格 根，梁沙沙，裴東洋，阿娜爾

（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

衛(wèi)星遙感技術(shù)具有瞬時(shí)探測(cè)大范圍近地空間熱紅外異常的動(dòng)態(tài)變化，具有比常規(guī)地表定點(diǎn)測(cè)量手段無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[1]。自1988年，前蘇聯(lián)學(xué)者Gorny等分析1984年加茲利MS7.1地震前出現(xiàn)的顯著熱紅外亮溫異常之后，衛(wèi)星熱異常的震兆研究已經(jīng)成為地震學(xué)界的一種熱點(diǎn)[2-5]。由于熱紅外輻射容易受到復(fù)雜的大氣干擾、地表層熱狀況、地物輻射等影響，直接利用紅外輻射無(wú)法準(zhǔn)確獲得與地震有關(guān)的異常變化，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一些有效的數(shù)據(jù)處理方法，并應(yīng)用到震例總結(jié)和地震預(yù)測(cè)當(dāng)中。張?jiān)忍岢龅碾p通道多時(shí)相反演方法對(duì)提取大范圍地表溫度的連續(xù)變化和分辨異常區(qū)域提供了技術(shù)支撐，除此之外張?jiān)炔捎秒x散小波變換濾波及短時(shí)傅里葉變換的相對(duì)功率譜方法對(duì)汶川8.0、于田7.3、日本9.0等多次大震震例進(jìn)行研究，得出地震熱紅外異常機(jī)理及震前的變化特征[6-7]；Filizzola采用基于統(tǒng)計(jì)的RST方法，通過(guò)雅典5.9級(jí)地震震中區(qū)域溫度與背景溫度值相減，獲取震前溫度的上升變化[8]；魏從信等采用相對(duì)功率譜法，對(duì)2007—2010年間85個(gè)5.5級(jí)以上地震的熱紅外異常震例總結(jié)顯示，95%以上地震前均有熱異常變化[9-10]；孟慶巖等[11]針對(duì)NOAA18/AVHRR和EOS MODIS數(shù)據(jù)提出基于歷年同期亮度溫度偏移指數(shù)方法、基于長(zhǎng)周期信息的亮溫提取方法等，應(yīng)用在青藏高原東北隅、首都圈、川滇地區(qū)等三大主要構(gòu)造區(qū)域近年來(lái)的6級(jí)以上震例研究中，總結(jié)出異常的短臨性、階段性和構(gòu)造帶的相關(guān)性。前人的研究結(jié)果顯示，汶川、于田、精河地震、尼泊爾地震、日本地震等多次強(qiáng)震前熱紅外均出現(xiàn)明顯的異常變化，主要特征有：（1）強(qiáng)震前在震源附近區(qū)域出現(xiàn)熱異常，并具有隨時(shí)間逐漸增大之衰減的時(shí)空演化特征；（2）異常區(qū)域聚集且沿?cái)嗔褞Оl(fā)展。但也存在普遍性，不一定每次異常都會(huì)對(duì)應(yīng)地震或每次地震前都會(huì)出現(xiàn)熱異常變化[12-24]。

據(jù)中國(guó)臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，2018年8月14日3時(shí)50分，在云南省玉溪市通?？h（24.19°N，102.75°E）發(fā)生M5.0地震，震源深度6km，震中位于通?！肷綌嗔焉希▓D1）。本文利用相對(duì)功率譜估計(jì)法對(duì)本次地震進(jìn)行了地震前后熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)異常變化分析，獲取與該地震相關(guān)的熱紅外亮溫變化特征，以期為衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)演化特征與地震的關(guān)系研究提供震例積累。

圖1 2018年8月14日云南通海M5.0地震地理位置Fig.1 The geographic location of the M5.0 earthquake in Tonghai，Yunnan Province on August 14，2018

1 資料選取與數(shù)據(jù)處理

1.1 亮溫資料

地震監(jiān)測(cè)與氣象監(jiān)測(cè)一樣，要求數(shù)據(jù)連續(xù)性和可比性，因此本文采用國(guó)家衛(wèi)星氣象中心（風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)）所提供的FY-2G靜止氣象衛(wèi)星遙感熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)（遠(yuǎn)紅外觀測(cè)波段為10.3～11.3μm和11.5～12.5μm），該數(shù)據(jù)分辨率雖不如極軌衛(wèi)星高，但具有時(shí)間上的一致性、地點(diǎn)的可比性，每天進(jìn)行24小時(shí)觀測(cè)，一次觀測(cè)范圍為地球三分之一的面積，因此更加適用于地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的要求[2，22]。由于衛(wèi)星熱紅外易受到太陽(yáng)輻射的影響，因此選取世界時(shí)的19—21時(shí)、范圍為22～30°N，97～107°E區(qū)域間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了熱紅外亮溫異常分析。

