鄒正波 李 輝 吳云龍 康開軒 吳桂桔

1) 中國武漢430071中國地震局地震研究所(地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)2) 中國武漢430079武漢大學(xué)測繪學(xué)院

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日本MW9.0地震震區(qū)及其周緣2002—2015年衛(wèi)星重力變化時(shí)空特征*

1) 中國武漢430071中國地震局地震研究所(地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)2) 中國武漢430079武漢大學(xué)測繪學(xué)院

本文在考慮全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)陸地水儲(chǔ)量變化影響后， 利用2002年4月—2015年4月GRACE衛(wèi)星RL05月重力場模型獲取了2011年日本MW9.0地震震中及其周邊區(qū)域的重力場信息； 然后給出了日本及其周邊2003—2015年的年度累積重力變化和差分重力變化， 并且利用經(jīng)驗(yàn)正態(tài)函數(shù)方法深入分析了該地震過程中同震重力變化對區(qū)域重力場的貢獻(xiàn)． 結(jié)果顯示： 日本MW9.0地震前研究區(qū)域出現(xiàn)了幅值高達(dá)2×10-8m/s2的異常重力變化， 其同震效應(yīng)的時(shí)間和空間特征均出現(xiàn)在第一模態(tài)， 且同震重力變化和震后區(qū)域重力場變化特征顯著， 這充分表明該地震對區(qū)域重力場的影響顯著．

GRACE 重力變化 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF) 日本MW9.0地震

引言

地震通過能量釋放及地球內(nèi)部與表面的永久形變和漸變形變， 能夠引起重力場數(shù)千千米的空間變化以及數(shù)秒至幾十年的時(shí)間變化(Hanetal, 2013)， 美德合作的GRACE(gravity recovery and climate experiment)重力衛(wèi)星可以觀測到巨大地震的重力場時(shí)間和空間變化． 該衛(wèi)星通過十余年高低跟蹤與低低跟蹤技術(shù)組合觀測， 為科學(xué)界提供了長期近連續(xù)的高精度時(shí)變地球重力場信息， 為研究大型板塊運(yùn)動(dòng)及其對地震孕育發(fā)生的影響提供了重要的科學(xué)觀測依據(jù)， 為研究地震過程中重力場的時(shí)間和空間演化奠定了基礎(chǔ) ．

目前相關(guān)研究已表明， GRACE衛(wèi)星能夠探測到大地震前重力場的時(shí)空變化， 已觀測到2004年蘇門達(dá)臘MW9.3和2011年日本MW9.0等地震的同震重力變化(Hanetal, 2011； Zhouetal, 2012； 鄒正波等， 2013； 張克亮等， 2014)． 2011年日本MW9.0地震發(fā)生在日本海溝底部， 與太平洋板塊、 北美板塊和歐亞板塊構(gòu)造活動(dòng)密切相關(guān)； 而且該震震級大， 處于中國大陸邊緣構(gòu)造帶上， 對中國大陸地震活動(dòng)的影響深遠(yuǎn)．

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法早期主要應(yīng)用于氣象氣候和海洋學(xué)， 后逐漸擴(kuò)展至地磁、 重力等領(lǐng)域． De Viron等(2008)首次將該方法應(yīng)用于衛(wèi)星重力地震研究領(lǐng)域， 給出了GRACE衛(wèi)星在現(xiàn)有精度下對地震的探測能力； Schmeer等(2012)利用該方法從GRACE月重力場中定量地分離出海洋、 大氣及陸地水對地球質(zhì)量變化的貢獻(xiàn)； 周江存等(2013)利用該方法對日本MW9.0地震進(jìn)行了研究， 但是由于當(dāng)時(shí)僅有震后兩個(gè)月的資料(2008年1月—2011年5月)， 未能提取出同震跳變以及與模型相對應(yīng)的沿?cái)鄬觾蓚?cè)的正負(fù)重力變化； 張克亮等(2014)基于2003年1月—2013年6月的GRACE數(shù)據(jù)采用最小二乘法和經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法， 提取了日本MW9.0地震震區(qū)及其周邊的同震變化特征， 并對其進(jìn)行了重點(diǎn)分析， 但未將陸地水儲(chǔ)量變化這一對非構(gòu)造重力變化影響較大的因素考慮在內(nèi)．

