2018年青海称多MS5.3地震前热红外亮温异常分析及预测回顾

张丽峰, 孙玺皓, 马茹莹, 赵玉红, 胡维云

(1. 青海格尔木青藏高原内部地球动力学野外科学观测研究站, 青海 西宁 810001;2. 青海省地震局, 青海 西宁 810001)

卫星热红外遥感资料用于地震研究起始于20世纪80年代,由于资料获取不受地面条件限制、观测范围大、具有动态连续性,因此在地震研究及预测预报中得到了快速的发展和应用。地震热辐射的研究可以概括分为3类:(1)国内外关于某一地震或几次地震前的热辐射研究证实了一些地震前确实存在热辐射异常,并总结了异常特征[1-8];(2)关于地震热辐射异常机理的探索研究,主要有地球放气-电磁增温说、应变能转换说、地球温室效应-大气耦合说等观点[9-12],但目前尚未形成统一认识;(3)关于地震热辐射异常提取方法的研究和应用,如RST(Robust Satellite Techniques)方法、断层带内外温差法、涡度背景场法、连续小波变换法等,这些方法在提取1997年意大利翁布里亚MW5.6地震,2008年汶川MS8.0地震等地震前的热辐射异常中得到了应用[13-16]。近年来地震热辐射异常研究也取得了一定进展,如孙珂等[17]基于中国静止卫星FY-2D和美国极轨卫星NOAA数据分析了尼泊尔地震的长波辐射特征,提出了红外异常指数算法,为实现多轨道卫星数据监测与地震相关的热辐射变化提供了依据;魏从信等[18]利用气象卫星风云二号亮温数据分析了日本MW9.1地震对区域热辐射背景场的时频影响;Natarajan等[19-20]利用射出长波辐射(OLR)资料并结合跨学科数据研究了一些地震前的异常变化,这些异常得到了相互支撑和印证,并且从机理层面作了更深入的解释;路茜等[21]利用MODIS/Terra卫星红外数据对川滇地区中强震前的热辐射异常进行了系统的研究。这些研究均为卫星红外遥感资料用于地震预测预报提供了有利价值。

张元生等[12]在2010年提出了小波变换和功率谱估计法来提取地震前的热辐射异常。该方法主要是针对5.5级以上地震的研究[22-24],也有学者利用此方法对5级左右地震进行过研究:张璇等[25]研究了2012年金塔5.4级地震及2016年金塔4.7级地震的热辐射异常;惠少兴等[26]对2017年四川青川5.4级和甘肃临潭4.3级地震的热红外异常进行了研究;2016年12月西藏聂荣5.1级地震前也有明显的热异常显示[27]。这些5级左右地震前亦能观察到显著的红外异常,说明不同区域的地质和大气环境对热辐射的敏感程度也不同。作者利用上述方法跟踪青海地区的热红外亮温资料,在2018年5月6日称多5.3级地震前提出异常并以分析报告的形式提交于中国地震分析预报网。本文则是对该地震前的亮温异常进行梳理与回顾,为该地区的地震预测积累一定经验。

据中国地震台网测定,2018年5月5日0时37分,青海省称多县发生MS4.8地震,震中为34.55°N、96.6°E,震源深度8 km,次日17时23分称多县又发生了MS5.3地震,震中为34.56°N、96.53°E(图1),震源深度9 km。两次地震的震中相差约为6 km,震级相差为0.5级,依据蒋海昆等[28]对序列类型分类的研究，这两次地震属于双震型地震,故文中将这两次地震简称为称多地震。称多地震位于巴颜喀拉块体内部,块体内的断裂整体表现为NWW向的走滑断裂,主要受印度板块与欧亚板块的持续碰撞挤压形成[29]。称多地震的震源机制解为走滑型,发震断层为巴彦喀喇山主峰断裂,重定位后的余震序列为近EW向展布[30]。

图1 震中及断层分布图Fig.1 Distribution of epicenters and faults

本文使用的数据来源于中国静止气象卫星FY-2C/E/G星。FY-2系列的第一颗业务卫星为FY-2C,于2004年10月19日发射,定点于距地面35 000 km、105°E赤道上空,星下点分辨率为5 km。FY-2C于2005年6月正式提供数据服务,FY-2E于2009年11月25日替代FY-2C业务,FY-2G于2015年6月3日替代FY-2E业务。FY-2系列业务卫星的有效载荷为红外和可见光自旋扫描辐射仪,其中红外波段有4个通道,2通道的波段范围为11.5～12.5 um。红外波段数据经辐射定标和几何校正得到辐射出射度,利用某一波段的黑体辐射公式可获得辐射出射度与温度的对应关系表,查表可得相应辐射出射度的黑体温度,称为亮温。卫星每1 h或30 min对地球约三分之一的面积进行观测,每天至少观测24次,有9 210格式和标称格式的日、候、旬、月平均亮温等多类数据产品。文中所选数据为标称格式1小时亮温数据,分辨率为0.05°×0.05°,精度高于极轨气象卫星,具有时间和地点可比性等优点。为了避免太阳辐射的直接影响,一般选取午夜多个时次(北京时间01:00—05:00)的亮温数据,自编程序提取5°～50°N、55°～150°E范围内的数据。在数据进行入库时,利用补窗法对数据进行简单的去云处理,对5个时次的数据求均值得到每个像元的亮温日值。

