2014年魯甸MS 6.5、景谷MS 6.6地震前的長波輻射異常特征

張麗峰 郭曉 張璇 魏從信 秦滿忠

1）青海省地震局，西寧市興海路1號 810001

2）中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

0 引言

自1800年發現紅外線以來，紅外技術被廣泛用于通訊、安防、醫療等領域，使人們的生產生活方式得到了很大改變。熱輻射主要靠紅外線傳播，隨著衛星遙感技術的不斷發展，通過衛星紅外探測傳感器就可了解地面物體的熱輻射狀態。20世紀80年代，前蘇聯科學家ГОРНЫЙ（1988）正是在分析中亞地區的熱紅外遙感影像時發現，地震前2條斷層交匯區域出現熱紅外異常現象。自此，熱紅外資料被更多的應用于地震研究中，國外學者Ouzounov等（2006）利用Meteosat和Terra／MODIS衛星資料研究了幾次強震的熱紅外輻射變化，得出強震前存在熱輻射增強現象，如2001年1月26日發生在印度普杰的7級地震，震前6天出現 LST（land surface temperature）高值異常，震前 4天消失。Tronin等（2002）、Choudhury等（2006）、Saraf等（2012）等學者也做了相關研究。國內對地震熱紅外異常的研究主要為震例及機理方面的研究，如耿乃光（1998）、吳立新等（2006）進行的機理方面的研究；徐秀登（1991）、強祖基（1998）、馬瑾（2000）等開展的震例方面的研究。近年來靜止氣象衛星數據在地震中的應用研究又取得一些進展（郭曉等，2014；李青梅等，2015；張麗峰等，2016），這種靜止衛星資料與Terra、Aqua等極軌衛星資料相比，靜止衛星資料的優勢在于地點一致性好、時間可比度高。

2014年云南地區相繼發生了8月3日魯甸MS6.5地震和10月7日景谷MS6.6地震。魯甸地震造成的人員傷亡慘重、次生災害顯著，而景谷地震是自2000年以來云南地區發生的最大地震。為了探究這2次地震的熱輻射變化特征，文章選用靜止氣象風云衛星射出長波輻射（outgoing lang-wave radiation，簡稱OLR）資料，利用功率譜相對變化法對其進行了分析。

1 資料處理

1.1 數據概況

射出長波輻射通量密度是指波長集中在4～∞μm的電磁波向外太空輻射出的能量密度，其大小主要由發射下墊面溫度決定，對于云頂和地面空間，云頂溫度低OLR值較小，地面溫度高OLR值較大，所以晴空下的 OLR可用于反映地面溫度變化（吳曉，2007）。實時OLR產品主要通過中國靜止氣象衛星自選掃描輻射器VISSR的紅外1通道、紅外2通道及水汽通道數據反演得出。本研究所用數據來源于靜止氣象衛星FY-2E，在國家衛星氣象中心（http：／／satellite.cma.gov.cn）可下載獲取 1日8個時次（00：00、03：00、06：00、09：00、12：00、15：00、18：00、21：00UTC）的實時 OLR數據。選取午夜 15：00、18：00、21：00 UTC等 3個時次數據計算，以避免白天太陽直接輻射造成的干擾；因文件記錄區域過大（60°S～60°N、45°～165°E），通過格式轉換獲取中國及鄰區（5°～50°N、55°～150°E）的數據；以 0.05°×0.05°（5km×5km）為最小像元，計算3個時次數據平均值構成日值，并進行了簡單去云處理。

1.2 數據處理方法

經上述處理后的數據以二進制格式存儲并以年為單位建立數據庫，累計到2017年1月1日其數據共有11年。這11年的長波輻射數據中包括2部分溫度變化信息，第1部分為云雨、極端氣流、地球基本溫度場、年變、日變等引起的溫度變化，第2部分為其他影響因素（如地震等構造活動）引起的溫度變化。從頻率域分析，這些影響因素具有不同的頻率（陳順云等，2006），如地球基本溫度場和年變溫度場屬于長周期成分，而云雨和極端氣流現象則屬于短周期成分，其引起的溫度變化時間較短，一般為幾小時至幾天。小波變換分析方法可對信號進行多尺度細化，是對信號進行時頻分析的理想工具。本文采用Daubecheies（db N）小波系中的db8小波基對長波輻射資料進行了小波變換處理，在此基礎上又對其進行了功率譜計算及相對處理，具體計算過程詳見郭曉等（2010）的文獻。處理后的數據為時頻相對功率譜空間數據，對各頻率數據進行時空掃描以期發現長波輻射異常震兆。

在前人工作基礎上，本文計算了地震當年功率譜、功率譜背景值、功率譜標準差等，以期為進一步提取長波輻射地震異常預測指標提供參考。以0.5°×0.5°區域為例，地震當年功率譜用地震當年數據來計算，計算式為

式中，wij為小區域第i天第j個像元的相對功率譜值。功率譜背景值即為計算每年（2006～2015年）相同天的相對功率譜平均值，計算式為

式中，wijk為小區域第k年（2006～2015年）的第i天第j個像元的相對功率譜值。功率譜標準差計算式為

式中，wijk與式（2）中相同，式（2）、（3）不考慮閏年的情況。

2 資料處理結果及分析

2.1 魯甸地震前長波輻射異常特征

2014年8月3日云南省昭通市魯甸縣發生MS6.5地震，震源深度為12.0km，震中位于27.1°N、103.3°E，該次地震的發震斷層為NW向的包谷垴-小河斷裂（房立華等，2014）。

