張鐵寶， 楊 星， 路 茜， 龍 鋒

(四川省地震局， 成都 610041)

青藏高原東部近年來強(qiáng)震頻發(fā)，2008年以來發(fā)生的M≥6.5地震(不包含余震)就多達(dá)8次，該區(qū)域一直以來都是各種地球物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段日常震情跟蹤和研究的重點(diǎn)地區(qū)。傳統(tǒng)的地球物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，如流體、形變、電磁等，在進(jìn)行地震異常提取前，都需要充分研究其背景場(chǎng)特征，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)一步提取分析異常變化[1-2]。例如，深井水位異常變化的判定，就需要先了解其相對(duì)穩(wěn)定的，日、月、年等時(shí)間尺度的背景性的變化形態(tài)特征。衛(wèi)星熱紅外作為近年來逐步發(fā)展起來的監(jiān)測(cè)手段，產(chǎn)出了很多地震紅外異常方面的研究成果[3-22]，大量的震例研究也證實(shí)了地震前存在紅外輻射異?，F(xiàn)象，典型地震如汶川地震[8]，震前中期、短期和臨震四川地區(qū)美國(guó)海洋和大氣管理局(NOAA)衛(wèi)星長(zhǎng)波輻射出現(xiàn)異常[10]，震前1個(gè)月風(fēng)云靜止衛(wèi)星紅外亮溫在龍門山斷裂帶和四川盆地出現(xiàn)異常[6]，震前1個(gè)月中分辨率成像光譜儀(MODIS)衛(wèi)星紅外亮溫在與地震相關(guān)的巴顏喀拉塊體出現(xiàn)輻射增強(qiáng)異常[20]。在這個(gè)過程中不同的紅外異常提取方法逐步發(fā)展起來[23]，常用的異常提取方法有：①基于背景場(chǎng)的異常提取算法，如距平[10,21]、歷年同期偏移指數(shù)法和魯棒衛(wèi)星技術(shù)(robust satellite technique，RST)算法[11,13-14]等；②基于信號(hào)分析的異常提取算法，如小波[6-7]和功率譜[6-7,15,19,22]等；③基于差值的異常提取算法，如震前震后差值法、斷裂帶內(nèi)外差值法[3]以及渦度法[10]等。上述方法中很多都涉及背景場(chǎng)，對(duì)背景場(chǎng)也開展了研究，但遺憾的是在發(fā)表的文獻(xiàn)中，內(nèi)容多數(shù)是重點(diǎn)介紹處理方法和結(jié)果，關(guān)于熱紅外背景場(chǎng)特征的介紹常簡(jiǎn)單描述，幾筆帶過，讀者對(duì)背景場(chǎng)的具體特征不甚了解。而單獨(dú)對(duì)紅外背景場(chǎng)較詳細(xì)的研究成果也僅見少量公開發(fā)表[24-29]。在這些發(fā)表的紅外背景場(chǎng)研究中，屈春燕等[28]對(duì)首都圈地區(qū)的亮溫變化特征進(jìn)行研究得出，亮溫受季節(jié)和氣象因素影響，變化具有空間相關(guān)性、時(shí)間延續(xù)性和年變周期性。孟慶巖等[25]研究首都圈和甘青川交界地區(qū)熱紅外背景場(chǎng)表明，背景場(chǎng)時(shí)間上受季節(jié)變化影響，空間上受地形影響。對(duì)衛(wèi)星紅外輻射而言，充分認(rèn)識(shí)和了解其背景場(chǎng)特征是地震異常研究和應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，具有非常重要的作用。

衛(wèi)星監(jiān)測(cè)具有覆蓋面廣、不受地面條件限制以及空間分布均勻等傳統(tǒng)地震前兆監(jiān)測(cè)手段不具有的優(yōu)勢(shì)。青藏高原東部發(fā)生強(qiáng)震的背景風(fēng)險(xiǎn)高，是需要重點(diǎn)跟蹤研究的地區(qū)?；诖?，擬從季節(jié)、緯度和地形等方面分析青藏高原東部及其周邊地區(qū)衛(wèi)星熱紅外背景場(chǎng)特征，并基于這些特征討論應(yīng)用中需要注意的一些問題。這一研究有助于深入理解青藏高原東部的衛(wèi)星熱紅外背景場(chǎng)，有助于在異常判定過程中識(shí)別出該地區(qū)一些背景性變化引起的非震異常，提高地震異常識(shí)別的可靠性，有助于有針對(duì)性地設(shè)計(jì)異常提取方法，對(duì)該地區(qū)衛(wèi)星紅外地震監(jiān)測(cè)、應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

