云南彝良5．7級地震前衛星熱紅外異常①

張 璇，張元生，2，魏從信，2，田秀豐，馮紅武

（1．中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2．中國地震局地震預測研究所蘭州創新基地，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

地震短臨異常信息的有效提取一直是備受關注的問題。自20世界80年代以來，衛星遙感技術迅速發展，國內外不少地震學者做了大量的地震紅外異常機理的探索，進行了紅外遙感技術應用方法及典型震例對比分析等研究，并取得了許多有價值的研究結果。典型震例衛星遙感資料分析結果表明，地震發生前存在不同程度的“熱震兆”現象［1－12］。徐秀登等在研究臺灣南投7．6級大地震前的衛星熱紅外異常時，發現震前紅外異常明顯［13］。張元生等應用小波變換和相對功率譜方法分析靜止衛星熱紅外遙感資料，對汶川等地震的研究結果表明，地震發生前存在明顯的熱異常特征周期和特征幅值［14］。隨著震前熱異常震例的累積，地震熱異常信息提取方法的改進，熱紅外異常特征在地震預測工作中得到了更多應用［15－19］。

2012年9月7日云南省昭通市彝良縣連續發生5．7級、5．6級中強地震。筆者應用中國靜止氣象衛星FY－2C／E亮溫變化資料，發現在地震前后表現出了可以識別的熱紅外異常特征。結合震中區構造活動分析提取該次典型震例的熱紅外亮溫異常信息，研究異常隨時間變化的分布特征、持續時間及異常區特征功率譜幅值，為今后運用熱紅外遙感技術進行地震預報研究提供資料與依據。

1 數據處理過程

1．1 資料來源

本文應用中國靜止氣象衛星FY－2C／E的紅外遙感亮溫產品數據。資料區域范圍為N5°～50°，E55°～150°，這樣可覆蓋整個中國及周邊大范圍區域；選取研究長度為2007年1月1日至2012年9月16日。對北京時間01：00、02：00、03：00、04：00、05：00 （GMT17：00、18：00、19：00、20：00、21：00）的每日觀測數據，用補窗法（對每天5個時次的觀測數據，按照觀測質量，考慮云干擾值為下限、錯值及不符合黑體輻射公式的高值為上限進行剔除，所得數據計算均值，即為日值）進行簡單處理，去除云干擾，計算其平均值，構成日值。

1．2 亮溫數據處理

首先，通過對普朗克輻射公式某一波段各波長值和波段響應函數做積分可得到波段的黑體輻射公式：

其中，mi＝（v2i－v1i）／Δv，i為波段數；B（vi，T）是波數v（cm－1）和溫度T（K）處的光譜輻射出射度（w／m2·sr·cm－1）；f（vm）為對應波段的波段響應函數；v1i和v2i分別是i波段的上、下限波長對應的波數。利用所得每個波段的輻射出射度與溫度的對應關系表可查得對應的黑體的輻射溫度值，該溫度值即為亮溫。

其次，采用小波變換和相對傅氏功率譜法對選取的亮溫數據進行處理。應用小波變換可以在時間域去除年變溫度場和地球基本溫度場。即舍去小波7階的尺度部分。由于雨云和寒熱氣流引起的溫度變化時間較短，一般為幾小時至幾天，這種信息經小波變化可基本去除，即舍去小波2階的細節部分［14］。由于紅外數據量相對較大，可以采用功率譜法獲得優勢頻率和幅值，目的在于研究地震前后熱輻射變化的功率譜與其他時段的功率譜有何異同。文中以n＝64天為窗長、m＝1天為滑動窗長做傅氏變換，計算其功率譜。對每個像元的時程數據滑動一次可獲得一組功率譜，時間約定為窗內數據的起始時間，這樣就獲得了時頻空間數據。用經度為1°的間隔沿緯度方向作時頻剖面圖，尋找幅值變化較大的對應頻率（特征周期）、時間和區域位置參數，再根據特征周期和時間參數作平面圖［14－16］。采用上述功率譜相對變化法可以獲得時頻空間數據，并利用時頻剖面圖法進行全時空和全頻段掃描，最后得到地震熱紅外異常時空演化圖和亮溫平均值時序曲線，從而進行地震熱紅外異常信息的提取和分析。

