玉樹、九寨溝地震前長波輻射變化研究*

楊 星，張鐵寶，陳 銳，龍 鋒，甘桂琴

(1.四川省地震局，四川 成都 610000；2.甘孜藏族自治州氣象局，四川 康定 626000)

0 引言

長波輻射(Outgoing Longwave Radiation，OLR)是地表向外輻射的一種能量較低的熱紅外電磁波，單位為w/m2，波長集中在4～120 μm，其數值會受大氣溫度、地表溫度等因素的影響。衛星數據具有持續穩定、可大范圍探測的優點，可快速獲取OLR數據，這也使得OLR成為研究震前異常的新方法。目前，(美國國家海洋與大氣管理局NOAA)的OLR數據是熱紅外與地震研究中應用最多的數據之一，不同地區的多個地震表明，震前在震中附近或偏離震中一定范圍內存在OLR值增強現象(劉德富，2000；康春莉等，2009；荊鳳等，2012；戴勇等，2014)；除震前有OLR值增強現象外，OLR對華北地區短期發生M5地震的可能性也具有指示意義(康春莉等，2006)。任靜等(2015)結合臨震天體引力潮起伏周期和OLR值變發現，2010—2011年川滇藏的4次地震前的OLR值距平都存在增強現象。

除NOAA的OLR數據外，我國風云衛星也提供了OLR數據。孫珂等(2017)利用風云衛星FY-2D和NOAA的OLR數據，研究了尼泊爾2015年MS8.1和MS7.5地震前的OLR值變化特征，發現NOAA能記錄到震前OLR值異常，FY-2D能記錄到震前紅外異常動態演化過程；風云衛星FY2E/G的熱紅外資料也表明緬甸MS6.9震前存在顯著亮度溫度變化(潘宇航等，2017)；張治廣等(2018)利用風云FY2E/G的熱紅外數據，發現理塘MS5.1和雜多MS6.2地震前存在明顯的異常變化。除這2種熱紅外資料外，張鐵寶等(2013，2015，2016)利用(美國航空航天局NASA)的MODIS熱紅外資料研究四川及周邊地區多個地震也發現震前存在熱紅外數據的明顯上升。在國外，也有許多基于OLR和其它熱紅外數據的震前異常研究，也得到了震前存在輻射增強現象的結果(Troninetal，2002；Venkatanathanetal，2013；Ouzounov，Freund，2004；Ouzounovetal，2006；Prakash，Srivastava，2015)。

以往研究中，少有利用風云三系衛星的OLR對地震進行研究的先例，對地震周圍相關塊體單獨進行異常指數的研究則更少。本文利用風云三系衛星FY-3A和FY-3C的OLR數據，尋找2010年4月14日玉樹MS7.1地震和2017年8月8日九寨溝M7.0地震前后可能出現的異常信息。

1 構造背景及研究數據與方法

1.1 研究區構造背景

印度板塊以50～60 mm/a的速度向北嵌入青藏高原，引起高原殼-幔物質向東蠕散(嵇少丞等，2008；Tapponnieretal，2001；Zhangetal，2004)，在與大陸板塊的相互擠壓作用下，產生旋轉和轉向變化。這一過程形成了諸多次級塊體和斷裂帶，從而誘發了一系列地震，玉樹地震與九寨溝地震就是在這樣的構造背景下發生的(葛肖虹，王敏沛，2011；徐錫偉等，2017；胡曉輝等，2019；Chenetal，2010)。

2010年玉樹震區位于巴顏喀拉與羌塘2個次級地塊相交的區域(圖1)，巴顏喀拉塊體南側NW向玉樹—鮮水河左旋走滑引起玉樹MS7.1地震。研究表明，該斷裂在晚第四紀活動強烈，是一條與大地震的發生有密切聯系的走滑斷裂(劉云華等，2010)，玉樹地震的余震主要沿著玉樹斷裂向ES向展布。