1.2 亮溫計(jì)算

實(shí)際物體的輻射能量是以電磁波的形式傳到傳感器上，該輻射能量通過(guò)輻射定標(biāo)和幾何糾正、普朗克輻射公式和波段響應(yīng)函數(shù)能轉(zhuǎn)化等步驟便能計(jì)算獲得亮溫），該亮溫可作為監(jiān)測(cè)地震的紅外參數(shù)[2，11，25]。

普朗克輻射定理完整的描述了黑體輻射的光譜分布，公式為：

式中，B（V，T）是波數(shù)V（cm-1）和溫度T（K）處的光譜輻射出射度（W/m2·sr·cm-1），h為普朗克常數(shù)，c為光速，k為玻耳茲曼常數(shù)。某一波段的黑體輻射公式是普朗克公式對(duì)這一波段各個(gè)波長(zhǎng)值和該波段響應(yīng)函數(shù)的積分，可以表達(dá)為：

式中，i為波段數(shù)，fi（v）為第i波段的波段響應(yīng)函數(shù)，v2i和v1i分別是i波段上下限波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的波數(shù)。利用波數(shù)間隔Δv=5cm-1求和代替積分，波段的黑體輻射公式為：

式中mi=（v2i-v1i）/Δv。應(yīng)用公式（3）在溫度T1i至T2i范圍內(nèi)以Δv步長(zhǎng)變化時(shí)，分別對(duì)每個(gè)紅外波段進(jìn)行數(shù)值積分，能得到每個(gè)紅外波段（i）的輻射出射度Wi（T）與溫度T的對(duì)應(yīng)關(guān)系。經(jīng)過(guò)查詢(xún)關(guān)系表能獲得對(duì)應(yīng)的黑體輻射溫度值，該溫度值即是研究所需的亮溫BT，單位為K，但不是物體的真實(shí)溫度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 小波變換

小波變換是一種線性時(shí)頻分析方法，在時(shí)間和頻率域均有很好的局部化性質(zhì)[22]。熱紅外遙感所獲取的亮溫?cái)?shù)據(jù)中包括地球的基本溫度場(chǎng)、年變、日變溫度場(chǎng)、天氣引起的溫度變化以及地震等其他因素引起的微弱變化[2]。本文為了提取與地震有關(guān)的溫度變化，采用db8小波基對(duì)亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行小波變換。為了去除地球基本溫度場(chǎng)和年變溫度場(chǎng)先舍去小波7階的低頻部分；為了去除天氣等引起的較短時(shí)間云雨、寒熱氣流等溫度變化，再舍去小波2階的高頻部分，經(jīng)以上處理后每個(gè)象元的數(shù)據(jù)在時(shí)間域里是正負(fù)相間的亮溫相對(duì)變化數(shù)據(jù)[2，24]。

1.3.2 相對(duì)傅氏功率譜法

功率譜法是常用的波形數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)方法，它可以通過(guò)信號(hào)的相關(guān)性估計(jì)出接受信號(hào)的功率隨頻率的變化關(guān)系，揭示信號(hào)中隱含的周期性和相距較近的譜峰等有用信息[24]。由于海量的亮溫?cái)?shù)據(jù)不易進(jìn)行全時(shí)空分析，因此本文將采用功率譜法進(jìn)行處理，獲取優(yōu)勢(shì)頻率和幅值，能有效的提取地震前后亮溫變化功率譜與其他時(shí)候的區(qū)別。具體步驟如下，以n=64天為窗長(zhǎng)，m=1天為滑動(dòng)窗長(zhǎng)進(jìn)行傅里葉變換，對(duì)每一象元的頻率數(shù)據(jù)滑動(dòng)一次獲得一組功率譜，時(shí)間約定在窗內(nèi)數(shù)據(jù)的起始時(shí)間，既能獲得時(shí)頻空間數(shù)據(jù)。為了去除觀測(cè)數(shù)據(jù)的地理位置、海拔等影響因素，對(duì)每一象元所有功率譜作相對(duì)譜值處理，獲得空間相對(duì)功率譜值。最后應(yīng)用圖像處理技術(shù)進(jìn)行全頻段時(shí)空掃描，既能識(shí)別異常區(qū)域及其演化特征[2，18，25-29]。

2 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

2.1 亮溫時(shí)空演化特征

以22～30°N、97～107°E為研究區(qū)，對(duì)2018年8月14日云南省玉溪市通海縣M5.0地震進(jìn)行熱紅外亮溫異常研究，通過(guò)區(qū)域追蹤掃描得到的初步圖像發(fā)現(xiàn)，特征周期為8天的平面功率譜信息圖像中存在明顯的異常（圖2）。

圖2 通海M5.0地震特征周期8天的平面功率譜圖Fig.2 Power spectrum of M5.0 earthquake in Tonghai County during 8-day period