對 24°～33°N、95°～106°E區域進行長時間尺度（半年）的掃描，結果發現 2014年6月初有異常出現于怒江斷裂與巴青-類鳥齊斷裂附近，主要分布在震中西北部且離震中較遠；隨時間推移，異常逐漸沿東南方向向震中擴展，最后集中分布在理塘-德巫斷裂與玉農希斷裂的交界處，其展布與鮮水河斷裂方向較為一致（圖1），在7月初面積達到最大，相對功率譜大于8倍的面積大概為2×104km2；7月中旬異常開始向震中東北部延伸，至7月底震中西北部異常幾乎消失，震中東北部異常在8月底逐漸減弱并逐日背離震中。異常總體表現為增強、減弱、消失。

通過分析震中東北部0.5°×0.5°區域2014年的數據，發現該區在地震前33天出現了一次明顯的功率譜峰值（圖2），約為平均值的10倍；對比該區域10年數據的功率譜背景值與標準差時序曲線，發現在地震前56天地震當年功率譜開始偏離其背景值及標準差，偏離起止時間為2014年6月8日～8月9日，持續62天；地震當年功率譜與其背景值及標準差的最大差值分別為8和7倍。

2.2 景谷地震前長波輻射異常特征

魯甸地震之后，在10月7日普洱市景谷傣族彝族自治縣發生了MS6.6地震，震源深度為5km，震中位于23.4°N、100.5°E，其發震斷層正好位于NW向右旋走滑的茶房-普文斷裂之間，是兩條斷裂貫通過程中的構造活動表現（吳坤罡等，2016）。

對21°～27°N、97°～104°E區域進行長時間尺度（半年）的掃描，發現 7月初震中及其附近出現相對功率譜異常，幅度較小；隨著時間推移，半個月內異常迅速增強，區域比較集中，震中東側異常以鎮遠-普洱斷裂為邊界，西側經過瀾滄江斷裂，其邊界與南寧河東支斷裂平行，在7月19日面積達到最大，相對功率譜大于8倍的面積大概為2×104km2；隨后于7月25日左右震中附近異常基本消失，但在8月初震中西北部異常又逐漸回升且不斷增強，在8月5日再次突出呈現，之后減弱并于8月中旬趨于消失（圖3）。異常總體的演化過程為增強—減弱—再增強—減弱—消失。

圖1 魯甸6.5級地震前長波輻射相對功率譜時空演化

圖2 魯甸6.5級地震前長波輻射異常時序曲線

通過分析震中附近0.5°×0.5°區域2014年的數據，發現該區在地震前80天出現了1次明顯的功率譜峰值（圖4），約為平均值的15倍；對比該區域10年數據的功率譜背景值與標準差時序曲線，發現在地震前104天時地震當年功率譜開始偏離其背景值及標準差，偏離起止時間為2014年6月26日～8月18日，持續53天；地震當年功率譜與其背景值及標準差的最大差值分別為12、10倍。

圖3 景谷6.6級地震前長波輻射相對功率譜時空演化

圖4 景谷6.6級地震前長波輻射異常時序曲線

3 結論與討論

對2014年魯甸MS6.5、景谷MS6.6地震的分析表明，2次地震前短期內都存在明顯的長波輻射相對功率譜異常，異常特征展布的邊緣及走向與斷層密切相關。在時間上，魯甸地震異常出現在2014年6月初，7月初非常明顯，8月底基本消失；景谷地震異常出現在2014年7月初，7月19日左右非常明顯，之后減弱并8月初再次突出呈現，并于8月中旬趨于消失。在空間上，魯甸地震異常主要分布在震中西北部，震中在其邊緣；景谷地震異常主要分布在震中及西北部，震中在異常內邊緣。兩者相比景谷地震異常似更為顯著，呈現區域更為集中，而且異常有反復增強現象。一次強震釋放的能量是相當大的，其引起的地表熱異常也是相當可觀的，2次地震功率譜異常面積達到最大時，相對功率譜大于8倍的面積都約為2×104km2。從2次地震當年功率譜時序曲線可看到，2次地震前都出現了一次較明顯的峰值，均在10倍以上，且都出現在地震前短期階段內；地震當年功率譜偏離其背景值及標準差值明顯，偏離持續時間約2個月；地震當年功率譜與其背景值及標準差的最大差值均在7倍以上。地震當年功率譜偏離其背景值及標準差的起止日期似可作為判別異常開始和結束的指標，偏離持續時間似可作為異常持續時間的指標，這種長時間（偏離持續時間約2個月）、大幅度（最大差值在7倍以上）的偏離或許可作為判別是否為地震長波輻射異常的依據。期盼通過分析樣本的不斷累積、進化，這些強震長波輻射異常特征能具有短期預測意義，并可為進一步提取長波輻射地震異常定量化預測指標提供參考。

從時間和空間上對2次地震的長波輻射相對功率譜演化特征總結可得出，異常增強期過后開始減弱至后續平靜期是可能的發震時間，異常區內部及其邊緣是可能的發震地點。功率譜背景值及標準差的計算分析有望在異常指標的定量化方面取得進展。憑有限震例得出的結論肯定只是初步的，還有待分析大量的不同震例樣本來深化這些異常現象的指標意義。

致謝：感謝中國氣象局國家衛星氣象中心為本研究提供的靜止衛星長波輻射資料。