自1997年以來，圍繞巴顏喀拉塊體邊界斷裂帶發生了一系列7.0級以上地震，這一區域是我國大陸強震的主體活動區。2017年九寨溝地震就發生在青藏高原東緣的巴顏喀拉地塊與東部華南地塊碰撞擠壓的邊界帶上，震中位于左旋走滑斷層東昆侖斷裂帶的分支斷裂帶上，震區附近還包含有塔藏斷裂、虎牙斷裂及岷江斷裂等(易桂喜等，2017)。

圖1 玉樹、九寨溝地震震中示意圖Fig.1 Map showing the epicenters of the Yushu and the Jiuzhaigou earthquakes

1.2 數據與方法

本文OLR數據均來自于風云三系衛星，時間分辨率為旬，空間分辨率為1 000 m(1)獲取地址：http：//www.nsmc.org.cn.。風云三系的3A與3C都有OLR產品，FY-3A的可獲取時段為2010年1月至2016年4月，FY-3C可獲取時段為2014年5月至2018年11月。考慮到玉樹與九寨溝地震均發生在青藏高原東麓，因此將研究范圍設定為：(25°～40°N，90°～110°E)，這一范圍包括了青藏高原3大次級塊體——羌塘、巴顏喀拉、柴達木塊體的東部，還包括川滇菱形塊體的北部，是我國地震強活動區域之一。

利用熱紅外數據研究震前異常有2種常用方法，一是計算渦度(路茜等，2014；陶月潮等，2015；荊鳳等，2009，2011；戴勇等，2014，2015，2016)、二是計算距平(梁阿全等，2013；丁風和等，2006；張鐵寶等，2013，2015，2016)。渦度指空間上某數值與其臨近數值的差異，距平是指某時刻數值與該時刻多年平均值的差值。筆者實驗過2種方法后，發現渦度方法在研究區域誤報率高，不能提取有效異常，故認為距平更適合本研究區域。因此首先構建OLR背景場，再計算玉樹和九寨溝地震前、后距平，并針對地震涉及的構造區，計算巴顏喀拉、柴達木、羌塘3個次級塊體在地震前、后的異常因子，以獲得異常信息。其中，背景場是某一旬在2010—2017年的平均值，本文共得到36個背景場數據，其表達式為：

(1)

式中：n是某旬OLR數量，值為8；S(xi，j，yi，j，tk)表示經度為xi，j，緯度為yi，j；時間t為第k旬的OLR值，而距平D定義為：

(2)

在計算某一旬的距平時，其背景場的計算中不納入該旬。為量化不同塊體地震前、后的OLR值變化，提出異常指數ΔE_anomoly(t)，其表達式為：

(3)

式中：τt為t時刻的OLR值的標準差，多個研究表明震前往往都會存在異常指數超過多倍標準差的現象(Ouzounov，Freund，2004；張鐵寶等，2016)。

2 數據對比分析

背景場的構建往往需要足夠長時間的數據，這樣才能反映研究區域的一般情況。但FY-3A和FY-3C都不能單獨滿足要求，因此需要綜合2種數據，即2010—2015年使用FY-3A的OLR數據，2016—2017年使用FY-3C的OLR數據。結合2種數據前，需對2種數據的一致性進行研究。利用2015—2016年4月FY-3A和FY-3C的重疊期內數據，計算Pearson相關系數和二者的差，以確定是否具有一致性，限于篇幅，只展示部分結果，其表達式為：

(4)

式中：ρX，Y表示Pearson相關系數；X與Y代表了變量；COV(X，Y)代表協方差；δX和δY表示標準差。依據Pearson相關系數定義：ρX，Y大于0.8，屬于極強相關；ρX，Y在0.6～0.8，屬于強相關。

圖2a是2種數據在2015年的ρX，Y，圖2b是2016年1月中旬2種數據的散點圖。從圖2a可見，除2015年6月中旬外，ρX，Y均超過了0.8，且2015年的ρX，Y有25期超過0.9，為極強相關，其最大值出現在2015年2月上旬，為0.984。散點圖的意義在于說明2種數據的值越相近，點越集中于y=x軸(即對角線)兩側，圖2b中呈現集中分布特征，在其余重疊時間上2種數據也具有相似的聚集特征。此外，圖中散點還表現出更多集中在低值區的特點，這可能與研究區域地形主要是高原且溫度本身較低有關。