為獲取地震前后熱紅外亮溫異常演化特征，對(duì)該區(qū)域時(shí)頻相對(duì)功率譜值進(jìn)行空間掃描，獲取通海M5.0地震前后的熱紅外亮溫功率譜異常時(shí)空演化圖像（圖3），結(jié)果顯示：2018年6月27日，在研究區(qū)西南側(cè)畹町—安定斷裂附近（24°N，98°E）開(kāi)始出現(xiàn)亮溫增溫異常，隨后異常幅值及面積逐漸增大，并沿?cái)嗔褞е饾u向東北方向發(fā)展，至2018年8月6日面積及譜值達(dá)到最高值，高值區(qū)域主要分布在震中西北及北北東方向，集中在鶴慶—洱源斷裂、永生—賓川斷裂帶延伸至蓮峰斷裂、龍泉山西緣斷裂一帶。之后高值異常區(qū)域慢慢收縮，在此過(guò)程中在異常區(qū)域附近發(fā)生通海M5.0地震，異常出現(xiàn)至發(fā)震約50天，震中區(qū)域未出現(xiàn)異常。至2018年9月12日異?；鞠АＭㄟ^(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，該異常形態(tài)變化相對(duì)突出，異常輻射強(qiáng)度較大，發(fā)震位置在異常區(qū)域附近，與多數(shù)震例總結(jié)結(jié)果相符。

圖3 通海M5.0地震前后熱紅外亮溫相對(duì)功率譜時(shí)空演化圖Fig.3 Time-space evolution of thermal infrared brightness temperature relative power spectrum before and after Tonghai M5.0 earthquake

2.2 亮溫功率譜平均譜值時(shí)間變化特征

亮溫異常區(qū)功率譜平均譜值時(shí)序圖能反應(yīng)異常區(qū)亮溫變化的整體趨勢(shì)[26]。該區(qū)域近6年的平均譜值時(shí)序圖顯示（圖4）：通海M5.0地震亮溫異常特征周期為8天，相對(duì)變化率達(dá)到20倍左右，最高值19.81出現(xiàn)在2018年8月8日，近6年數(shù)據(jù)的最大值，8月14日發(fā)震前平均功率譜值陡升，之后在高值回落階段發(fā)生了地震。2014年以來(lái)研究區(qū)亮溫功率譜平均譜值相對(duì)值基本在4倍均值以下，該次地震特征功率譜幅值大于4倍的持續(xù)時(shí)間為46天，時(shí)間特征相對(duì)突出。除此之外，6年之內(nèi)超過(guò)4倍均值線的還有4次，即2014、2015、2017、2019年出現(xiàn)超4倍均值高值，考慮其持續(xù)時(shí)間較短或峰值相對(duì)較小，根據(jù)以往震例總結(jié)，可能與該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境及氣象因素有關(guān)。

圖4 異常區(qū)相對(duì)功率譜時(shí)序圖（研究范圍：28～29°N、103～104°E）Fig.4 Time series of relative power spectrum in abnormal region（Study Areas：28～29°N，103～104°E）

3 結(jié)論

本文針對(duì)2018年8月14日云南通海市M5.0地震，利用相對(duì)功率譜估計(jì)方法對(duì)研究區(qū)（22～30°N，97～107°E）靜止氣象衛(wèi)星FY-2G連續(xù)觀測(cè)的亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示地震熱紅外亮溫相對(duì)功率譜時(shí)空演化特征為：（1）震前50天開(kāi)始在震中以西畹町—安定斷裂附近出現(xiàn)明顯的增溫異常；（2）異常演化過(guò)程呈現(xiàn)為初步顯現(xiàn)至加速發(fā)展后逐步衰減；（3）異常區(qū)域聚集且沿?cái)嗔褞Оl(fā)展，說(shuō)明亮溫異常變化可能與斷裂活動(dòng)有一定關(guān)系。異常區(qū)相對(duì)功率譜時(shí)序特征為：（1）異常特征周期為8天，相對(duì)變化率達(dá)到20倍左右；（2）發(fā)震前功率譜值陡升，之后在高值回落階段發(fā)生了地震；（3）特征功率譜幅值大于4倍的持續(xù)時(shí)間為46天，時(shí)間特征相對(duì)突出。綜合分析發(fā)現(xiàn)，該地震前出現(xiàn)明顯的熱紅外亮溫異常變化，其整體變化特征與以往的震例研究結(jié)果相似，異常幅度及時(shí)空演化特征較為突出。

4 討論

本研究實(shí)行期間，同時(shí)對(duì)云南地區(qū)2015—2019年其他6次5級(jí)以上地震進(jìn)行了亮溫分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中3次地震前存在不同程度的亮溫增溫現(xiàn)象。目前，熱紅外亮溫異常變化已具有一定的地震短臨預(yù)測(cè)意義，雖然預(yù)測(cè)時(shí)間和地點(diǎn)指標(biāo)比較明確，但基本是基于經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，精準(zhǔn)率尚待提高。對(duì)于熱異常的原因與異常特征變化關(guān)系的進(jìn)一步探索，需靠不斷的震例總結(jié)及更深入的機(jī)理研究來(lái)挖掘，從而提高地震預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度。