氣候變暖背景下安徽省地震時空特征與氣象因子關系研究

楊清 陳偉 王俊 呂希順

摘 要：基于1970—2020年安徽省地震震級和氣象觀測數據，運用相關分析、Mann-Kendall突變分析、Morlet小波分析等方法，研究了地震震級時空特征、突變特征、周期特征及與氣象要素的可能關系。結果表明：（1）安徽省地震最大震級超過5級的有2年，超過4級的有19年，最大的是1979年的5.4級。地震震級與年平均氣溫和相對濕度呈弱負相關，與平均地溫和降水量呈弱正相關，與平均地溫相關系數最大。（2）安徽省地震震級突變點與平均地溫突變年份相同，M-K檢驗曲線均存在多個交點，存在一定的相似性。（3）安徽省地震震級、平均氣溫、相對濕度和平均地溫的第一主周期分別為5a、16a、23a和29a，地震震級周期規律與年平均地溫較為接近。

關鍵詞：地震震級;相關分析;Mann-Kendall法;Morlet小波分析

中圖分類號 P429 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）03-0169-04

1 引言

中國是一個地震頻發的國家，地震給人民帶來了極大的生命財產損失，地震防災減災是人類面臨的共同問題。近年來國內外大震頻發，引起了社會公眾的廣泛關注。在全球增溫背景下，我國生態環境問題突出，極端天氣、災害呈增加趨勢[1-2]。關于地震與降水、氣溫之間存在著某種聯系，可能直接參與了孕震過程的問題，成為很多學者研究的熱點。

安徽省地處長江、淮河中下游，東西（南北）跨度接近6個經（緯）度，屬于由北亞熱帶向暖溫帶過渡的南北氣候過渡帶，近年來全省氣候增溫明顯。為此，本研究基于安徽省地震、氣象要素數據，運用相關分析、Mann-Kendall突變分析、Morlet小波分析等方法，安徽省地震震級時空特征、特變特征、周期特征及與氣象要素的可能關系，以期為地震的預測預報提供參考依據。

2 研究區域、數據來源及方法

2.1 研究區域 安徽省位于安徽省北部，介于東經114°54′～119°37′，北緯29°41′～34°38′之間，地處華東腹地，跨長江、淮河中下游，是中國東部襟江近海的內陸省份。地勢西南高、東北低，地形地貌南北迥異，地處華北斷塊、秦嶺—大別斷褶帶和下揚子斷塊區3個一級地質構造的交匯部位，斷裂構造較為發育，是一個地質構造相對復雜、新構造活動具有一定差異的地區，著名的郯城—廬江斷裂帶斜貫全省，具備發生中強地震的地質構造背景。地處暖溫帶與亞熱帶過渡地區，淮河以北屬暖溫帶半濕潤季風氣候，淮河以南為亞熱帶濕潤季風氣候，南北兼容，季風明顯，四季分明，春暖多變，夏雨集中，秋高氣爽，冬季寒冷。地處中緯度地帶，隨季風的遞轉，降水發生明顯季節變化，是季風氣候明顯的區域之一[3-4]。

2.2 數據來源 1970—2020年地震數據來源于安徽省地震局，1970—2020年地面氣象觀測數據來自中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/）。

2.3 研究方法

2.3.1 Pearson相關分析 通過對安徽省地震震級和氣象要素數據進行Pearson相關分析，研究地震震級和氣象要素之間的關系。

Pearson相關系數的計算公式如下：

其中，變量X是所有點的x坐標的集合，變量Y是所有點的y坐標集合。Pearson相關系數實質上是統計學方法中的一種線性相關系數，可以用來衡量定距變量間的線性關系。Pearson相關系數r越接近于1，表示2個變量的相關程度越高。