2 數據處理結果

2．1 地震熱紅外異常演化過程及特征

2012年9月7日云南彝良發生5．7級地震，震中位于27．5°N，104．0°E，發震構造處在西魚河斷裂及昭通斷裂附近，震源深度14km，震型為震群型。該次地震發生在一條NE向的走滑斷裂上，屬于小江斷裂帶內最東側的一條分支斷裂。多年來，這一地區發生過數次MS≥5．0的地震（圖1）。

我們設定掃描分析地理范圍為N21°～33°，E98°～110°，在地震前后的相對功率譜時空演化圖中可以明顯看出7月18日起震中區西部開始出現小面積熱異常（圖2中綠色區域）；隨著時間推移異常范圍沿一定構造應力場方向逐漸擴大，在昭通以西方向呈現不規則形狀；至8月12日異常范圍（圖2中紅色區域）涉及到震中區的東北部；震前25天內異常區域沿NE向持續延伸、快速突變；之后于8月22日由北向南遷移，在震中區內NE、SW方向均有大范圍熱紅外異常，呈帶狀分布，長度達數百公里；到9月1日左右面積達到最大。震中位置始終位于異常突出部位的邊緣，異常總體方向與斷層分布基本一致，可能與該地區構造應力的集中和調整變化相關，但其與主破裂帶的走向關系還有待于進一步的宏觀調查。震后恢復階段（從9月11日開始）可以發現，越靠近發震斷層，異常幅度降低的越快，震中區SW向異常減弱較慢，應與該區域地質構造和天氣因素相關（圖2）。

圖1 云南東部區域地震分布Fig．1 Distribution of earthquakes in east Yunnan．

分析這次熱異常的時空演化發現，異常變化持續較長，震前出現熱異常的區域面積相對較大，形態相對突出，與發震區氣溫變化趨勢不符；而震中恰好在異常最集中區域的邊緣部位，與大多數震例結果相符；震后異常條帶收縮，異常信息逐漸衰減，趨于消失。

2．2 地震熱紅外區域亮溫平均值時間變化特征

熱紅外異常區域平均值亮溫變化通常可以清晰明了的反應地震異常信息，分析該區域五年數據的平均值亮溫變化曲線（圖3），可以得到以下特征：（1）該次地震引起的熱異常持續時間在30天以上，相對明顯；（2）熱異常特征周期為64天，震前特征功率譜幅值為近五年來的最大值，相對變化率達到11倍（2012年9月3日左右）；（3）2012年7月中旬到發震日（2012年9月7日），平均譜值陡增，發震時刻恰好在異常突出后開始回落的階段；（4）震后特征幅值逐漸減小，異常隨之消散；（5）在2009年、2010年、2011年都出現過相對變化率為7倍左右的異常峰值，但未發生與之對應的地震，對比本次異常峰值前幾次異常變化均表現出持續時間短，異常幅度較小等特征，或與該地區在這一時段的降雨等天氣因素相關。

圖2 云南彝良5．7級地震前后熱紅外相對功率譜時空演化圖Fig．2 Time evolution of thermal infrared anomalies in the nearby area of Yiliang MS5．7earthquake＇s epicenter．

圖3 異常區平均譜值時序曲線（區域范圍：27°～27．5°N，101°～101．5°E）Fig．3 Time－series curve of infrared effective observation period in this area（Region：27°～27．5°N，101°～101．5°E）．

3 討論和結論

對于該次地震熱紅外異常，我們在震前的日常工作（每周處理亮溫數據1次）中已有所發現，并且根據其時空演化圖和區域時間序列曲線，編寫出說明異常情況的文件，提交至相關預報部門。但科學問題是需要不斷檢驗和討論的，正是由于目前對地震熱紅外異常的成因機理認識尚不成熟，加之地震異常的復雜性、地域性及氣象異常的干擾性，該異常能否在未來地震預報中作為一種判識指標，還需要實踐的檢驗以及大量震例的研究總結，但地震熱紅外異常在本次地震前的突出反映確是真實可信的。

