青藏高原東部及周邊地區(qū)熱紅外背景場特征

張鐵寶， 楊 星， 路 茜， 龍 鋒

(四川省地震局， 成都 610041)

青藏高原東部近年來強震頻發(fā)，2008年以來發(fā)生的M≥6.5地震(不包含余震)就多達8次，該區(qū)域一直以來都是各種地球物理場監(jiān)測手段日常震情跟蹤和研究的重點地區(qū)。傳統(tǒng)的地球物理場監(jiān)測手段，如流體、形變、電磁等，在進行地震異常提取前，都需要充分研究其背景場特征，在此基礎上再進一步提取分析異常變化[1-2]。例如，深井水位異常變化的判定，就需要先了解其相對穩(wěn)定的，日、月、年等時間尺度的背景性的變化形態(tài)特征。衛(wèi)星熱紅外作為近年來逐步發(fā)展起來的監(jiān)測手段，產出了很多地震紅外異常方面的研究成果[3-22]，大量的震例研究也證實了地震前存在紅外輻射異常現象，典型地震如汶川地震[8]，震前中期、短期和臨震四川地區(qū)美國海洋和大氣管理局(NOAA)衛(wèi)星長波輻射出現異常[10]，震前1個月風云靜止衛(wèi)星紅外亮溫在龍門山斷裂帶和四川盆地出現異常[6]，震前1個月中分辨率成像光譜儀(MODIS)衛(wèi)星紅外亮溫在與地震相關的巴顏喀拉塊體出現輻射增強異常[20]。在這個過程中不同的紅外異常提取方法逐步發(fā)展起來[23]，常用的異常提取方法有：①基于背景場的異常提取算法，如距平[10,21]、歷年同期偏移指數法和魯棒衛(wèi)星技術(robust satellite technique，RST)算法[11,13-14]等；②基于信號分析的異常提取算法，如小波[6-7]和功率譜[6-7,15,19,22]等；③基于差值的異常提取算法，如震前震后差值法、斷裂帶內外差值法[3]以及渦度法[10]等。上述方法中很多都涉及背景場，對背景場也開展了研究，但遺憾的是在發(fā)表的文獻中，內容多數是重點介紹處理方法和結果，關于熱紅外背景場特征的介紹常簡單描述，幾筆帶過，讀者對背景場的具體特征不甚了解。而單獨對紅外背景場較詳細的研究成果也僅見少量公開發(fā)表[24-29]。在這些發(fā)表的紅外背景場研究中，屈春燕等[28]對首都圈地區(qū)的亮溫變化特征進行研究得出，亮溫受季節(jié)和氣象因素影響，變化具有空間相關性、時間延續(xù)性和年變周期性。孟慶巖等[25]研究首都圈和甘青川交界地區(qū)熱紅外背景場表明，背景場時間上受季節(jié)變化影響，空間上受地形影響。對衛(wèi)星紅外輻射而言，充分認識和了解其背景場特征是地震異常研究和應用的前提和基礎，具有非常重要的作用。

衛(wèi)星監(jiān)測具有覆蓋面廣、不受地面條件限制以及空間分布均勻等傳統(tǒng)地震前兆監(jiān)測手段不具有的優(yōu)勢。青藏高原東部發(fā)生強震的背景風險高，是需要重點跟蹤研究的地區(qū)。基于此，擬從季節(jié)、緯度和地形等方面分析青藏高原東部及其周邊地區(qū)衛(wèi)星熱紅外背景場特征，并基于這些特征討論應用中需要注意的一些問題。這一研究有助于深入理解青藏高原東部的衛(wèi)星熱紅外背景場，有助于在異常判定過程中識別出該地區(qū)一些背景性變化引起的非震異常，提高地震異常識別的可靠性，有助于有針對性地設計異常提取方法，對該地區(qū)衛(wèi)星紅外地震監(jiān)測、應用具有一定的參考價值。

1 研究區(qū)與數據

青藏高原東部近年來強震頻發(fā)，7級以上地震就有汶川M8.0、蘆山M7.0、玉樹M7.1和九寨溝M7.0等大震，是地震紅外輻射異常研究的理想地區(qū)，因此，紅外輻射背景場研究區(qū)域選定在如圖1所示的青藏高原東部及其周邊地區(qū)，研究區(qū)范圍為20°～40°N，90°～110°E，經緯度跨度范圍大。研究區(qū)內地形多樣[圖1(b)]，西部為地形復雜高海拔的青藏高原，青藏高原北部有柴達木盆地，青藏高原以東為地形相對簡單低海拔的四川盆地。復雜多樣的地形，大跨度的范圍，為研究地形、緯度對紅外輻射的影響提供了優(yōu)越的自然地理條件。

