基于地震監(jiān)測應用的地表溫度和長波輻射數(shù)據(jù)對比分析

荊鳳， 申旭輝， 康春麗， 熊攀

(1.中國地震局地震預測研究所，北京 100036；2.中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045)

基于地震監(jiān)測應用的地表溫度和長波輻射數(shù)據(jù)對比分析

荊鳳1， 申旭輝1， 康春麗2， 熊攀1

(1.中國地震局地震預測研究所，北京 100036；2.中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045)

從數(shù)據(jù)本身特征及其應用2個方面對地震監(jiān)測中常用的地表溫度(land surface temperature,LST)和長波輻射(outgoing longwave radiation,OLR)數(shù)據(jù)進行了對比分析。利用全球數(shù)據(jù)進行的對比分析結(jié)果表明，2種數(shù)據(jù)在高緯度和中緯度地區(qū)具有空間分布上的一致性，但在赤道及低緯度地區(qū)則表現(xiàn)出明顯差異，認為這一差異與云量分布關系密切；根據(jù)我國大陸的云量分布特點選擇特征點進行LST和OLR的對比分析表明，云量大于65%的區(qū)域，二者的同步性較差，云量低于65%的區(qū)域，則同步性較好。據(jù)此，以同步性較好的青海地區(qū)和同步性較差的中南部區(qū)域為試驗區(qū)，對比了2種數(shù)據(jù)的渦度計算結(jié)果。研究表明，在地震監(jiān)測應用中，利用2種數(shù)據(jù)獲得的地震異常信息在時、空、強特征上表現(xiàn)為相同或不同都是可能的，LST主要是對增溫現(xiàn)象的反映，而OLR則側(cè)重于對整個地-氣系統(tǒng)異常的綜合反映。

地表溫度(LST)；長波輻射(OLR)；地震監(jiān)測

0 引言

地震前孕震區(qū)常常會表現(xiàn)出“熱”異常變化。20多年來，人們利用空間觀測技術(shù)獲得的紅外遙感數(shù)據(jù)及亮度溫度、地表溫度(land surface temperature,LST)、長波輻射(outgoing longwave radiation,OLR)等紅外遙感反演產(chǎn)品陸續(xù)獲得了很多研究成果[1-6]。對于獲得孕震區(qū)“熱”異常這種大范圍、大尺度的變化信息，國際相關機構(gòu)提供的能夠反映地-氣界面或整個地-氣系統(tǒng)熱狀況的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，由于具有連續(xù)、穩(wěn)定及獲取方便等特點成為了可靠的數(shù)據(jù)源。但是這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品在地震監(jiān)測應用中有何特點及區(qū)別，對于開展紅外遙感地震監(jiān)測應用具有重要意義。

本文以目前國際上較成熟且可靠性較高的LST和OLR 2種遙感反演數(shù)據(jù)為研究對象，從數(shù)據(jù)本身特征及其應用2個方面開展對比研究，對2種數(shù)據(jù)由于其反映的信息不同而在地震監(jiān)測應用中的區(qū)別做了初步分析。

1 數(shù)據(jù)簡介

1.1 地表溫度(LST)數(shù)據(jù)

地表溫度(LST)是衡量地-氣界面熱狀況的重要指標。研究選用的地表溫度數(shù)據(jù)為MODIS LST產(chǎn)品。MODIS是EOS計劃中Terra和Aqua衛(wèi)星搭載的傳感器，能夠提供衛(wèi)星每日4次過境的瞬時觀測值。LST數(shù)據(jù)由MODIS獲得的每日4次過境瞬時觀測值計算獲得。本研究使用的月均值產(chǎn)品為通過云掩模計算后的日數(shù)據(jù)處理獲得，最大程度消除了云層的干擾。國際組織對地表溫度的反演精度要求是: 海洋反演精度<0.3 K; 陸地反演精度<1 K[7]。

1.2 長波輻射(OLR)數(shù)據(jù)

長波輻射(OLR)是地-氣系統(tǒng)能量交換的重要指標，反映從大氣層外觀測到的地-氣系統(tǒng)的對外輻射。研究選用的長波輻射數(shù)據(jù)為NOAA OLR產(chǎn)品。OLR值由NOAA衛(wèi)星輻射測量儀10.5～12.5 μm通道的觀測數(shù)據(jù)與大型氣象實驗衛(wèi)星(NIMBUS)寬波段(4～50 μm)的總測值進行匹配并計算得到。在有云地區(qū)，OLR表征的是云頂上層的輻射特征，在無云地區(qū)，表征的則是地表的長波輻射狀況。OLR經(jīng)驗回歸公式的均方根誤差為11 W/m2[8]。