地表热辐射的影响因素较多,大致可以分为两类,一类与地震及构造活动等因素有关,一类与气象、固有温度场等因素有关。前者的信号变化微弱、难以分离,后者可依据其具有不同的周期来有效去除。小波变换能将混合在一起的多种频率成分组成的复杂时间序列分解为各种频率子序列,本文采用Daubechies(dbN)小波系中的db8小波基对亮温资料进行小波变换处理。结果显示7阶小波低频部分具有明显的年变特征,因此地球基本温度场和年变温度场等长周期的影响可通过减去7阶小波低频部分来去除,短时的气象变换如云雨和极端天气可通过2阶小波高频部分去除。实际处理为2阶低频信息减去7阶低频信息,处理之后的数据为正负相间的亮温数据,这部分数据包含了与地震相关的信息。对小波处理之后的数据进行傅里叶变换并求其功率谱,可获得每个像元不同时频的功率谱,具体处理为以64天为窗长,1天为滑动窗长作傅氏变换。因为多数震例的异常持续时间为10～90天[31],所以计算了6个频率,对应的中心频率分别为64、32、21、16、13、11天。为了减少海拔、地物等因素的差异造成的影响,对功率谱作了幅值相对处理,对每个像元的相对功率谱进行全频段全时空扫描,可发现异常出现时间及分布区域。

利用小波变换和功率谱估计法对中国静止气象卫星亮温资料持续跟踪发现,2018年2月中旬亮温相对功率谱3频(中心频率21天)资料在青海玉树藏族自治州的治多、杂多县境内出现了小区域异常。随时间的演化,异常以出现区域为中心向东西两侧呈条带状延展,条带逐渐加宽,至3月8日左右面积达到最大,约为9万km2。东西向展布的异常与区内巴彦喀喇山主峰断裂等NWW走向的断层有一定相似性。3月中旬异常开始明显收缩,收缩过程与增强过程方向相反,3月底其形态、位置与2月中旬相似。异常整体分布集中,幅度高,持续时间约为2个月。限于篇幅,图2以3天、5天、7天为间隔选取了12副相对功率谱日值图,展示了异常出现、东西向扩展并增强、反方向收缩并减弱、消失的演变过程。选取热辐射较强区域(33.0°～33.5°N,95.0°～95.5°E),研究其近4年数据的相对功率谱曲线变化,发现在2018年3月初相对功率谱达到峰值,峰值为平均值的13.5倍,相对功率谱大于平均值6倍的持续时间为41天。该地区在称多地震前后几年均无5级以上地震发生,在时序曲线上也反映出了除称多地震以外的其他时段相对平静的特征(图3)。2018年称多5.3级地震与该异常的时空关系为:在空间上地震发生在异常区边缘不到100 km处;在时间上地震发生在相对功率谱达到峰值之后的58天。

图2 称多地震前亮温异常演化图Fig.2 Evolution of brightness temperature anomalies before Chenduo earthquake

在2018年称多5.3级地震发生之前,对上述异常就有了一定认识。首先分析了该异常是否为地震异常,主要依据为总结以往震例所表现出的特征,即相对功率谱幅值在平均值的6倍以上、持续时间为一个月左右、与构造有一定的相关性,本次异常满足上述条件。其次为判定异常的可靠度,作者分析了青海地区长时间(2006—2017年)各频率异常与5级以上地震的对应关系,认为3频和5频资料的对应率较高,异常满足优势频率条件。对比异常区近年的相对功率谱资料发现,该区无热辐射异常,相应的也没有5级以上地震发生,在时序曲线上也表现出相对功率谱幅值较低的特征。综合判定该异常有一定的可靠性,因此在青海省地震局地震趋势会商中重点提出该异常并于2018年3月28日完成异常分析报告提交于中国地震分析预报网(1)青海省地震局.青海地区近期热红外异常分析报告.2018.。依据大量震例与异常之间的时空关系以及对青海地区大量异常的分析,在异常分析报告中给出了这样的结论:异常有一定的可靠度,对应发生地震的概率为56%,预测震级为5.5级左右,时间为3月初到6月初,地点为异常区内及其边缘附近。目标地震即2018年称多5.3级地震发生在异常区北部不到100 km处,震级和时间都在预测范围之内。