圖1 研究區(qū)域與高程圖

選用美國Terra衛(wèi)星的中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)21通道(3.929～3.989 μm)紅外亮溫數據。Terra衛(wèi)星是美國地球觀測系統(tǒng)(Earth Observation System，EOS)計劃中的第一顆衛(wèi)星，為極軌衛(wèi)星，主要目的是觀測地球表面，于1999年12月18日發(fā)射升空，至今已運行21年多，MODIS為衛(wèi)星搭載的一種載荷，每日對同一地區(qū)白天夜晚各掃描一次，積累了大量覆蓋全球的連續(xù)觀測數據。亮溫數據是MODIS對地掃描得到的數據，通過定標定位、幾何校正處理，再由普朗克定律計算得到。研究區(qū)域的亮溫數據經過投影、裁剪、拼接等預處理。背景場研究數據時段為2000—2020年(21 a)，使用數據景數超過11 500景。由于紅外波段無法穿透云層，有云時候衛(wèi)星探測的為云頂信息，因此，采用多日合成的方法來得到高晴空率數據，合成后的數據采用多通道閾值法進行去云處理。處理完成的最終數據時間分辨率為4 d，空間分辨率1 km。

2 背景場構建方法

異常場是相對于正常背景場而言的，背景場的構建，是進一步提取地震紅外異常的基礎，背景場構建的合理性決定了后續(xù)地震異常提取的準確性和可靠性。

目前，紅外背景場構建常采用均值法，即基于多年的數據計算同期均值提取不同時間尺度的背景場。陳順云等[24]基于1981年7月至2001年9月共20 a的NOAA衛(wèi)星紅外資料，利用分離窗方法和小波方法得到地表亮溫(LSBT)長時間序列的年周期信號，最后對年周期信號求旬均值得到穩(wěn)定的年變值。溫少妍等[29]利用1999年、2003—2008年共7 a的NOAA衛(wèi)星熱紅外影像，采用均值法構建了首都圈紅外亮溫背景場，分析了各種因素對背景場的影響。孟慶巖等[25]基于2010年1月12日—2013年12月30日近4 a的FY-2E靜止氣象衛(wèi)星的亮溫數據，利用均值法構建了首都圈和甘青川交界地區(qū)年、季度和月尺度的紅外亮溫背景場，并對其時空演化特征進行了分析。對于均值法，需要注意的是，所用數據時間過短，樣本量少會導致計算的背景場離散度高，偏離真實的背景場越遠，數據時長越長，得到的背景場離散度越小，越趨于穩(wěn)定，越接近真實的背景場。因此，在可能的情況下，計算背景場的數據時長要盡可能長。

所用衛(wèi)星遙感紅外數據時長為21 a(2000—2020年)，為Terra衛(wèi)星發(fā)射以來的時長，數據時間跨度較長，針對連續(xù)多年的數據采用上述均值法[24-25,29]來構建背景場。均值法的計算公式為

(1)

對MODIS紅外亮溫數據，利用均值法構建獲得的青藏高原東部及其周邊地區(qū)的紅外輻射亮溫月背景場如圖2所示。

圖2 青藏高原東部及其周邊地區(qū)紅外輻射月背景場

3 紅外背景場特征分析

3.1 背景場與季節(jié)關系分析

同一地物的亮溫與其溫度存在密切聯(lián)系，一個地區(qū)的溫度常隨著季節(jié)的改變而變化，本節(jié)將從季節(jié)的角度對紅外背景場開展分析。如圖2所示，在一年中，不同月份的紅外輻射值存在明顯的高低不同，11、12、1、2月研究區(qū)紅外輻射值相對較低，5—8月輻射值相對較高，其余月份輻射值介于兩者之間。1—7月，紅外輻射值大致為逐漸上升的過程，8—12月大致為逐漸下降的過程，紅外輻射背景場具有明顯的年變化特征，與季節(jié)的變化特征大體相符。