2 數(shù)據(jù)特征對比

本研究選取的上述2類數(shù)據(jù)的空間分辨率均為經(jīng)緯度1.0°。根據(jù)Dobrovolsky等提出的地震孕育區(qū)的計算方法[9]，這種空間尺度的數(shù)據(jù)產(chǎn)品完全具備檢測到5級以上孕震區(qū)范圍內(nèi)紅外異常的能力。

2.1 全球數(shù)據(jù)對比

2.1.1 空間分布特征對比

由于LST數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供的是全球陸表的溫度分布情況，在對比2類數(shù)據(jù)前，為了保證數(shù)據(jù)空間范圍的一致性，首先根據(jù)LST顯示的區(qū)域范圍對海洋上空的OLR數(shù)值進行了掩模處理。通過對比同時期2類數(shù)據(jù)的空間分布，發(fā)現(xiàn)LST和OLR在高緯度和中緯度地區(qū)的空間分布上具有一致性；但是在赤道及低緯度地區(qū)則有明顯的差異，主要表現(xiàn)為OLR為低值，而LST則呈現(xiàn)高值。考慮到LST數(shù)據(jù)基本反映的是晴空條件下的地表溫度情況，而OLR數(shù)據(jù)在有云區(qū)反映的是云頂上的輻射狀況。利用美國國家環(huán)境預測中心NCEP再分析資料中的全球云量數(shù)據(jù)獲得了全球同時期的陸地云量分布，發(fā)現(xiàn)這些表現(xiàn)為明顯差異的區(qū)域均為云量高值區(qū)。因此認為，是由于云對長波輻射的強吸收作用而使得這些區(qū)域表現(xiàn)為長波輻射低值。

2.1.2 相關性分析

基于上述結(jié)論，按照不同緯度范圍將全球陸地數(shù)據(jù)(對海洋進行了掩模處理)劃分為6組，分別為N60°～90°，N30°～60°，N0°～30°，S0°～30°，S30°～60°及S60°～90°，并對每組范圍內(nèi)的LST和OLR數(shù)據(jù)進行了相關分析。以2013年1月數(shù)據(jù)為例，分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同緯度范圍LST和OLR相關性分析Fig.1 Correlation analysis of LST and OLR at different latitudes

研究表明，全球陸地高、中緯度地區(qū)的LST和OLR具有高度線性相關，其中S60°～90°地區(qū)LST和OLR的相關性最強，相關系數(shù)為0.954 5；其次是N60°～90°和N30°～60°地區(qū)，相關系數(shù)分別為0.868 2，0.844 2；S30°～60°地區(qū)相關性再次之，為0.797 6。而在赤道及低緯度地區(qū)，相關性較差，N0°～30°地區(qū)，相關系數(shù)為0.047 6，S0°～30°地區(qū)，相關系數(shù)為0.211 8。這一結(jié)果與前面對2種數(shù)據(jù)空間特征對比獲得的初步結(jié)論是基本一致的。

2.2 中國大陸地區(qū)數(shù)據(jù)對比

首先，根據(jù)1984—2006年國際衛(wèi)星云氣候計劃ISCCP D2產(chǎn)品計算的我國大陸總云量分布情況[10]以及1.0°LST和OLR產(chǎn)品的格網(wǎng)分布特點，在我國大陸區(qū)域內(nèi)選取數(shù)個特征點作為分析點；然后，對選取的每個特征點上的LST和OLR數(shù)據(jù)進行長時間序列對比。

2.2.1 特征點的選擇及分組

按照總云量由多到少的順序選取了共14個特征點，并將其分為5組。第1組：P11，P12；第2組：P21，P22，P23和P24；第3組：P31，P32；第4組：P41，P42，P43和P44；第5組：P51，P52，特征點的位置如圖2所示。

圖2 特征點分布位置Fig.2 Distribution of feature points

2.2.2 數(shù)據(jù)歸一化

由于LST和OLR數(shù)據(jù)具有不同的量綱，為便于比較，先對2類數(shù)據(jù)進行了歸一化處理，即

Xnor=[x-mean(x)]/std(x)，

(1)