本文將在前人研究的基礎(chǔ)上， 選取更長時(shí)段(2002年4月—2015年4月)的衛(wèi)星資料， 在充分考慮陸地水儲(chǔ)量變化影響后， 對日本MW9.0地震震中及其周邊地區(qū)的時(shí)變重力場進(jìn)行計(jì)算分析， 給出區(qū)域長期累計(jì)重力變化和差分重力變化結(jié)果， 并利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)對區(qū)域重力場進(jìn)行時(shí)空分離， 以綜合分析該地震震前孕震、 同震釋放和震后調(diào)整對該區(qū)域的影響以及該地震對重力場變化的貢獻(xiàn)， 從而探查日本地震重力場演變的時(shí)間和空間特征．

1 數(shù)據(jù)

1.1 GRACE衛(wèi)星時(shí)變重力場模型數(shù)據(jù)

GRACE衛(wèi)星自2002年3月17日發(fā)射以來， 不斷對外發(fā)布產(chǎn)品， 其中應(yīng)用最廣泛的是月尺度球諧系數(shù)組成的重力場模型， 即月重力場模型． 本文采用美國德克薩斯大學(xué)空間研究中心發(fā)布的RL05月重力場模型， 該模型在處理過程中已扣除固體潮、 極潮、 大氣、 海洋等因素的影響． 選取2002年4月—2015年4月GRACE重力場模型對重力時(shí)空信號進(jìn)行分析， 其中2003年6月、 2011年1月和6月、 2012年5月和10月、 2013年3月和8—9月因缺乏關(guān)鍵有效載荷數(shù)據(jù)而無模型， 另外地震發(fā)生時(shí)段2011年3月的數(shù)據(jù)也一并剔除． 根據(jù)產(chǎn)品說明將模型中的C20替換為美國德克薩斯大學(xué)空間研究中心發(fā)布的由衛(wèi)星激光測距數(shù)據(jù)計(jì)算所得到的C20．

1.2 全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)陸地水?dāng)?shù)據(jù)

全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(global land data assimilation system， 簡寫為GLDAS)是由美國宇航局利用近實(shí)時(shí)地空觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)約束陸地表面的狀態(tài)， 采用數(shù)據(jù)同化技術(shù)， 提取陸地表面狀態(tài)及流量變量(如等效雪水、 土壤水濕度、 總植冠水、 降雨、 降雪、 蒸發(fā)、 徑流等)的全球水文模型之一， 其對外發(fā)布的陸地水模型最大時(shí)間分辨率為3小時(shí)， 空間分辨率為0.25°×0.25°(Rodelletal， 2004)． GRACE衛(wèi)星信號中的陸地水儲(chǔ)量變化對總質(zhì)量變化的影響顯著， 利用GLDAS的1°×1°月尺度產(chǎn)品可有效提取陸地水儲(chǔ)量變化(包括土壤水濕度、 雪水儲(chǔ)量和植冠表面水儲(chǔ)量)的影響， 有助于分析GRACE結(jié)果中構(gòu)造因素對重力場的影響．

2 重力時(shí)變信號提取

2.1 重力變化參數(shù)選取

重力變化可用重力擾動(dòng)δg和重力異常Δg來表示． 前者為任意點(diǎn)P的實(shí)測重力值gP與該點(diǎn)正常重力值γP之差， 即δg=gP-γP； 后者為P點(diǎn)的實(shí)測重力gP與該點(diǎn)對應(yīng)的正常橢球面上Q點(diǎn)的正常重力值γQ之差， 即Δg=gP-γQ． 兩者之間存在如下關(guān)系(Hofmann-Wellenhof, Moritz, 2005)：

(1)

其球諧表達(dá)式分別為

(2)

(3)