研究區(qū)內存在兩種典型地形，一種是高海拔的青藏高原，一種是盆地等低海拔地區(qū)。高海拔的青藏高原地區(qū)，紅外輻射最高值出現的時間點在5月份(圖2中5月藍框)，而低海拔的四川盆地，紅外輻射高值時間點出現在8月份(圖2中8月藍框)，紅外輻射高值出現的時間點，兩個地區(qū)明顯不一樣。針對上述情況，選取高原地區(qū)和低海拔地區(qū)各兩個點，結合當地氣溫背景場，進一步分析亮溫背景場的年變化特點以及與氣溫的關系。選取的高原地區(qū)兩個點為四川甘孜(海拔3 394 m)和西藏那曲(海拔4 508 m)，海拔較低的兩個點為四川溫江(海拔548 m)和甘肅榆中(海拔1 874 m)，其中溫江位于四川盆地內。圖3為基于21 a數據計算得到的，四個點的紅外輻射亮溫和氣溫年變化背景場時序曲線。四川溫江[圖3(a)]和甘肅榆中[圖3(b)]的紅外亮溫與氣溫都存在明顯的年變化，亮溫和氣溫的同步性好，紅外輻射高值點和低值點出現的時間與氣溫一致，紅外輻射在高值階段持續(xù)時間較長，大約3個月(5月初到8月初)。四川甘孜[圖3(c)]和西藏那曲[圖3(d)]的紅外輻射同樣存在明顯的高低年變化特征，但與氣溫的年變化趨勢不完全一致，氣溫的高值點出現在7月底8月初，而輻射的高值點出現在4月底5月初，紅外輻射高值點出現的時間較氣溫提前了約3個月，且甘孜和那曲的紅外輻射在高值階段持續(xù)的時間比溫江和榆中兩個點短。

圖3 紅外亮溫與氣溫時間序列背景場曲線

通過紅外輻射背景場圖像和典型抽樣點位的數據對比分析可知，紅外輻射背景場具有明顯的穩(wěn)定年變化特征，但不同地區(qū)的紅外輻射變化趨勢具有自身的特點，不完全相同。另外，一些地區(qū)的紅外輻射變化趨勢與氣溫的變化趨勢也不完全一致。

3.2 背景場與緯度關系分析

由于一年中太陽光入射角度的變化，地球上不同緯度地區(qū)在同一時間受太陽影響后的地表溫度不一樣，同一地區(qū)在不同時間的地表溫度也不一樣，地表溫度是地表紅外輻射的一個重要影響因素，本節(jié)將從緯度的角度分析紅外輻射背景場特征。

選取如圖1(b)所示的沿經度100°E和105°E的兩個剖面B-B′和C-C′作為研究對象。B-B′剖面穿過了高海拔的青藏高原，穿過了青藏高原以南和以北的低海拔地區(qū)，同時還穿過了青藏高原內部水體類型的代表青海湖。C-C′剖面穿過了四川盆地以及盆地南北兩端相對高海拔的區(qū)域。所選兩個剖面既有高海拔的青藏高原，也有低海拔的盆地地區(qū)，具有典型代表性。

在B-B′剖面中[圖4(a)]，同一地區(qū)一年中紅外輻射具有明顯的季節(jié)性年變化特征，剖面1—12月的輻射曲線有規(guī)律地高低展布，但不同地區(qū)之間的輻射年變化幅度存在差異，從南到北，年變化幅度逐漸增大，圖像形態(tài)從左往右開口越來越大，成喇叭狀；在青海湖位置輻射值顯著低于周邊地區(qū)，圖像形態(tài)為非常明顯的凹形形態(tài)，這說明地物類型對紅外輻射有很大的影響。C-C′剖面[圖4(b)]與B-B′剖面[圖4(a)]類似，從南到北，季節(jié)性的年變化幅度逐漸增大，尤其是在32°N附近出了四川盆地后往北，年變化幅度加速增大。

圖4 紅外亮溫背景場經度(100°E和105°E)剖面圖

兩個剖面的特征表明，紅外背景場具有明顯的緯度特征，越往北，紅外輻射的年變化幅度越大。緯度的影響在研究區(qū)紅外背景場圖像(圖2)中表現為，在一年中的輻射高值時段6—8月，高緯度地區(qū)的輻射值更高，在一年中的輻射低值時段12—次年1月，高緯度地區(qū)的輻射值更低。北邊輻射年變幅度比南邊大，這反映出在年變化過程中，北邊紅外輻射值上升和下降的速率比南邊都要大，在應用過程中需要注意，相同幅度的變化在不同緯度地區(qū)代表的意義會有區(qū)別。

3.3 背景場與地形關系分析

研究區(qū)內地形復雜，既有高低起伏劇烈的青藏高原，也有起伏平緩的盆地，本節(jié)將從地形角度分析背景場的特征及其與地形之間的關系。紅外背景場與緯度存在關系，為了減少緯度的影響，在分析背景場與地形之間的關系時選取同緯度(30°N)的A-A′剖面(圖1)進行研究。

