汶川和玉樹地震前MODIS衛星紅外異常分析

摘要：對MODIS/Terra衛星遙感紅外亮溫月距平圖像進行了研究，結果表明，在汶川8.0級地震前2年、玉樹7.1級地震前1年，遙感紅外亮度溫度均出現了明顯的大幅度升溫異常，且異常面積較大，達幾十萬平方公里，距離發震時間較近的升溫異常幅度更大，升溫面積更大。汶川地震前升溫異常面積比玉樹地震前的大，這可能表明異常面積大小與地震震級大小存在一定關聯。亮溫月距平圖像異常次數統計結果表明，1年里出現1～3個月升溫異常為背景水平，1年里出現大于等于6個月的異常次數對升溫地區未來7級以上強震發生時間具有1～2年的中期指示意義。

關鍵詞：MODIS；遙感紅外亮度溫度；汶川8.0級地震；玉樹7.1級地震

中圖分類號：P315文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2013）04-0496-06

0引言

衛星遙感與傳統前兆監測相比，具有數據準確可靠、覆蓋面廣等優點，近一二十年來，國內越來越多的學者開始研究M≥7強震前衛星紅外異常。強祖基等（1992，1998）利用NOAA衛星紅外資料研究1990年青海共和7.0級地震、1996年云南麗江7.0級地震發現，地震前幾天至2個月，相關地區持續增溫，面積最大可達百萬平方公里。劉德富等（1997）研究1976年云南龍陵7.4和7.3級地震、1976年河北唐山7.8和7.1級地震、1976年四川松潘2次7.2級地震、1985年新疆烏恰7.4級地震以及1990年青海共和7.0級地震前紅外通道的OLR資料發現，地震前一個月震中附近地區月平均OLR值增長顯著；2004年蘇門答臘8.7級地震前數月，在印度洋東北部地區出現持續性的OLR通量增強現象（劉德富，康春麗，2005）。康春麗等（2003）研究發現，在2001年昆侖山口西8.1級地震前幾天至2個月內，OLR和遙感紅外亮度溫度均出現增強現象，且空間上展布與發震斷裂走向一致；汶川地震前，四川地區長波輻射場顯示出中、短期和臨震異常（康春麗等，2009）。前人的研究表明，在很多7級以上地震之前，震中或相關地區會出現紅外異常，由于地震震級越大，孕震空間范圍越大，能量積累所需時間越長，紅外異常出現的時間也可能較長。本文對比較長時間2004年3月至2012年12月、較大范圍（20°～40°N，90°～110°E）的連續MODIS（中分辨率成像光譜儀）遙感紅外數據進行了跟蹤，分析了2008年5月12日四川汶川8.0級和2010年4月14日青海玉樹7.1級地震前存在的異常現象。

1衛星資料介紹與預處理

選用白天10時至12時30分間過境的MODIS/Terra遙感紅外亮度溫度（簡稱“亮溫”，即等效黑體溫度）數據。MODIS具有36個離散光學通道，分布在0.4～14 μm的電磁波譜范圍內，其中有6個通道探測的信息與地表溫度有關（劉玉潔，楊忠東，2001），即20（3.660～3.840 μm）、21（3.929～3.989 μm）、22（3.929～3.989 μm）、23（4.020～4.080 μm）、31（10.780～11.280 μm）和32（11.770～12.270 μm）通道，紅外通道的空間分辨率為1 km。21通道數據相對于其它與地表溫度相關的紅外通道數據，高頻成分較少，易于提取穩定的背景場。劉放等（2010）研究表明，21通道紅外亮溫與地表溫度相關性較好，因此，本文選用21通道2004年3月至2012年12月（共8年10個月）紅外亮溫數據。星上亮溫通過對應紅外通道的表觀輻亮度代入Planck函數求解得到。在有云時候，衛星探測到的紅外信息為云頂信息，數據在使用前經去云處理和拼接以得到較高晴空率的數據。

2研究方法與結果

異常場是相對于正常背景場而言的，筆者采用距平方法（劉德富，康春麗，2003）來扣除背景場，距平是某一系列數值中的某一個數值與平均值的差，單像元亮溫距平為某個像元的亮溫與該像元多年同期亮溫平均值的差，計算分析區內所有像元的距平即得到空間上的亮溫距平圖像。筆者側重提取中短期異常，對時間分辨率要求不高，由于云層干擾造成分析區內日值數據像元樣本量減少，通過日值數據提取的對應日值背景場可靠性降低，因此，只計算分析區（20°～40°N，90°～110°E）的亮溫月背景場和月距平圖像。計算結果顯示，亮溫月背景場圖像具有明顯的地形地貌特征，不同月份的亮溫背景場圖像具有明顯的夏高冬低季節特征，距平處理能在很大程度上扣除季節和地形地貌的影響。前人研究表明震前衛星紅外異常幾乎都是升溫異常（強祖基等，1990，1992，1998；徐秀登等，1990，1991，2002；劉德富等，1997，1999，2005；馬瑾，單新建，2000；張元生等，2002；鄧志輝等，2003a，2003b；陳梅花等，2003；康春麗等，2003，2004，2009；屈春燕等，2006；劉放等，2007），實驗室巖石受壓破裂前彈性變形階段巖石溫度表現出升溫現象（劉培洵等，2004），因此筆者只提取大面積大幅度的升溫異常。