考慮到重力擾動(dòng)表征的是測點(diǎn)自身的重力觀測值與該點(diǎn)的正常重力之差， 易于與其它觀測資料如斷層模型模擬的重力變化比較. 由式(1)—(3)可以看出， 重力擾動(dòng)與重力異常相比存在一個(gè)(n+1)/(n-1)的比例因子， 且該值越大， 越容易從衛(wèi)星微小信號中提取異常變化， 故本文選取重力擾動(dòng)這一參數(shù)來表征重力時(shí)變特征．

2.2 GRACE重力時(shí)變信號提取

為有效減小重力變化中明顯的非地球物理信號性南北向異常條帶的影響， 避免去相關(guān)處理所造成的誤差， 本文采用扇形濾波技術(shù)(Zhangetal, 2009)來處理異常條帶， 并選取統(tǒng)一基準(zhǔn)作為背景場， 計(jì)算GRACE月重力擾動(dòng)δgGm為

(4)

式中,W為高斯濾波，rfan為扇形濾波的平滑半徑．

本文選取GRACE平均月重力場模型作為背景場， 利用式(4)計(jì)算其重力變化δgGb, 由此得到便于解釋的GRACE重力變化dgGRACE為

(5)

2.3 GLDAS陸地水重力時(shí)變信號提取

陸地水儲(chǔ)量變化是GRACE信號中最重要的非構(gòu)造因素之一， 可利用模型定量地研究其與地震相關(guān)的重力變化． 本文利用GLDAS的1°×1°產(chǎn)品， 綜合土壤水濕度、 雪水儲(chǔ)量和植冠表面水儲(chǔ)量等提取陸地水儲(chǔ)量． 由于任意三維函數(shù)均可用球函數(shù)表示(郭俊義， 1994)， 因此由陸地水儲(chǔ)量變化可得到與之對應(yīng)的球諧系數(shù)為(Wahretal, 1998)

(6)

將解算得到的球諧系數(shù)代入式(4)—(5)即可得到相應(yīng)的由陸地水儲(chǔ)量變化引起的重力變化． 與1°×1°水文模型對應(yīng)的重力場模型球諧系數(shù)最大階次為180， 而GRACE重力場模型對應(yīng)的最大階次為60， 其分辨率為3°×3°． 為便于與GRACE結(jié)果比較， 本文選取60階次的球諧系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和后續(xù)討論．

以2011年3月的GLDAS陸地水儲(chǔ)量變化向重力變化轉(zhuǎn)化為例， 給出利用GLDAS提取重力變化信號的過程. 首先， 對原始信號(圖1a)利用式(6)進(jìn)行球諧處理， 結(jié)合式(2)得到等空間分辨率的重力信號(圖1b); 然后， 對球諧系數(shù)60階截?cái)嗪螅?利用式(2)取得與GRACE結(jié)果空間分辨率相當(dāng)?shù)闹亓π盘?圖1c)； 最后， 在此基礎(chǔ)上利用300 km扇形濾波[式(4)]處理后得到可以與GRACE結(jié)果比較的重力信號(圖1d). 比較圖1a--c與圖1d可知， GLDAS數(shù)據(jù)處理雖然使原始信號的振幅減小， 空間分辨率降低； 但仍能有效地捕捉到高頻信號的影響， 為更好地分析GRACE重力變化的原因提供了有力的支持．

2.4 扣除陸地水儲(chǔ)量影響的重力時(shí)變信號提取

利用2.3節(jié)所述方法提取與GRACE觀測時(shí)間匹配的陸地水儲(chǔ)量引起的重力變化dgGLDAS， 結(jié)合GRACE衛(wèi)星重力變化dgGRACE， 可得到研究區(qū)域內(nèi)非陸地水儲(chǔ)量因素引起的重力變化dg=dgGRACE-dgGLDAS． 下面以2011年3月地震發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算， 以分析采用GLDAS數(shù)據(jù)對GRACE重力變化結(jié)果的影響．