圖2 2015年FY-3A與FY-3C相關系數(a)及2016年1月中旬期散點圖(b)Fig.2 The correlation coefficient between FY-3A and FY-3C(a) and the scatter diagram of the middle period of ten days in January 2016(b)

圖3是FY-3A和FY-3C在2016年4月下旬的OLR空間分布圖及2種數據的差，本旬的ρX，Y為0.88，圖中顯示2種數據在空間上極為相似，其數據差值極小，基本集中在-5～5。在其余重疊時間上，OLR空間分布和二者的差也與圖3c相似。因此，結合FY-3A和FY-3C這2種數據進行研究是可行的。

圖3 2016年4月下旬FY-3A(a)與FY-3C(b)的OLR值空間分布及二者之差(c)Fig.3 The spatial distribution of OLR of FY-3A(a)and FY-3C(b) in the last ten days of April 2016 and their difference(c)

3 長波輻射異常與異常指數結果分析

3.1 玉樹地震震前異常

圖4是2010年1月中旬至5月上旬玉樹地震前、后每旬的OLR值的距平圖像。玉樹震前，從2010年1月中旬(圖4a)開始，在羌塘塊體的中部出現了OLR值升高的現象，且增量達到20 w/m2

以上，計算增幅發現，1月中旬的OLR值相較于背景場上升了19.6%。到1月下旬(圖4b)，OLR值升高現象從羌塘塊體延伸到巴顏喀拉塊體，OLR值比背景場高3.5%，而后距平降低。從2月上旬到3月中旬(圖4c～g)都沒有OLR值大面積超過20 w/m2的情況。但在3月下旬(圖4h)，距平值大幅上升，上升范圍包括了羌塘塊體、巴顏喀拉塊體、柴達木塊體以及四川盆地部分地區，部分增量達到20 w/m2以上，OLR值增幅為2.5%。1月下旬和3月下旬OLR值空間上超過20 w/m2的面積比1月中旬大，但增幅卻比1月中旬低，這是因為這2旬OLR值在部分區域下降的幅度大于1月中旬。此后直至發震的4月中旬，均未出現大范圍OLR值增強(圖4i～j)。距平圖像出現上述變化或許有如下的動力學原因：印度板塊推擠時產生的應力擾動逐次通過青藏高原的羌塘、巴彥喀拉、柴達木塊體向東推進，導致區域內作用增強，進而致使區域長波輻射增強，表現為在某些時間上出現OLR值升高現象。而距平上升和下降的反復出現，可能也說明了在震前存在應力的累積和卸載過程。

圖4 2010年1月中旬—5月上旬研究區OLR值距平圖Fig.4 Anomaly of OLR from the middle ten days of January to the first ten days of May 2016

圖5是2010年1月中旬至5月上旬玉樹地震前、后的異常指數的時間曲線圖。在玉樹地震前，3個塊體的異常指數均出現了“下降—上升—下降—上升”的特點。巴顏喀拉塊體的異常指數在1月中、下旬和3月下旬都超過了1倍標準差，分別達到了3.1，1.1和1.9倍，由此可知在這些時間段，OLR值與背景場存在較大差異。柴達木塊體在1月中旬異常指數超過標準差3.5倍，此后一直處于1倍標準差之下，但在3月下旬異常指數也有上升。羌塘塊體在1月中、下旬和3月下旬異常指數分別為標準差的4.2，1.8和1.4倍。從數據呈現的結果可知，羌塘塊體的異常值是3個塊體中最高的一個，這是因為構造上，羌塘塊體是青藏高原受擠壓向東運動的第一受力塊體，其次才是巴顏喀拉塊體和柴達木塊體。

