發(fā)生強震的地方

在本工作研究期間， 在第一個區(qū)域共有10次M>6.0地震發(fā)生(表1)， 在第二個區(qū)域有52次M>6.0地震發(fā)生(表2)。 第一個區(qū)域里有1次地震、 第二個區(qū)域里有3次地震， 在地震發(fā)生前70天內(nèi)， 沒有急流出現(xiàn)。 因此， 我們就取第一區(qū)域剩余的9次地震和第二區(qū)域剩余的49次地震進行急流比較。 我們檢查了總共58組急流異常。 我們感興趣的是那些顯示在氣象圖上的急流風(fēng)速等值線， 在一定的時間內(nèi)它們的前端或末端在未來發(fā)震地區(qū)上空幾乎靜止不動。

我們以2007年5月5日發(fā)生在中國(喀喇昆侖山口之西藏西北角-譯者注)的M6.1地震為例(表1)， 其震中位置為(34.25° N， 81.97°E)， 震源深度為9 km。 急流以30 m/s的速度移動， 其前端在2007年4月3日中午首次形成(圖3a)， 直到下午6點都固定不動(圖3b)， 它在地表的投影是(34.5° N, 81.5° E), 距離震中51 km， 地震就發(fā)生在此31.6天之后， 急流在此同一地點幾乎保持了6個小時(表3)。

表3顯示了中國地區(qū)強震發(fā)生前， 急流異常在時間和空間上的相關(guān)性特征。 表4顯示了第二取樣區(qū)(太平洋西北部地震帶)的類似數(shù)據(jù)。 不考慮樣本多少， 由陸地和海洋地震活動區(qū)分別得到的樣本參數(shù)R值(震中與急流投射坐標點的距離)無明顯差別。 參數(shù)T(地震前異常發(fā)生的時間)也同樣無明顯異常。 考慮到上述所有情況， 把表3和表4合成為一個樣本， 對參數(shù)R做進一步地估計。 對參數(shù)T也用同樣的方法。

(a) 2007年4月3日12時0分觀察到的急流位置和形狀； (b) 6小時后(2007年4月3日18時0分)觀察到的急流位置和形狀； 星號是2007年5月5日地震的震中

發(fā)震時間(世界時)年-月-日時:分:秒異常急流時間緯度/°N經(jīng)度/°ER/km﹡T/d2007-05-0508:51:392007-04-03,12,1834.581.551.331.62008-01-0908:26:452008-01-04,0632.085.036.15.12008-01-08,182008-03-2022:32:582008-03-10,00,0635.081.554.610.72008-05-1206:28:022008-04-29,00,1231.5103.063.412.82008-05-1211:11:0267.113.02008-08-2513:21:59----2008-11-1001:22:032008-10-15,0637.595.529.925.82009-08-2801:52:072009-07-22,1838.595.0108.936.32009-07-23,002010-04-1323:49:382010-03-11,1833.096.519.533.22010-04-1401:25:1621.733.3

﹡該列是急流異常投射到地表的坐標；R是以公里為單位的震中到急流異常投射到地表坐標間的距離；T是以天為單位的前兆異常與強地震發(fā)生的間隔時間

表4　千島群島、 堪察加半島和阿留申群島地震、 急流異常數(shù)據(jù)以及它們的時空關(guān)系

續(xù)表4

﹡該列是急流異常投射到地表的坐標；R是以公里為單位的震中到急流異常投射到地表坐標間的距離；T是以天為單位的前兆異常與強地震發(fā)生的間隔時間

圖4根據(jù)兩組取樣數(shù)據(jù)得到的參數(shù)R的分布(震中與急流投射坐標點的距離)

圖4是根據(jù)聯(lián)合采樣數(shù)據(jù)計算的參數(shù)R的分布。 此分布的中位數(shù)對應(yīng)于R=36.5 km。 在76.7%的研究對象中， 參數(shù)R并沒有超過90 km。 60例中只有4例， 地震震中距急流在地球表面的投影超過了200 km。 這樣的結(jié)果對于M>6.0地震的預(yù)測應(yīng)該算是相當鼓舞人的。 在過去幾十年被實踐驗證的最成功的中期預(yù)測算法是M8和MSc[22-24]。 因此， 即使回顧1995年日本神戶M7.2地震， 由MSc算法驗證的預(yù)警空間區(qū)域面積相當于175 km×175 km。