圖1 由GLDAS陸地水儲(chǔ)量變化到重力變化(dgGLDAS)的轉(zhuǎn)換過程處理

圖2給出了2011年3月由GRACE觀測到的重力變化, 由陸地水儲(chǔ)量引起的重力變化， 以及扣除陸地水儲(chǔ)量變化這一非構(gòu)造性因素影響得到的重力變化． 可以看出： GRACE衛(wèi)星觀測到震區(qū)兩側(cè)呈明顯的正負(fù)異常， 日本海附近重力減少， 其變化幅值最大為-5×10-8m/s2； 震中東南局部重力增加， 增幅小于4×10-8m/s2(圖2a)； 而陸地水信號并未出現(xiàn)相關(guān)響應(yīng)， 僅在中國東北及俄羅斯邊界區(qū)域出現(xiàn)了重力增加(圖2b)； 扣除陸地水影響后， 在日本島兩側(cè)出現(xiàn)了以“負(fù)—正”為主要特征的重力變化結(jié)果(圖2c)， 更有利于研究地震等構(gòu)造因素對區(qū)域重力場的影響．

2.5 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法提取區(qū)域重力時(shí)空變化

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function, 簡寫為EOF)方法， 也稱為主分量分析方法, 是利用數(shù)學(xué)手段提取物理場主要特征的一種重要方法． 該方法主要利用數(shù)據(jù)集的方差貢獻(xiàn)來識(shí)別和強(qiáng)化信號的相似性， 通過將隨時(shí)間變化的地球物理場分解為不隨時(shí)間變化的空間部分和不隨空間變化的時(shí)間部分， 從而有效實(shí)現(xiàn)時(shí)空信號的分離．

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法是通過對觀測矩陣Y進(jìn)行分解實(shí)現(xiàn)的.Y為扣除平均背景場后的重力場時(shí)空變化， 大小為n×p， 其中n為觀測值的個(gè)數(shù)(即格網(wǎng)點(diǎn)數(shù))， p為觀測值的時(shí)間長度． 對時(shí)空相關(guān)觀測矩陣Y進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解， 使之滿足

圖2 2011年3月區(qū)域重力場變化

(7)

式中：E是由Y的n×n信號協(xié)方差矩陣C=YYT/p的特征向量組成的矩陣；C=EΛE′， 其中Λ為包含C矩陣n個(gè)特征值的對角矩陣， 且特征值按從大到小的順序排列；D=ETY與表征時(shí)間的主分量(時(shí)間系數(shù))對應(yīng)．

這樣， 通過經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解可將觀測場Y分離為不隨時(shí)間變化的空間特征矩陣E和不隨空間變化的時(shí)間特征矩陣D． 因此， 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解可以理解為對矩陣Y按照新的正交基(E)進(jìn)行重新投影， 使之表征為空間函數(shù)與時(shí)間函數(shù)的線性組合．

3 累計(jì)重力變化和差分重力變化結(jié)果

通過GRACE衛(wèi)星長期對地重復(fù)觀測， 高效獲取了全球地球重力場的時(shí)空變化， 為本文研究區(qū)域重力場模型的重力變化提供了可靠的資料． 然而GRACE觀測到的重力變化是包括地震在內(nèi)的多種地球物理過程的綜合效應(yīng)， 因此分析日本MW9.0地震震中及其周邊區(qū)域重力場時(shí)空變化特征時(shí)， 需認(rèn)真分析各因素的影響． Matsuo和Heki(2011)認(rèn)為研究區(qū)域陸地水的季節(jié)影響和年季水變化(主要是冬季雪)影響是除地震外的最重要因素， 因此本文利用GLDAS數(shù)據(jù)扣除上述兩種因素的影響， 便于后續(xù)分析區(qū)域重力場與地震的關(guān)系．

圖3和圖4分別給出了日本震區(qū)周邊(30°N—50°N, 125°E—160°E)2003—2014年扣除背景性周期性信號影響后的累積重力變化和差分重力變化. 圖中年度重力變化均基于當(dāng)年3月至第二年2月的數(shù)據(jù)， 其中2011年重力變化扣除了地震發(fā)生月份(3月)的數(shù)據(jù)． 可以看出， 日本地震震區(qū)及其周邊區(qū)域重力場變化的時(shí)空演變具有以下特征：