青藏高原東部近年來強(qiáng)震頻發(fā)，7級(jí)以上地震就有汶川M8.0、蘆山M7.0、玉樹M7.1和九寨溝M7.0等大震，是地震紅外輻射異常研究的理想地區(qū)，因此，紅外輻射背景場(chǎng)研究區(qū)域選定在如圖1所示的青藏高原東部及其周邊地區(qū)，研究區(qū)范圍為20°～40°N，90°～110°E，經(jīng)緯度跨度范圍大。研究區(qū)內(nèi)地形多樣[圖1(b)]，西部為地形復(fù)雜高海拔的青藏高原，青藏高原北部有柴達(dá)木盆地，青藏高原以東為地形相對(duì)簡(jiǎn)單低海拔的四川盆地。復(fù)雜多樣的地形，大跨度的范圍，為研究地形、緯度對(duì)紅外輻射的影響提供了優(yōu)越的自然地理?xiàng)l件。

圖1 研究區(qū)域與高程圖

選用美國(guó)Terra衛(wèi)星的中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)21通道(3.929～3.989 μm)紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)。Terra衛(wèi)星是美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)(Earth Observation System，EOS)計(jì)劃中的第一顆衛(wèi)星，為極軌衛(wèi)星，主要目的是觀測(cè)地球表面，于1999年12月18日發(fā)射升空，至今已運(yùn)行21年多，MODIS為衛(wèi)星搭載的一種載荷，每日對(duì)同一地區(qū)白天夜晚各掃描一次，積累了大量覆蓋全球的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。亮溫?cái)?shù)據(jù)是MODIS對(duì)地掃描得到的數(shù)據(jù)，通過定標(biāo)定位、幾何校正處理，再由普朗克定律計(jì)算得到。研究區(qū)域的亮溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過投影、裁剪、拼接等預(yù)處理。背景場(chǎng)研究數(shù)據(jù)時(shí)段為2000—2020年(21 a)，使用數(shù)據(jù)景數(shù)超過11 500景。由于紅外波段無(wú)法穿透云層，有云時(shí)候衛(wèi)星探測(cè)的為云頂信息，因此，采用多日合成的方法來得到高晴空率數(shù)據(jù)，合成后的數(shù)據(jù)采用多通道閾值法進(jìn)行去云處理。處理完成的最終數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為4 d，空間分辨率1 km。

2 背景場(chǎng)構(gòu)建方法

異常場(chǎng)是相對(duì)于正常背景場(chǎng)而言的，背景場(chǎng)的構(gòu)建，是進(jìn)一步提取地震紅外異常的基礎(chǔ)，背景場(chǎng)構(gòu)建的合理性決定了后續(xù)地震異常提取的準(zhǔn)確性和可靠性。

目前，紅外背景場(chǎng)構(gòu)建常采用均值法，即基于多年的數(shù)據(jù)計(jì)算同期均值提取不同時(shí)間尺度的背景場(chǎng)。陳順云等[24]基于1981年7月至2001年9月共20 a的NOAA衛(wèi)星紅外資料，利用分離窗方法和小波方法得到地表亮溫(LSBT)長(zhǎng)時(shí)間序列的年周期信號(hào)，最后對(duì)年周期信號(hào)求旬均值得到穩(wěn)定的年變值。溫少妍等[29]利用1999年、2003—2008年共7 a的NOAA衛(wèi)星熱紅外影像，采用均值法構(gòu)建了首都圈紅外亮溫背景場(chǎng)，分析了各種因素對(duì)背景場(chǎng)的影響。孟慶巖等[25]基于2010年1月12日—2013年12月30日近4 a的FY-2E靜止氣象衛(wèi)星的亮溫?cái)?shù)據(jù)，利用均值法構(gòu)建了首都圈和甘青川交界地區(qū)年、季度和月尺度的紅外亮溫背景場(chǎng)，并對(duì)其時(shí)空演化特征進(jìn)行了分析。對(duì)于均值法，需要注意的是，所用數(shù)據(jù)時(shí)間過短，樣本量少會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的背景場(chǎng)離散度高，偏離真實(shí)的背景場(chǎng)越遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，得到的背景場(chǎng)離散度越小，越趨于穩(wěn)定，越接近真實(shí)的背景場(chǎng)。因此，在可能的情況下，計(jì)算背景場(chǎng)的數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)要盡可能長(zhǎng)。