式中：Xnor為歸一化值；x為所研究數(shù)據(jù)的原始值；mean(x)為所研究時間段數(shù)據(jù)的均值；std(x) 為所研究時間段數(shù)據(jù)的標準差。

2.2.3 對比分析

以2007年1月—2013年4月為研究時間段，分析每個特征點上2種數(shù)據(jù)的時序分布特征。根據(jù)每組特征點上LST和OLR時序變化特征將5組數(shù)據(jù)分為2類，第1類為第1組和第2組，共6個特征點(P11，P12，P21，P22，P23，P24)，表現(xiàn)為LST和OLR非同步性變化(圖3)；第2類為第3組、第4組和第5組，共8個特征點(P31，P32，P41，P42，P43，P44，P51，P52)，表現(xiàn)為LST和OLR近同步性變化(圖4)。

圖3 第1-2組特征點LST和OLR的時序變化Fig.3 Temporal variations of LST and OLR related to groups 1-2 feature points

圖4-1 第3-5組特征點LST和OLR時序變化Fig.4-1 Temporal variations of LST and OLR related to groups 3-5 feature points

圖4-2 第3-5組特征點LST和OLR時序變化Fig.4-2 Temporal variations of LST and OLR related to groups 3-5 feature points

2類特征點LST和OLR的表現(xiàn)特征如表1所示。

表1 2類(非同步和近同步)特征點LST和OLR的表現(xiàn)特征Tab.1 Performance characteristics of LST and OLR related to 2 types of feature points (non-synchronous and quasi-synchronous)

針對第3—5組各有1個特征點的變化不同于本組其他特征點變化的情況，本文的分析研究認為，第3組P31具有顯著的LST與OLR變化同步性，主要是由于該點位于我國內(nèi)蒙古東部巴林左旗(屬我國東北地區(qū))。根據(jù)對云量分布的分析，東北地區(qū)是天基和地基觀測差異最大的區(qū)域，總云量差達17.4%，這一部分是由于地面資料的不完善，另一部分是由于冬季積雪易誤判為低云，造成觀測值虛高[10]。因此，P31顯示出與第4組更加一致的特征是合理的。第4組中P42相對于其他3個點上的OLR波動性更為明顯，推測主要是由于該點位于青藏高原，高原山脈對氣流的抬升作用易形成低云[11]，而衛(wèi)星對低云的觀測存在欠缺，因此使得該區(qū)的云量觀測值偏低。第5組中P52點所顯示出的OLR波動特征應該也是相同的原因。

3 應用結(jié)果對比

以MODIS LST和NOAA OLR 空間分辨率均為1.0°的數(shù)據(jù)產(chǎn)品為實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)上述分析結(jié)果，分別選取2種數(shù)據(jù)同步性較好(青海地區(qū))和同步性較差(我國中南部)的2個區(qū)域為實驗區(qū)，對比二者的相關性。

利用紅外地震異常信息提取常用的渦度算法[12]計算了2013年1月2個實驗區(qū)的LST和OLR數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，在同步性較好的青海地區(qū)(圖5)，2種數(shù)據(jù)的渦度變化雖不完全相同，但保持基本一致的變化格局，渦度變化高值均主要集中在青海省中北部地區(qū)；而在同步性較差的我國中南部地區(qū)(圖6)，2種數(shù)據(jù)的渦度變化則存在明顯差異，除區(qū)內(nèi)西部和西北有2處渦度高值位置基本一致外，其余變化高值在2種數(shù)據(jù)上所出現(xiàn)的位置均不同。這一結(jié)果和前面的分析結(jié)果是一致的。因此，當利用這2種數(shù)據(jù)分析相同震例時，由于研究區(qū)域本身的特點，在地震異常的時、空、強特征上可能表現(xiàn)為相同[13]或是不同的結(jié)果[14-15]。

圖5 青海地區(qū)2013年1月LST(左)和OLR(右)渦度變化Fig.5 Vorticity variation of LST(left) and OLR(right) over Qinghai region in January,2013

圖6 我國中南部地區(qū)2013年1月LST(左)和OLR(右)渦度變化Fig.6 Vorticity variation of LST(left) and OLR(right) over mid-south of China in January,2013