表3和表4的數(shù)據(jù)回答了這樣的問題： 在一次M>6.0地震前， 在一個和兩個相鄰的氣象圖上， 在所研究的區(qū)域里有多大的幾率可以觀察到(急流的穩(wěn)態(tài)行為)前兆。 使用一張圖看到的幾率為93.6%， 使用兩張鄰接圖在6小時內(nèi)看到的幾率為26.7%。

圖5顯示了一定天數(shù)里實現(xiàn)預(yù)測累積概率的估計值： 5天為6.4%， 10天為24.2%， 20天為48.4%， 30天為66.1%， 40天為87.1%， 50天為93.5%， 70天為100%。 此圖顯示出前兆出現(xiàn)時間和地震發(fā)生之間的明確聯(lián)系。 它不同于電離層前兆持續(xù)1～5 天[12]或熱前兆持續(xù)4～20天[5-6]。 我們估計， 這種以急流形式出現(xiàn)的前兆時間可能提前0～67天， 它與其他上述的前兆出現(xiàn)的時間不同的原因目前還不清楚。

圖5　70天內(nèi)預(yù)測累積概率的估算值

因此， 急流和地震之間在空間和時間上存在的密切關(guān)聯(lián)(按地震學(xué)標準)， 揭示了把此項前兆用于強震短臨預(yù)測有一定的前景。 根據(jù)物理學(xué)原理， 可以假定急流是氣流頭尾端壓力差的結(jié)果。 看起來有趣的是， 有時震中位置恰好對應(yīng)于急流的尾部， 意味著震中上空可能是正負氣壓極值區(qū)。 如前所述， 許多研究者把巖石圈-大氣層-電離層耦合模型作為對此現(xiàn)象的可能解釋。 本文作者對于這些模型的可信度究竟有多大尚無法判斷， 此并非本文研究的課題。

我們研究了中國和太平洋西北地震帶兩個區(qū)域內(nèi)強震和急流兩個自然現(xiàn)象之間的可能聯(lián)系。 研究樣本時長為4.6年(2006年5月22日～2010年12月23日)。 我們發(fā)現(xiàn)， 在強震前幾天至兩個月內(nèi)， 急流的前端或尾端能夠在震中上空附近保持相同的位置長達6小時或更久。 這種前兆異常在陸地以及構(gòu)造板塊的俯沖區(qū)域都能觀察到。 一張6小時氣象圖觀測到急流穩(wěn)態(tài)行為的幾率為93.6%， 兩張鄰接氣象圖觀測到的幾率為26.7%。 我們還發(fā)現(xiàn)了， 強震震中與穩(wěn)態(tài)急流在地表投影坐標之間的關(guān)系。 震中與相關(guān)急流位置間距離分布的中位值為36.5 km。 預(yù)測累積概率的估算值是： 10天為24.2%， 20天為48.4%， 30天為66.1%， 40天為87.1%， 50天為93.5%， 70天為100%。 這些估計值檢驗了本文提及的地震與急流自然現(xiàn)象之間時空異常的存在性。

雖然本文提及的前兆現(xiàn)象的機理還不清楚， 但在我們看來， 此前兆效應(yīng)必須加以細致研究， 并建議將此用于今后實際強震的短期預(yù)測工作中。

文獻來源： Hong-Chun Wu, Ivan N Tikhonov. Jet streams anomalies as possible short-term precursors of earthquakes withM>6.0. Research in Geophysics， 2014， 4： 4939： 12-18

(北京工業(yè)大學(xué)鄭吉盎、 章菲譯)

(譯者電子信箱， 章菲：7353282@emails.bjut.edu.cn)

參 考 文 獻

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* 收稿日期：2016-04-11； 采用日期： 2016-05-23。

中圖分類號：P315.72；

文獻標識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.07.007