所用衛(wèi)星遙感紅外數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為21 a(2000—2020年)，為Terra衛(wèi)星發(fā)射以來的時(shí)長(zhǎng)，數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較長(zhǎng)，針對(duì)連續(xù)多年的數(shù)據(jù)采用上述均值法[24-25,29]來構(gòu)建背景場(chǎng)。均值法的計(jì)算公式為

(1)

對(duì)MODIS紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)，利用均值法構(gòu)建獲得的青藏高原東部及其周邊地區(qū)的紅外輻射亮溫月背景場(chǎng)如圖2所示。

圖2 青藏高原東部及其周邊地區(qū)紅外輻射月背景場(chǎng)

3 紅外背景場(chǎng)特征分析

3.1 背景場(chǎng)與季節(jié)關(guān)系分析

同一地物的亮溫與其溫度存在密切聯(lián)系，一個(gè)地區(qū)的溫度常隨著季節(jié)的改變而變化，本節(jié)將從季節(jié)的角度對(duì)紅外背景場(chǎng)開展分析。如圖2所示，在一年中，不同月份的紅外輻射值存在明顯的高低不同，11、12、1、2月研究區(qū)紅外輻射值相對(duì)較低，5—8月輻射值相對(duì)較高，其余月份輻射值介于兩者之間。1—7月，紅外輻射值大致為逐漸上升的過程，8—12月大致為逐漸下降的過程，紅外輻射背景場(chǎng)具有明顯的年變化特征，與季節(jié)的變化特征大體相符。

研究區(qū)內(nèi)存在兩種典型地形，一種是高海拔的青藏高原，一種是盆地等低海拔地區(qū)。高海拔的青藏高原地區(qū)，紅外輻射最高值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)在5月份(圖2中5月藍(lán)框)，而低海拔的四川盆地，紅外輻射高值時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)在8月份(圖2中8月藍(lán)框)，紅外輻射高值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)，兩個(gè)地區(qū)明顯不一樣。針對(duì)上述情況，選取高原地區(qū)和低海拔地區(qū)各兩個(gè)點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁乇尘皥?chǎng)，進(jìn)一步分析亮溫背景場(chǎng)的年變化特點(diǎn)以及與氣溫的關(guān)系。選取的高原地區(qū)兩個(gè)點(diǎn)為四川甘孜(海拔3 394 m)和西藏那曲(海拔4 508 m)，海拔較低的兩個(gè)點(diǎn)為四川溫江(海拔548 m)和甘肅榆中(海拔1 874 m)，其中溫江位于四川盆地內(nèi)。圖3為基于21 a數(shù)據(jù)計(jì)算得到的，四個(gè)點(diǎn)的紅外輻射亮溫和氣溫年變化背景場(chǎng)時(shí)序曲線。四川溫江[圖3(a)]和甘肅榆中[圖3(b)]的紅外亮溫與氣溫都存在明顯的年變化，亮溫和氣溫的同步性好，紅外輻射高值點(diǎn)和低值點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間與氣溫一致，紅外輻射在高值階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，大約3個(gè)月(5月初到8月初)。四川甘孜[圖3(c)]和西藏那曲[圖3(d)]的紅外輻射同樣存在明顯的高低年變化特征，但與氣溫的年變化趨勢(shì)不完全一致，氣溫的高值點(diǎn)出現(xiàn)在7月底8月初，而輻射的高值點(diǎn)出現(xiàn)在4月底5月初，紅外輻射高值點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間較氣溫提前了約3個(gè)月，且甘孜和那曲的紅外輻射在高值階段持續(xù)的時(shí)間比溫江和榆中兩個(gè)點(diǎn)短。

圖3 紅外亮溫與氣溫時(shí)間序列背景場(chǎng)曲線

通過紅外輻射背景場(chǎng)圖像和典型抽樣點(diǎn)位的數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，紅外輻射背景場(chǎng)具有明顯的穩(wěn)定年變化特征，但不同地區(qū)的紅外輻射變化趨勢(shì)具有自身的特點(diǎn)，不完全相同。另外，一些地區(qū)的紅外輻射變化趨勢(shì)與氣溫的變化趨勢(shì)也不完全一致。

