2008～2009年云臺等高儀時緯殘差的異常波動*

胡 輝，韓延本，蘇有錦，付 虹，尹志強，李語強，王 銳

(1.中國科學院國家天文臺云南天文臺，云南 昆明 650011;2.中國科學院國家天文臺，北京 100012;3.云南省地震局，云南 昆明 650224)

2008年5月12日四川汶川發生了8.0級大地震，強度和范圍都超過了唐山大地震，是新中國成立以來最大的一次破壞性地震，造成非常慘重的人員傷亡和財產損失，地震發生后有關科技工作者已陸續對其展開研究。這次地震的震中距云南天文臺約670 km，相對于云南天文臺的方位是84°。8月30日四川攀枝花發生6.1級地震，震中距云南天文臺約164 km，相對方位為307°。12月26日昆明發生4.3級地震，震中距云南天文臺約24 km，相對方位為161°。在此期間，2008年3月、4月以及9月云南天文臺光電等高儀的時緯觀測殘差曾出現了一定程度的同步異常，本文將分析研究時緯觀測殘差的變化及其與這3次地震的可能關系。

1 天文時緯殘差與其異常的定義

所謂天文時緯殘差是用某一儀器測定的天文時間與緯度的觀測結果中扣除地球整體運動(自轉速率與極移)的影響之后的剩余部分，由儀器所測定的時間殘差RTj和緯度殘差RLj，可分別表示為:

這里(UT0–UTC)是用該儀器所獲得的世界時的觀測值。Δλ是從UT0到UT1的經度改正量。(UT1–UTC)是該日世界時的綜合值。dΦj和dΦc分別是由該儀器測定的緯度變化值與該日的緯度變化的極性部分。Δλ與dΦc分別可由下式獲得，

其中X、Y是該日地極坐標的綜合值。λj和Φj中分別是該儀器的經﹑緯度。(UT1–UTC)、X、Y由國際地球自轉服務(IERS)提供。

所謂時緯殘差異常，文中是指時間殘差與緯度殘差分別大于各自的標準偏差的兩倍的部分。

2 時緯殘差的處理方法

時緯殘差的處理方法，文［1－2］中作了較為詳細的介紹，為了便于讀者的閱讀與理解，本文給出如下。

(1)根據時緯殘差的定義，計算云南天文臺光電等高儀第i日的初始時緯殘差

(2)分別對RT'和RL'序列作零均值化處理

(3)消去周年與半年變化的地方項

根據天文學家多年的分析，地面光學天體測量儀器所獲得的時間﹑緯度的觀測結果中普遍存在具有周年與半年調和變化的地方項(Kimura，1902;BIH，1984)，這些變化應當與地震無關，故采用了習用的調和分析方法(BIH，1984)］將其濾去。實際作法包括兩步:

a)用下式分別對RT″和RL″作正弦曲線擬合

這里t從歷書年的初始日期起算。

b)分別從RT″和RL″序列中扣去這個調和變化的地方項，從而得到凈化了的時緯殘差序列RT和RL。

(4)分別計算RT和RL的五日加權均值。

(5)為消除數據序列中的趨勢項和零點漂移，以有利于顯示異常，又采取逐年調整零點和分段處理的辦法。

(6)為了消除短期的偶然干擾，又用下式對每個序列作5點滑動加權平均，最后計算標準偏差σ

這里F分別代表RT和RL.

實踐證明，5點滑動平均平滑得到的結果是比較可靠的，但對觀測資料要求很嚴，必須確保每個5日點均有觀測，否則，缺一個5日點，通過5點滑動平均平滑之后，就會去掉其余4個5日點，致使其結果中連續5個5日點不存在了。本來昆明的天氣就不大好，且有近半年的雨季，通過5點滑動平均平滑之后就使最后的結果顯得更是稀少了。為了解決這一問題，除了從根本上加強觀測之外，適當采用4點拉格朗日扦值法補點，這曾在上世紀80、90年代作過詳細的比較和研究，結果發現4點拉格朗日插值法補點補上的點最為接近資料的實際，所以，這次應用了4點拉格朗日插值公式:

3 2008～2009年云南天文臺時緯殘差異常情況

根據以前的經驗，時緯殘差異常一般超前地震2至3個月［3］，故一般于月初按照上述方法處理一次至上月末為止的觀測資料。圖1給出現了2008～2009年間云南天文臺光電等高儀的時緯殘差曲線。由圖可見，在2008年的3月、4月與9月上旬均出現了明顯的同步異常。

4 討論

時緯殘差異常與地震的震級、震中距等的關系是比較復雜的，根據歷史震例的分析，人們發現殘差異常出現后的一段時間里，發生過距離較遠的大地震和距離較近的中等地震，或距離很近的小地震［4－5］。同時也存在一定比例的出現殘差異常而無地震，或有地震而無殘差異常的例子［1］。這些差別可能受地質構造差別的影響。但因為震例不充分，目前對此總結出明確的規律還存在較大的困難。

圖1 2008～2009年間云南天文臺光電等高儀的時緯殘差曲線Fig.1 Daily residual fluctuations of astronomical time measured by the photoelectric astrolabe at the YNAO from the year2008.0 to the year2010.0