如圖1所示，A-A′剖面橫跨青藏高原和四川盆地，以經度102.5°E附近為分界線(圖5紅虛線)，西邊為青藏高原，東邊為四川盆地。在青藏高原內部[圖5(b)]，從90°E附近到95°E附近(B-C段)海拔逐漸升高，在位置C(95°E，30°N)附近聳立著兩座超過7 000 m的著名山峰南迦巴瓦峰(95.0°E，29.6°N，海拔7 782 m)和加拉白壘峰(95.0°E，29.8°N，海拔7 294 m)，從95°E附近往東至102.5°E附近(C-D段)，海拔高度逐漸降低。從102.5°E附近往東1度多的范圍內(D-E段)，海拔高度發(fā)生劇烈變化，從海拔4 000 m以上的高原地區(qū)快速下降近3 000 m過渡到四川盆地，在四川盆地內部(E-F段)，地形起伏變小，四川盆地邊緣往東(F-G段)，海拔高度再次上升，然后緩慢下降(G-H段)(表1)。剖面線上相應的紅外輻射變化[圖5(a)]，B-C段趨勢下降，C-D段趨勢上升，D-E段趨勢上升，E-F段變化平穩(wěn)，F-G段趨勢下降，G-H段趨勢上升(表1)。

圖5 紅外亮溫背景場與高程的緯度(30°N)剖面圖

對比表1中A-A′剖面上高程和紅外輻射的變化可看出，紅外輻射受高程影響，紅外輻射與高程之

表1 A-A′剖面高程與紅外輻射變化統(tǒng)計表

間為負相關關系。另外，剖面上紅外輻射[圖5(a)]整體呈現出兩種截然不同的特點，西邊高原部分波動劇烈，幅度大，東邊盆地部分波動平緩，幅度小，這說明高原地形的大幅度劇烈變化對紅外輻射影響很大。從表1中分段的高程和紅外趨勢變化規(guī)律可推測，圖5(a)中高原地區(qū)輻射值大幅度波動變化的地方很可能就是高程變化非常劇烈的地方。

4 結論與討論

以青藏高原東部為研究對象，從不同方面分析了衛(wèi)星紅外輻射背景場特征，得出以下幾點結論和認識。

(1)紅外背景場受季節(jié)影響，具有年變化季節(jié)特征，但不同地區(qū)的年變化趨勢不完全一樣。有些地區(qū)紅外和氣溫的變化趨勢大體一致，有些地區(qū)不完全一致，在高原地區(qū)兩者的不一致性體現得更明顯。

(2)紅外背景場受緯度影響，具有緯度特征。低緯度地區(qū)的輻射年變幅度小，高緯度地區(qū)的年變幅度大，從南往北，輻射年變化幅度逐漸增大。

(3)紅外背景場受地形影響，具有地形特征。紅外輻射值與海拔高度總體成負相關關系，海拔升高，紅外輻射值降低，海拔降低，紅外輻射值上升。在地形變化劇烈的青藏高原地區(qū)紅外輻射變化非常劇烈，在地形變化平緩的盆地地區(qū)紅外輻射變化平緩。

季節(jié)、緯度、地形以及地物類型對紅外輻射均有影響，圖2的紅外輻射月背景場是同時受到這幾個因素綜合影響的結果，并且在不同的地區(qū)，這幾個因素對紅外輻射背景場的影響程度也有差異，比如盆地地區(qū)，地形起伏對輻射場影響小，緯度和季節(jié)影響大。多種因素對紅外輻射場的綜合影響導致的最終結果就是，不同地區(qū)的輻射背景場絕對值差異非常大，只利用實際監(jiān)測的輻射值很難提取出有意義的異常變化。在紅外輻射地震異常提取前，可對實際紅外輻射觀測值做距平處理將輻射背景場予以扣除，以此來降低上述幾個因素對輻射值的背景性影響。需要特別注意的是，由于高緯度地區(qū)的紅外輻射年變幅度比低緯度地區(qū)大得多(圖4)，做距平處理后的紅外輻射殘差值，受緯度的影響仍很嚴重，高緯度地區(qū)的殘差絕對值總體會偏大，低緯度地區(qū)的殘差絕對值總體會偏小。對于緯度跨度較大的輻射距平空間圖像，高緯度地區(qū)往往表現出，在輻射上升時段經常出現高值異常，在下降時段經常出現低值異常，如果沒認識到這是緯度的影響，會導致識別出很多不真實的異常變化。針對緯度對輻射距平值的影響，可進一步對距平值做歸一化處理計算距平百分率得到相對變化幅度來加以消除。