圖3 2003—2014年日本地震震區(qū)及其周邊區(qū)域地震前(a--h)、 后(i--l)的累積重力變化

圖4 2003—2014年日本地震震區(qū)及其周邊區(qū)域的差分重力變化

1) 研究區(qū)域范圍內(nèi)的重力基本在-1×10-8—1×10-8m/s2內(nèi)波動(dòng)， 尤其是2003—2008年重力變化相對較小， 自2009年起重力變化出現(xiàn)高于1×10-8m/s2的異常波動(dòng)， 并持續(xù)增加． 從累計(jì)重力變化(圖3)可以看出, 2011年后重力變化基本被地震同震信號類似的特征控制， 而差分重力變化(圖4)也在2011年后呈現(xiàn)截然不同的特征． 引起重力變化的原因一般與地球物理事件相關(guān)， 而GRACE重力變化主要源于陸地水儲(chǔ)量和地下水的變化以及冰后回彈、 板塊運(yùn)動(dòng)、 地震等； 本文中陸地水儲(chǔ)量變化已經(jīng)從結(jié)果中扣除， 日本及其周邊區(qū)域2008—2011年并未發(fā)生除MW9.0地震以外的重大事件(Matsuo, Heki, 2011)， 由此可推測區(qū)域重力場變化與板塊運(yùn)動(dòng)及地震具有相關(guān)性．

2) 日本地震震源區(qū)及其周緣震前重力呈現(xiàn)異常變化， 在累積重力變化結(jié)果中尤其明顯． 從2009年起中國東北、 朝鮮半島以東及日本海以西區(qū)域出現(xiàn)大范圍的重力增加， 2010年重力增幅有所減弱， 并向日本島遷移， 直至2011年發(fā)生日本MW9.0地震．

3) 日本MW9.0地震的同震效應(yīng)對區(qū)域重力場影響顯著． 由2003—2014年累計(jì)變化結(jié)果(圖3)可以看出， 該地震發(fā)生前后重力變化的空間分布特征存在顯著差異， 相對于震前， 震后累積重力(圖3i--l)的空間分布與同震重力變化(圖4h)特征基本一致， 說明區(qū)域重力場變化特征以MW9.0同震變化為主． 從差分重力變化(圖4i--k)可以看出， 震后震區(qū)重力開始增加， 但增加幅度及位置有所差異．

4) 震后重力場出現(xiàn)明顯調(diào)整． 由2012年相對于2011年的震后重力差分結(jié)果(圖4i)及2012年累積重力變化(圖3j)可以看出， 該地震所造成的斷層以東區(qū)域重力負(fù)變化已經(jīng)開始有所補(bǔ)償， 且持續(xù)至2014年(圖3l， 4k)， 而在日本島以西震中所在區(qū)域的重力仍在增加.

上述重力場變化特征均為研究日本MW9.0地震震后區(qū)域重力場調(diào)整及其動(dòng)態(tài)演變過程提供了寶貴的觀測證據(jù)， 可用于后續(xù)黏滯系數(shù)等地球參數(shù)的反演．

4 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法提取的重力時(shí)間變化結(jié)果

針對2002年4月—2015年4月GRACE衛(wèi)星重力時(shí)變結(jié)果， 選擇不同的時(shí)間長度對衛(wèi)星重力資料進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解， 形成5個(gè)方案． 通過分析各方案的時(shí)變重力場空間分布特征， 給出各主分量所表征的物理事件對區(qū)域重力場的貢獻(xiàn)， 以揭示MW9.0地震對區(qū)域重力場的影響． 雖然經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法在提取數(shù)據(jù)集主要信號方面具有優(yōu)勢， 但其各主分量未必具有明確的物理含義， 且對結(jié)果的物理解釋需要相應(yīng)的先驗(yàn)條件． 本文研究區(qū)域的先驗(yàn)信息物理解釋依據(jù)主要來源于： ① 位錯(cuò)模型模擬的理論同震重力場變化(Zhouetal， 2012； 鄒正波等， 2013； 張克亮等， 2014)； ② GRACE觀測到的區(qū)域時(shí)變重力場(圖3， 4)． 此外, 重力變化在時(shí)間分布上是否存在同震跳變以及在空間分布上是否存在與同震變化相似的特征， 也是為經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)結(jié)果提供合理物理解釋的重要依據(jù)．