通過前面對云南彝良5．7級地震前后熱異常分析，可以總結如下特征：

（1）該次地震震前熱紅外異常明顯，異常形態在時域上具有持久性，大致經歷了初始增溫和加強增溫兩個階段，時長在30天以上。異常區域基本沿斷層走向移動和擴展，異常面積增速較快，震中并沒有出現在異常最大區域內，而是在異常區邊緣的斷層附近，這可能與震中附近的地質構造和地下環境有關。

（2）異常區特征功率譜幅值最高達到平均值的11倍，異常峰值出現在震前4天（即異常高值回落階段），峰值過后也是大多數震例中較易發生地震的時段，但各震例發震時刻距高值的時間不盡相同［18］。根據上述演化方向和異常峰值特征，可以為確定未來地震的發震時間、追蹤震中位置提供一些線索。

總之，該地區熱紅外前兆異常與地震孕育、發生、發展以及地震的發震時間、地點具有明顯相關性，異常形態特征、演化過程及時序曲線都具有很強的代表性，今后唯有不斷改善數據處理方法，提高地震預測的精準度，才能為防震減災發揮更大的實效。

致謝：感謝中國氣象局國家衛星氣象中心提供了部分靜止衛星數據資料。

［1］ 強祖基，賃常恭．衛星熱紅外圖像亮溫異常——短臨震兆［J］．中國科學（D輯），1998，28（6）：564－573．

Qiang Z J，Lin C G．Satellite Infrared Brightness Temperature Anomaly——Earthquake Imminent Precursor［J］．Science in China（D），1998，28（6）：564－573．

［2］ 劉德福，彭克銀，劉維賀，等．地震有“熱征兆”［J］．地震學報，1999，12（6）：710－715．

Liu D F，Peng K Y，Liu W H，et al．Thermal Omens before Earthquake［J］．Acta Seismologica Sinica，1999，12（6）：710－715．

［3］ Saraf A K，Rawat P，et al，Satellite Detection of Earthquake Thermal Infrared Precursors in Iran［J］．Nature Hazard，2008，47：119－135．

［4］ 張元生，沈文榮，徐輝．新青8．1級地震前衛星熱紅外異常［J］．西北地震學報，2002，24（1）：1－4．

Zhang Y S，Shen W R，Xu H．Satellite Thermal Infrared A－nomaly before the Xinjiang－Qinghai BorderMS8．1Earthquake［J］．Northwestern Seismological Journal，2002，24（1）：1－4．

［5］ Qiang Z J，Xu X D，Dian C G．Impending－earthquake Satellite Thermal Infrared and Ground Temperature Increase Anomalies［J］．Chinese Science Bulletin，1991，36：1894－1900．

［6］ 張元生，郭曉，張小美，等．應用靜止衛星熱紅外遙感亮溫資料反演地表溫度的方法研究［J］．西北地震學報，2004，26（2）：113－117．

Zhang Y S，Guo X，Zhang X M，et al．Study on the Inversion Method of Land Surface Temperature by Applying IR Bright Temperature Data of Still Satellite［J］．Northwestern Seismological Journal，2004，26（2）：113－117．

［7］ 鄧志輝，王煜，陳梅花，等．中國大陸幾次強地震活動的衛星紅外異常分析［J］．地震地質，2003，25（2）：327－337．

Deng Z H，Wang Y，Chen M H，et al．Satellite Infrared A－nomaly of Several Strong Earthquakes in China Mainland［J］．Seismology and Geology，2003，25（2）：327－337．

［8］ Tronin A A，Hayakawa M，Molchanov O A．Thermal IR Satellite Data Application for Earthquake Research in Japan and China［J］．Journal of Geodynamics，2002，33：519－534．