特別是汶川地震，震級雖然很大，但震中距也很大，約670 km;對于攀枝花地震，則存在時緯殘差異常超前時間較長的問題，已達4個月。此類情況在過去的分析中曾經出現過［3］。天文測時測緯殘差在儀器附近的地震發生前出現同步異常的現象，已有一些例子。但是，地震孕育和發生的過程非常復雜，地震活動表現出的現象具有多樣性。而地震畢竟是一種小概率事件，特別是對某個地區、某個構造帶，甚至某類構造帶，除個別地方外，其重復性一般是很小的，這就給人們總結地震的發生規律帶來很多困難。就時緯殘差與地震的關系來說，發生在天文時緯儀器附近一定范圍內的地震就更是小概率事件，天文時緯儀器本來就很少，它們分布在不同的地區、不同的構造帶上，這就為總結時緯殘差異常與地震的關系帶來更大的困難。例如，在目前得到的震例中，有的發生在異常結束后的半個月、一個月、兩個月、三個月，甚至四個月。

關于地震前天文時緯殘差異常的物理機制，研究工作同樣有待深入。以前的研究初步認為可能是地震前夕震區地下物質發生異常運動引起的，相對容易運動的是地下水。地下物質運動會引起地球重力場的變化，重力場的方向即為垂線方向，天文時緯儀器是以地方鉛垂線為觀測基準的，因此，鉛垂線的異常變化會影響天文時緯觀測，引起殘差異常［6］，而闞榮舉則認為也可能是震前板內塊體的移動造成了鉛垂線的偏差［3］。我們認為這兩者都是有可能的，但須進一步進行更深入的研究。

地震是地下物質運動所致，內因是決定的因素，但地下物質到底如何運動，人們目前還不能直接觀測到，這正是地震預測這個世界性的難題的研究進展緩慢的原因所在。時緯殘差震前異常的現象自上世紀70年代北京天文臺的科研人員發現以來［7］，經過這些年各天文臺的共同研究，既有可喜的初步結果，也發現存在不少急需解決的問題。地震作為造成巨大災害的地球物理現象，需要人類花大力氣研究。同樣，時緯殘差異常與地震的關系也需要開展更深入的研究，期待它能發展成為一種有用的地震前兆，與其它前兆手段結合起來分析、研究，為地震預測作出貢獻。

目前的研究表明，時緯殘差異常和其它地震前兆手段一樣，與地震之間并不存在一一對應關系，也就是說任何單一前兆資料的異常都不是預測地震的必要而充分的條件。這可能是蓋勒等人認為地震是不可預測的一個重要原因［8］。相反，如果人們發現了與地震有非常好的對應關系的前兆現象，地震預測就不是什么世界性的科學難題了。汶川地震剛過去兩年，中國地震局成立了專門的考察隊對汶川地震進行了科學考察，各種資料比較充分和全面;云南天文臺2008～2009的測時測緯原始資料也都完整存在，這都為有志于此的研究人員提供了有利條件。正因為如此，我們希望有興趣的讀者，尤其是年青人和地學界的學者能對此作深入研究。同樣，采用2倍標準差作為判定殘差異常，主要是根據習用的數據處理和地球物理資料處理而采用的一個標準，是否恰當，也是值得研究的。

［1］Han Yunben，Ma Lihua，Hu Hui，et al.Application of Astronomic Time-Latitude Residuals in Earthquake Prediction［J］.Earth，Moon，and Planets，2007，100:125 －135.

［2］韓延本、胡輝、杜紅榮.祿勸6.3級地震前云南天文臺時緯殘差的初步分析［J］.科學通報，1986，31(16):1244－1246.Han Yanben，Hu Hui，Du Hongrong.Occurrence of Short-period Anomuly of Residuals of Astronomical Time-latitude at Yunnan Observatory Preceding the Luquan Earthquake(ML=6.3)［J］.Chinese Science Bulletin，1987，32(17):1205 －1207.

［3］闞榮舉，胡輝.云南及其周鄰大地震與云南天文臺時緯殘差變化［J］.中國地震，1995，11(4):299－309.Kan Rongju， Hu Hui. The Major Earthquakes in and around Yunnan and Variation of Astronomical Time-latitude Residuals Determined in Yunnan Observatory［J］.Earthquake Research in China，1996，10(3):227－239.

［4］廖德春，金文敬，鄭大偉，等.1986～1991年間我國六架儀器的時緯觀測分析［J］.中國科學院上海天文臺年刊，1994，15:28－33.

［5］廖德春，鄭大偉.江蘇太倉五級地震與上海天文臺測時異常［J］.科學通報，1990，23:1838－1839.

［6］張國棟.強震前地下水活動引起的垂線變化［J］.地震學報，1981，3(2):152－158.

［7］李致森，張國棟，張煥志，等.天文時緯殘差的短期異常與天文臺周圍大地震的相關研究［J］.地球物理學報，1978，21(4):278－291.

［8］Geller R J，Jackson D D，Kagan Y Y，et al.Earthquakes cannot be Predicted［J］.Science，1997，275，1616－1617.