通過上述分析認為， LST和OLR數(shù)據(jù)應用于地震監(jiān)測各有特點。LST產(chǎn)品提供的是去云的綜合反演結(jié)果，由于對單日來說云的影響很難去除，因此LST更適用于月際變化分析，也就是短期地震監(jiān)測；OLR反映了整個地-氣系統(tǒng)的變化，其值和云關系密切，而在地震孕育過程中，云可能是一種非常重要的前兆參考指標，其變化常常與地震前地下水汽大規(guī)模溢出等綜合引起的低空大氣效應有關[16]，而有關研究也表明震前孕震區(qū)會出現(xiàn)水汽、大氣相對濕度、大氣壓力等的綜合異常變化[17-18]。因此，OLR更多反映的是整個孕震區(qū)地-氣系統(tǒng)的綜合變化特征，對于短期和臨震地震異常監(jiān)測均適用。

4 結(jié)論

通過對比LST和OLR數(shù)據(jù)產(chǎn)品所反映的物理量信息特征以及各自應用于地震監(jiān)測常用數(shù)據(jù)處理算法獲得的結(jié)果，獲得如下初步認識：

1)從LST和OLR數(shù)據(jù)的全球分布來看，二者在高緯度和中緯度地區(qū)具有空間分布上的一致性，但是在赤道及低緯度地區(qū)則表現(xiàn)出明顯差異，其原因與全球云量分布特點有密切關系。

2)根據(jù)云量的分布，在我國大陸地區(qū)選取5組數(shù)據(jù)，通過對歸一化后的2種數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)在云量大于65%的區(qū)域，LST和OLR的同步性較差，云量低于65%的區(qū)域，LST和OLR的同步性較好。

3)利用LST和OLR 2種數(shù)據(jù)獲得的地震異常信息，在時、空、強特征上表現(xiàn)為相同或不同都是可能的，這主要與應用區(qū)域的地-氣系統(tǒng)特點有關。

志謝: 感謝美國航空航天局LAADS( Level 1 and Atmosphere Archive and Distribution System)提供LST數(shù)據(jù)產(chǎn)品！感謝美國國家海洋和大氣管理局地球系統(tǒng)研究實驗室提供OLR數(shù)據(jù)！

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(責任編輯： 刁淑娟)

A comparative analysis between land surface temperature and outgoing long wave radiation based on the application of earthquake monitoring

JING Feng1, SHEN Xuhui1, KANG Chunli2, XIONG Pan1

(1.InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China；2.ChinaEarthquakeNetworksCenter,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100045,China)

Land surface temperature (LST) and outgoing long wave radiation (OLR), which are commonly used in seismic monitoring, were compared and analyzed from their own characteristics and seismic applications. The analytical results of the global data show that LST and OLR at high latitudes and mid-latitudes have the consistency in spatial distribution, but show a significant difference in equatorial and low-latitude regions, and this difference is closely related to the global total cloud amount. The results of feature points selected according to the cloudiness distribution in China’s mainland show that LST and OLR have poor synchronization in the region whose cloud amount is greater than 65% and show better synchronization in the region whose cloud amount is less than 65%. On such a basis, the authors selected Qinghai region where the synchronization is relatively good and mid-south China where the synchronization is poor as the test areas. The results achieved show that the spatial, temporal and intensity characteristics of two types of data can be either identical or different, as shown by the comparison between the two computing results using the vorticity method. LST mainly reflects the warming temperature phenomenon whereas OLR is focused on a comprehensive reflection of the whole earth-atmosphere system.

land surface temperature (LST); outgoing long wave radiation(OLR); earthquake monitoring

2013-11-11；

2014-05-02

國家自然科學基金項目(編號： 41104058)、國家國際科技合作專項項目(編號： 2012DFR20440)及民用航天預研究項目(編號： D040201)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.13

荊鳳，申旭輝，康春麗，等.基于地震監(jiān)測應用的地表溫度和長波輻射數(shù)據(jù)對比分析[J].國土資源遙感，2015，27(1)：81-86.(Jing F,Shen X H,Kang C L,et.al.A comparative analysis between land surface temperature and outgoing long wave radiation based on the application of earthquake monitoring[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1)：81-86.)

TP 79

A

1001-070X(2015)01-0081-06

荊鳳(1979-)，女，副研究員，主要從事遙感技術(shù)在地震中的應用等研究。Email： jennyfer1111@163.com。