圖5 玉樹地震前后不同塊體異常指數的時間曲線Fig.5 Time curve of anomaly index of different blocks before the Yushu earthquake

3.2 九寨溝地震震前異常

圖6為2017年6月中旬—9月上旬九寨溝地震前、后區域OLR值距平圖像。九寨溝震前，在7月下旬(圖6e)出現了OLR值大面積高出背景場的現象。在羌塘、巴顏喀拉、柴達木塊體，均出現了距平超過30 w/m2的情況，OLR值增幅為8.3%，是九寨溝地震研究時段內增幅最高的一旬(其余均小于0)，說明7月下旬的OLR值與背景場存在顯著差異。以往研究表明，九寨溝地震是在青藏高原東向推擠過程中，其東緣與華南地塊觸碰而在二級塊體邊緣發生的地震(Chenetal，2010)，在7月下旬出現OLR值增強后，直至地震發生8月上旬(圖6f)，均未再出現OLR值大面積超過30 w/m2的現象。九寨溝地震前只有一旬距平突出的原因或許是此處活動水平與青藏塊體西部相比相對較弱。

圖7是2017年6月中旬—9月上旬九寨溝地震前、后的異常指數，由圖可見，3個塊體均出現了先升高后下降的變化特點。且異常指數同時在7月下旬達到了最大值，分別超過了標準差的2.78，1.11和2.68倍，而其余時間上，未有超過1倍標準差的現象出現。巴顏喀拉塊體的異常指數最高，或許與其是構造上引起九寨溝地震的主要塊體有關，同時也說明在7月下旬OLR值明顯異于背景場。

4 結論與討論

本文結合了2010—2017年風云三系衛星FY-3A和FY-3C的逐旬OLR數據，通過建立OLR背景場，計算了玉樹MS7.1和九寨溝M7.0地震前后OLR值距平和不同次級塊體異常指數，得到以下結果和結論：

圖6 2017年6月中旬—9月上旬研究區OLR值距平圖Fig.6 Anomaly of OLR from the middle ten days of June to the first ten days of September 2017

圖7 九寨溝地震前后不同塊體異常指數的時間曲線Fig.7 Temporal curve of anomaly index of different blocks before the Jiuzhaigou earthquake

(1)FY-3A和FY-3C的OLR值在空間上有很高的相似性，2015年全年36期Pearson相關系數只有一期低于0.8，大于0.9的有25期，屬于極強相關，通過計算2類數據OLR值的差發現，其差的值范圍為-5～5，差異很小；同時，二者的空間圖像也具有高度的一致性。因此，可結合2種數據進行研究。

(2)玉樹地震前，空間上出現了OLR值大幅上升的現象。2010年1月中、下旬和3月下旬，空間上出現了不同范圍OLR值超過20 w/m2的現象，相比于背景場，3旬的增幅分別為19.6%，3.5%和2.5%，輻射增強和下降現象在震前多次反復出現，或許也說明震前塊體間應力存在多次加強和卸載。通過計算異常指數表明震前巴顏喀拉、柴達木、羌塘塊體的OLR值均有超過多倍標準差的現象，從側面也說明了這一結論。

(3)九寨溝地震前，在2017年7月下旬出現了OLR值在不同塊體內超過30 w/m2的現象。除研究包含的3個次級塊體外，川滇菱形塊體北部也出現了這一現象，塊體異常指數達到最大的時間均為7月下旬，巴顏喀拉塊體異常指數最高，為標準差的2.78倍，其次是羌塘塊體和柴達木塊體，巴顏喀拉塊體的異常指數最高，或許與其是構造上引起九寨溝地震的主要塊體有關。

(4)玉樹震前，OLR值距平與地震存在2次“上升—下降”而后地震的特點，異常指數有“下降—上升—下降—地震”的特點；九寨溝地震OLR值距平和異常指數都有“上升—下降—地震”的特點。2次地震異常指數變化呈現出不同的變化，但震前異常指數上升而后發震這一特征是可以確定的。