图3 称多地震热辐射异常相对功率谱时序曲线Fig.3 Relative power spectrum curve of thermal infrared anomaly for Chenduo earthquake

4.1 讨论

大量的震例研究表明一般5.5级以上地震有明显的热红外亮温异常[22-24],也有一些5级左右地震在震前出现了热辐射异常[25-27],这说明受地理环境、气候、构造等因素的影响不同地区的地震对热辐射的敏感程度不同。称多地震位于青藏高原东缘的巴颜喀拉块体内部,属于独特的高原气候。称多地震的震级偏低,但在震前的资料跟踪过程中确实有明显的亮温异常出现,为了对本次异常有更加全面的认识,选取称多地震周围震级相当的地震,研究其亮温异常情况。为了尽可能地降低构造和气候环境造成的影响,选取2006年以来称多地震160 km范围位于巴颜喀拉块体内部的地震作为研究对象,选择2006年以来的地震主要是为了和热红外数据的有效使用时间保持一致。满足上述条件的地震事件有两次,分别为2006年3月30日青海格尔木MS5.2地震及2015年10月12日青海玛多MS5.2地震(图1),这两次地震的相关参数列于表1。

表1 地震相关参数表

分别选取两次地震震中约500 km的区域,分析地震前四个月每个频率对应的相对功率谱资料,结果显示两次地震前均未出现明显的热辐射异常(图4)。对比分析3次地震的相关参数:地震均发生在巴颜喀拉块体内部,所处动力学环境一致,震中附近或发震断层均为NWW向的左旋走滑断裂,震源机制解均为走滑型[32];地震发生区域平均海拔为4 500 m,气温低、冬季长、夏季短,所属的气候环境具有相似性,发震时间均为高原上较为寒冷的时段;地震均属于浅源地震,前2次地震分别为主余型和孤立型,称多地震为双震型;前2次地震无热辐射异常而称多地震在震前表现出了明显的热辐射异常。综合上述多方面的分析,在所处动力环境等一致的条件下,只有地震类型不一致。双震型地震在孕震、发震过程中与其他类型地震的能量分配方式不同,一般双震型地震的热辐射异常现象较为突出[33],此次称多地震前出现热红外亮温异常可能与其是双震型地震有关。

4.2 结论

本文以卫星热红外亮温资料为数据基础,以小波变换和功率谱估计为研究方法,分析了2018年称多5.3级地震前的热辐射异常,并回顾了整个预测过程,得出以下几点认识:

(1) 称多地震前的热红外亮温异常的演变表现为出现、增强、减弱、消失4个阶段,异常呈条带状分布且与断层走向基本一致。该地区在称多地震前后几年均无5级以上地震发生,在时序曲线上也反映出了除称多地震以外的其他时段相对平静的特征。

(2) 描述异常的一些特征参数为特征周期21天、相对功率谱峰值13.5倍、地震发生在峰值后58天、相对功率谱大于6倍的持续时间41天,均在以往震例研究结果的参考范围内。

图4 2006年格尔木地震与2015年玛多地震前的热辐射演化图Fig.4 Evolution of thermal infrared anomalies before Golmud earthquake in 2006 and Maduo earthquake in 2015

(3) 在称多地震前通过对本次异常的综合分析认为其是地震异常的可能性较大,并给出了预测意见,目标地震发生的时、空、强三要素均与预测意见相吻合。回顾2018年称多地震的预测过程可总结为分析-判定-预测-检验4个阶段,可为区域震情判定提供新的经验。

(4) 类比同地区其他震级相当地震的热辐射变化情况,结果发现称多地震前出现热辐射异常可能与其是双震型地震有关。

致谢:感谢张元生研究员提供了热红外数据分析计算软件。

猜你喜欢亮温热辐射红外网红外卖环球时报(2022-05-23)2022-05-23霰谱分布特征对强对流云高频微波亮温影响的模拟研究大气科学学报(2022年2期)2022-05-12聚乙烯储肥罐滚塑成型模具热辐射温度响应农业工程学报(2022年1期)2022-03-25闪亮的中国红外『芯』金桥(2021年4期)2021-05-21热辐射的危害水上消防(2020年5期)2020-12-14基于南太平洋的AMSR2 L1R亮温数据质量评估海洋通报(2020年2期)2020-09-04TS系列红外传感器在嵌入式控制系统中的应用电子制作(2019年7期)2019-04-25不同水系统阻隔热辐射研究进展中国人民警察大学学报(2017年2期)2017-04-08基于快速递推模糊2-划分熵图割的红外图像分割光学精密工程(2016年3期)2016-11-072014年2月12日新疆于田MS7.3地震热红外亮温异常分析中国地震(2015年1期)2015-11-08

推荐访问:称多 年青 地震