表1列出了不同方案的前7個(gè)主分量方差的貢獻(xiàn). 可以看出： 第一主分量的方差貢獻(xiàn)百分比最大， 基本為27%—36%； 第二主分量有所減少， 為16%—18%； 第三主分量則為10%—12%， 因此前3個(gè)主分量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)達(dá)到55%—72%， 前兩個(gè)主分量的累積方差貢獻(xiàn)為45%—52%． 比較5套方案可知， 5種時(shí)間方案的方差貢獻(xiàn)差異并不大， 相對而言

表1 不同方案的前7個(gè)主分量方差貢獻(xiàn)

最長時(shí)段的方案1信號相對不集中． 雖然各方案選取的時(shí)間長度不同， 但經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解后的時(shí)空變化特征顯示各主分量表征的物理含義基本相同， 故本文選取時(shí)間相對較長的方案2即地震前后4年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．

4.1 重力場時(shí)間變化特征

通過分析各主分量(即時(shí)間系數(shù))能夠獲取重力場隨時(shí)間變化的規(guī)律． 圖5給出了方案2(2007年3月—2015年3月)的重力場時(shí)間變化， 可以看出： 第一時(shí)間系數(shù)振幅最大， 為-80—100， 存在顯著的同震跳變， 地震前后變化率差異顯著； 第二時(shí)間系數(shù)存在明顯的周期性變化特征， 地震前后一年出現(xiàn)劇烈變化， 震前增加， 震后減小， 發(fā)震時(shí)刻變化量達(dá)到最大； 第三時(shí)間系數(shù)的幅值則較小， 為-40—60， 僅2015年后期數(shù)據(jù)出現(xiàn)擾動(dòng). 總體看來， 日本地震前(2008年下半年開始)時(shí)間系數(shù)出現(xiàn)明顯的趨勢性增加， 震前一年(2010年)該值減小， 這與唐山地震前的重力變化情況相一致(李瑞浩， 1997)．

圖5 采用方案2所得到的研究區(qū)域前3個(gè)時(shí)間系數(shù)的時(shí)間變化

圖6 研究區(qū)域經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)的前3個(gè)空間特征向量場

4.2 重力場空間變化特征

圖6給出了利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法所得到的前3個(gè)主分量的空間特征場， 可以看出: 第一空間特征場(圖6a) 區(qū)域幾乎以發(fā)震斷層為界分成東西兩部分， 日本海出現(xiàn)范圍較小的重力場負(fù)變化， 正變化區(qū)則相對較大； 第二空間特征場(圖6b)顯示研究區(qū)域重力場基本為負(fù)， 說明重力場變化特征一致， 即重力均增加或減小， 結(jié)合圖3和圖4， 可知其變化與震前(日本島以東)、 震后(集中在本州島及周邊)的重力異常變化密不可分； 第三空間特征場(圖6c)的空間分布呈正—負(fù)—正—負(fù)的特點(diǎn)， 震區(qū)最東側(cè)正變化依然顯著， 說明該特征場仍然可能包含同震及震前信號， 且出現(xiàn)了一定的南北向條帶異常， 證實(shí)了經(jīng)驗(yàn)正交方法也可以扣除GRACE的噪聲， 即將南北向條帶異常留在相對貢獻(xiàn)較小的第三分量．