3.2 背景場(chǎng)與緯度關(guān)系分析

由于一年中太陽(yáng)光入射角度的變化，地球上不同緯度地區(qū)在同一時(shí)間受太陽(yáng)影響后的地表溫度不一樣，同一地區(qū)在不同時(shí)間的地表溫度也不一樣，地表溫度是地表紅外輻射的一個(gè)重要影響因素，本節(jié)將從緯度的角度分析紅外輻射背景場(chǎng)特征。

選取如圖1(b)所示的沿經(jīng)度100°E和105°E的兩個(gè)剖面B-B′和C-C′作為研究對(duì)象。B-B′剖面穿過了高海拔的青藏高原，穿過了青藏高原以南和以北的低海拔地區(qū)，同時(shí)還穿過了青藏高原內(nèi)部水體類型的代表青海湖。C-C′剖面穿過了四川盆地以及盆地南北兩端相對(duì)高海拔的區(qū)域。所選兩個(gè)剖面既有高海拔的青藏高原，也有低海拔的盆地地區(qū)，具有典型代表性。

在B-B′剖面中[圖4(a)]，同一地區(qū)一年中紅外輻射具有明顯的季節(jié)性年變化特征，剖面1—12月的輻射曲線有規(guī)律地高低展布，但不同地區(qū)之間的輻射年變化幅度存在差異，從南到北，年變化幅度逐漸增大，圖像形態(tài)從左往右開口越來越大，成喇叭狀；在青海湖位置輻射值顯著低于周邊地區(qū)，圖像形態(tài)為非常明顯的凹形形態(tài)，這說明地物類型對(duì)紅外輻射有很大的影響。C-C′剖面[圖4(b)]與B-B′剖面[圖4(a)]類似，從南到北，季節(jié)性的年變化幅度逐漸增大，尤其是在32°N附近出了四川盆地后往北，年變化幅度加速增大。

圖4 紅外亮溫背景場(chǎng)經(jīng)度(100°E和105°E)剖面圖

兩個(gè)剖面的特征表明，紅外背景場(chǎng)具有明顯的緯度特征，越往北，紅外輻射的年變化幅度越大。緯度的影響在研究區(qū)紅外背景場(chǎng)圖像(圖2)中表現(xiàn)為，在一年中的輻射高值時(shí)段6—8月，高緯度地區(qū)的輻射值更高，在一年中的輻射低值時(shí)段12—次年1月，高緯度地區(qū)的輻射值更低。北邊輻射年變幅度比南邊大，這反映出在年變化過程中，北邊紅外輻射值上升和下降的速率比南邊都要大，在應(yīng)用過程中需要注意，相同幅度的變化在不同緯度地區(qū)代表的意義會(huì)有區(qū)別。

3.3 背景場(chǎng)與地形關(guān)系分析

研究區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，既有高低起伏劇烈的青藏高原，也有起伏平緩的盆地，本節(jié)將從地形角度分析背景場(chǎng)的特征及其與地形之間的關(guān)系。紅外背景場(chǎng)與緯度存在關(guān)系，為了減少緯度的影響，在分析背景場(chǎng)與地形之間的關(guān)系時(shí)選取同緯度(30°N)的A-A′剖面(圖1)進(jìn)行研究。

如圖1所示，A-A′剖面橫跨青藏高原和四川盆地，以經(jīng)度102.5°E附近為分界線(圖5紅虛線)，西邊為青藏高原，東邊為四川盆地。在青藏高原內(nèi)部[圖5(b)]，從90°E附近到95°E附近(B-C段)海拔逐漸升高，在位置C(95°E，30°N)附近聳立著兩座超過7 000 m的著名山峰南迦巴瓦峰(95.0°E，29.6°N，海拔7 782 m)和加拉白壘峰(95.0°E，29.8°N，海拔7 294 m)，從95°E附近往東至102.5°E附近(C-D段)，海拔高度逐漸降低。從102.5°E附近往東1度多的范圍內(nèi)(D-E段)，海拔高度發(fā)生劇烈變化，從海拔4 000 m以上的高原地區(qū)快速下降近3 000 m過渡到四川盆地，在四川盆地內(nèi)部(E-F段)，地形起伏變小，四川盆地邊緣往東(F-G段)，海拔高度再次上升，然后緩慢下降(G-H段)(表1)。剖面線上相應(yīng)的紅外輻射變化[圖5(a)]，B-C段趨勢(shì)下降，C-D段趨勢(shì)上升，D-E段趨勢(shì)上升，E-F段變化平穩(wěn)，F(xiàn)-G段趨勢(shì)下降，G-H段趨勢(shì)上升(表1)。