［9］ 康春麗，陳正位，陳立澤，等．昆侖山8．1級地震的熱紅外前兆特征分析［J］．西北地震學報，2003，25（1）：12－15．

Kang C L，Chen Z W，Chen L Z，et al．Analysis on the Satellite Infrared Anomaly Feature before West to Kunlun Mountain PassMS8．1Earthquake［J］．Northwestern Seismological Journal，2003，25（1）：12－15．

［10］ 徐秀登，徐向民，馬升燈，等．臨震大氣增溫異常成因的初步認識［J］．地震學報，1995，17（1）：123－127．

Xu X D，Xu X M，Ma S D，et al．Primal Knowledge Why Atmosphere Temperature Increases before Earthquake［J］．Acta Seismologica Sinica，1995，17（1）：123－127．

［11］ 強祖基，杜樂天．地球排氣與森林火災和地震活動［J］．地學前緣，2001，8（1）：235－245．

Qiang Z J，Du L T．Earth Degassing，Forest Fire and Seismic Activities［J］．Earth Science Frontiers，2001，8（1）：235－245．

［12］ 張景廉，杜樂天，曹正林，等．再論汶川大地震與深部氣體的關系［J］．西北地震學報，2011，33（1）：96－101．

Zhang J L，Du L T，Cao Z L，et al．More Discussion on the Relationship between Wenchuan Earthquake and Deep Gas［J］．Northwestern Seismological Journal，2011，33（1）：96－101．

［13］ 徐秀登，徐向民，王煜，等．臺灣南投7．6級地震前熱紅外異常［J］．地震學報，2000，22（6）：666－669．

Xu X D，Xu X M，Wang Y，et al．Satellite Infrared Anomaly before NantouMS7．6Earthquake in Taiwan，China［J］．Acta Seismologica Sinica，2000，22（6）：666－669．

［14］ 張元生，郭曉，鐘美嬌，等．汶川地震衛星熱紅外亮溫變化［J］．科學通報，2010，55（3）：904－910．

Zhang Y S，Guo X，Zhong M J，et al．Wenchuan Earthquake：Brightness Temperature Changes from Satellite Infrared Information［J］．Chinese Science Bulletin，2010，55（3）：904－910．

［15］ 張元生，郭曉，魏從信，等．日本9級和緬甸7．2級地震熱輻射表現特征［J］．地球物理報，2011，54（10）：2575－2580．

Zhang Y S，Guo X，Wei C X，et al．The Characteristics of Seismic Thermal Radiation of JapanMS9．0and MyanmarMS7．2Earthquake［J］．Chinese J．Geophys，2011，54（10）：2575－2580．

［16］ 郭曉，張元生，鐘美嬌等．提取地震熱異常信息的功率譜相對變化率法及震例分析［J］．地球物理學報，2010，53（11）：2688－2695．

Guo X，Zhang Y S，Zhong M J，et al．Variation Characteristics of OLR for the Wenchuan Earthquake［J］．Chinese J．Geophys，2010，53（11）：2688－2695．

［17］ 鐘美嬌，張元生．2005年10月8日巴基斯坦7．8級地震熱紅外異常［J］．西北地震學報，2007，29（2）：137－140．

Zhong M J，Zhang Y S．Satellite Infrared Anomaly before PakistanMS7．8Earthquake，October 8，2005［J］．Northwestern Seismological Journal，2007，29（2）：137－140．

［18］ 魏從信，張元生，惠少興．2009年8月11日安達曼群島MS7．5地震熱紅外變化［J］．地震研究，2011，34（2）：41－45．

Wei C X，Zhang Y S，Hui S X．Thermal－Infrared Variation of Andaman IslandsMS7．5Earthquake on August 11，2009［J］．Journal of Seismological Research，2011，34（2）：41－45．

［19］ 強祖基，馬藹乃，曾佐勛，等．衛星熱紅外地震短臨預測方法研究［J］．地學前沿，2010，17（5）：254－256．

Qiang Z J，Ma Ai N，Zeng Z X，et a1．A Study of the Method of Satellite Thermal Infrared Earthquake Prediction in Imminence［J］．Earth Science Frontiers，2010，17（5）：254－256．