5 討論與結(jié)論

基于2002年4月—2015年4月GRACE衛(wèi)星的長期重力變化資料， 扣除全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)陸地水儲(chǔ)量變化的影響， 得到了日本MW9.0地震震區(qū)及其周邊的累積重力變化和差分重力變化． 利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法從海量時(shí)空數(shù)據(jù)中有效地分離出時(shí)間空間信號的物理意義不明確的特征， 以位錯(cuò)模型模擬所得的同震信號及區(qū)域累積重力變化和差分重力變化作為先驗(yàn)信息， 獲取了區(qū)域重力場的空間和時(shí)間演變特征．

基于經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法的區(qū)域重力場結(jié)果顯示， 重力時(shí)空變化的第一主分量與日本MW9.0地震的同震重力變化相關(guān)性強(qiáng)， 即時(shí)間系數(shù)第一主分量變化幅度大且出現(xiàn)同震跳變， 空間場第一主分量出現(xiàn)與理論模擬結(jié)果類似的近垂直斷層方向的由負(fù)到正的重力變化． 這說明日本地震對該區(qū)域重力變化信號的貢獻(xiàn)顯著， 其在GRACE衛(wèi)星2002—2015年長達(dá)13年的觀測結(jié)果中的貢獻(xiàn)為27%， 在地震前后1—4年的重力場信號中其貢獻(xiàn)更大， 可達(dá)34%—36%, 充分體現(xiàn)了地震對區(qū)域重力場所造成的顯著影響．

本研究進(jìn)一步證實(shí)了日本地震在造成區(qū)域重力場變化的諸多因素(氣象、 水文及構(gòu)造等)中起主導(dǎo)作用． 但是， 本文利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法分析所得結(jié)果的前3個(gè)主分量僅能解釋約50%的區(qū)域重力場信號， 下一步將考慮利用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)等方法使地震相關(guān)重力信號更加集中， 以最少主分量提取最佳地震重力場時(shí)空變化信息．

感謝審稿專家對本文提出的寶貴意見．

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Spatial and temporal characteristics of long-term satellite gravity change in the epicenter ofMW9.0 Japan earthquake and its surrounding regions

1)KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy,InstituteofSeismology,Wuhan430071,China2)SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China

Considering the contribution of terrestrial water storage from global land data assimilation system to gravity changes, we use the temporal gravity filed models of GRACE from April 2002 to April 2015 to calculate regional gravity changes in the epicenter ofMW9.0 Japan earthquake and its surrounding regions. Then we present annual accumulated gravity changes, differential gravity changes and co-seismic gravity changes in theMW9.0 source region and its surrounding regions. Meanwhile empirical orthogonal function method is applied to study the contribution of the earthquake to regional gravity changes. The results show that GRACE is able to reveal the evolution of regional gravity field accompanied with theMW9.0 earthquake, the gravity changes reached about 2×10-8m/s2in the studied area three years before theMW9.0 earthquake. Furthermore, the change in coseismic gravity and post-seismic regional gravity field are significant. The results from empirical orthogonal function method indicate that the coseismic effect with temporal and spatial gravity characteristics are presented in the first mode, which fully demonstrates that the Japan earthquake had significant influence on the regional gravity field.

GRACE; gravity change; empirical orthogonal function;MW9.0 Japan earthquake

中國地震局地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201308009， IS201116022， IS201326126)、 國家自然科學(xué)基金(4143000136， 41304018， 40704009)和中國地震局地震科技星火計(jì)劃(XH14036)共同資助.

2015-10-23收到初稿， 2016-01-25決定采用修改稿.

e-mail: lihuieq@163.com

10.11939/jass.2016.03.009

P315.72+6

A

鄒正波， 李輝， 吳云龍， 康開軒， 吳桂桔. 2016. 日本MW9.0地震震區(qū)及其周緣2002—2015年衛(wèi)星重力變化時(shí)空特征. 地震學(xué)報(bào), 38(3): 417--428. doi:10.11939/jass.2016.03.009.

Zou Z B, Li H, Wu Y L, Kang K X, Wu G J. 2016. Spatial and temporal characteristics of long-term satellite gravity change in the epicenter ofMW9.0 Japan earthquake and its surrounding regions.ActaSeismologicaSinica, 38(3): 417--428. doi:10.11939/jass.2016.03.009.