圖5 紅外亮溫背景場(chǎng)與高程的緯度(30°N)剖面圖

對(duì)比表1中A-A′剖面上高程和紅外輻射的變化可看出，紅外輻射受高程影響，紅外輻射與高程之

表1 A-A′剖面高程與紅外輻射變化統(tǒng)計(jì)表

間為負(fù)相關(guān)關(guān)系。另外，剖面上紅外輻射[圖5(a)]整體呈現(xiàn)出兩種截然不同的特點(diǎn)，西邊高原部分波動(dòng)劇烈，幅度大，東邊盆地部分波動(dòng)平緩，幅度小，這說明高原地形的大幅度劇烈變化對(duì)紅外輻射影響很大。從表1中分段的高程和紅外趨勢(shì)變化規(guī)律可推測(cè)，圖5(a)中高原地區(qū)輻射值大幅度波動(dòng)變化的地方很可能就是高程變化非常劇烈的地方。

4 結(jié)論與討論

以青藏高原東部為研究對(duì)象，從不同方面分析了衛(wèi)星紅外輻射背景場(chǎng)特征，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

(1)紅外背景場(chǎng)受季節(jié)影響，具有年變化季節(jié)特征，但不同地區(qū)的年變化趨勢(shì)不完全一樣。有些地區(qū)紅外和氣溫的變化趨勢(shì)大體一致，有些地區(qū)不完全一致，在高原地區(qū)兩者的不一致性體現(xiàn)得更明顯。

(2)紅外背景場(chǎng)受緯度影響，具有緯度特征。低緯度地區(qū)的輻射年變幅度小，高緯度地區(qū)的年變幅度大，從南往北，輻射年變化幅度逐漸增大。

(3)紅外背景場(chǎng)受地形影響，具有地形特征。紅外輻射值與海拔高度總體成負(fù)相關(guān)關(guān)系，海拔升高，紅外輻射值降低，海拔降低，紅外輻射值上升。在地形變化劇烈的青藏高原地區(qū)紅外輻射變化非常劇烈，在地形變化平緩的盆地地區(qū)紅外輻射變化平緩。

季節(jié)、緯度、地形以及地物類型對(duì)紅外輻射均有影響，圖2的紅外輻射月背景場(chǎng)是同時(shí)受到這幾個(gè)因素綜合影響的結(jié)果，并且在不同的地區(qū)，這幾個(gè)因素對(duì)紅外輻射背景場(chǎng)的影響程度也有差異，比如盆地地區(qū)，地形起伏對(duì)輻射場(chǎng)影響小，緯度和季節(jié)影響大。多種因素對(duì)紅外輻射場(chǎng)的綜合影響導(dǎo)致的最終結(jié)果就是，不同地區(qū)的輻射背景場(chǎng)絕對(duì)值差異非常大，只利用實(shí)際監(jiān)測(cè)的輻射值很難提取出有意義的異常變化。在紅外輻射地震異常提取前，可對(duì)實(shí)際紅外輻射觀測(cè)值做距平處理將輻射背景場(chǎng)予以扣除，以此來降低上述幾個(gè)因素對(duì)輻射值的背景性影響。需要特別注意的是，由于高緯度地區(qū)的紅外輻射年變幅度比低緯度地區(qū)大得多(圖4)，做距平處理后的紅外輻射殘差值，受緯度的影響仍很嚴(yán)重，高緯度地區(qū)的殘差絕對(duì)值總體會(huì)偏大，低緯度地區(qū)的殘差絕對(duì)值總體會(huì)偏小。對(duì)于緯度跨度較大的輻射距平空間圖像，高緯度地區(qū)往往表現(xiàn)出，在輻射上升時(shí)段經(jīng)常出現(xiàn)高值異常，在下降時(shí)段經(jīng)常出現(xiàn)低值異常，如果沒認(rèn)識(shí)到這是緯度的影響，會(huì)導(dǎo)致識(shí)別出很多不真實(shí)的異常變化。針對(duì)緯度對(duì)輻射距平值的影響，可進(jìn)一步對(duì)距平值做歸一化處理計(jì)算距平百分率得到相對(duì)變化幅度來加以消除。