2.3.2 Mann-Kendall突變分析 運用MATLAB 2014軟件，使用M-K突變檢驗方法對安徽省地震震級、年平均氣溫、相對濕度和平均地溫進行突變分析。Mann-Kendall（M-K）檢驗是一種非參數統計檢驗方法，與參數統計方法相比不受參數值的影響[5]，該方法適用于氣象、水文等非正態分布資料分析，計算方便，可用來分析地震震級于降水氣溫的變化趨勢，詳細過程見參考文獻[6]。M-K檢驗的順序統計曲線UF與逆序統計曲線UB在臨界線之間的交點對應的年份為可能突變年，只有統計曲線突變點之后超過臨界直線，才表明其通過可信度檢驗。實際應用中，如果臨界線之間出現多個交點的情況，往往說明M-K檢驗方法不能單獨作為判斷依據，本文結合滑動T檢驗進一步確定突變點。

2.3.3 Morlet小波變換分析 利用Morlet小波分析方法，對安徽省地震震級與氣候要素進行周期特征分析。

連續小波變換（Continue Wavelet Transform）的公式為：

式中，[Wf（a， b）]為小波變換系數;[f（t）]為一個信號或平方可積函數;a為伸縮尺度;b平移參數;[Ψ（X-ba）]為[Ψ（X-ba）]為的復共軛函數。

式（2）的離散小波變換形式為：

小波變換通過改變伸縮尺度a來得到信號的低頻或高頻信息，然后分析信號的概貌或細節，實現對信號不同時間尺度和空間局部特征的分析[7-8]。

3 結果與分析

3.1 地震震級時空分布 選取安徽省1970—2020年的歷史地震資料，制作了震級一時間序列圖（圖1）。由圖1可知，安徽省地震最大震級超過5級的有2年（分別出現在固鎮和安慶），超過4級的有19年，最大的是1979年固鎮發生的5.4級地震。由1970—2020年地震最大震級空間分布（圖2）可知，安徽省最大震級空間布局分散，僅在六安市南部較為集中。

3.2 地震活動與氣象要素的相關關系 表1為安徽省地震震級與氣象要素的相關系數。由表1可知，地震震級與年平均氣溫和相對濕度呈弱負相關，與平均地溫和降水量呈弱正相關，與平均地溫相關系數最大為0.130。將著重分析地震震級與平均氣溫、相對濕度和平均地溫的突變關系和周期規律。與降水量相關系數最小，不再分析突變和周期規律。

3.3 地震活動與氣象要素的突變關系 使用M-K突變檢驗方法對安徽省地震震級、年平均氣溫、相對濕度和平均地溫進行突變分析，結果見圖2。圖2中紅色曲線為M-K檢驗的順序統計曲線UF，藍色曲線為逆序統計曲線UB，兩曲線的交點為可能突變年。安徽省地震震級M-K檢驗曲線存在多個交點（圖2A），突變點為2012年，2011年出現了近50年來的次大震級5.2級。安徽省年平均氣溫突變點為1997年（圖2B），1997年后氣溫升高明顯，突變前平均氣溫值為14.79℃，突變后值為15.74℃，經突變升高了0.95℃。相對濕度在1976年發生突變（圖2C），1976年后相對濕度進入振蕩期，2003年后明顯下降。平均地溫M-K檢驗曲線存在多個交點（圖2D），在2012年明顯突變，突變前平均地溫為17.67℃，突變后值為18.40℃，經突變升高了0.73℃。由上可見，安徽省地震震級突變點與平均地溫突變年份相同，有相似的性質。與其他氣象要素的突變年份則不同。

3.4 地震活動與氣象要素的周期對應關系 利用Morlet小波分析方法，對安徽省地震震級與氣候要素進行周期特征分析（圖3），安徽省地震震級和氣候要素均具有明顯的年代際周期變化。由圖3A可知，地震震級存在15～25a的周期，在20世紀80年代至21世紀前十年存在8～12a的周期，始終存在5a左右的周期。小波方差曲線在5a、10a、22a處存在波峰。表明地震震級有5a、10a和22a三大周期，5a為第一主周期，10a、22a第二、三主周期。

由圖3B可知，年平均氣溫始終存在25～30a、14～20a和5～8a的周期。小波方差曲線在7 a、16a和28a處存在波峰，20a處存在不顯著波峰。表明有7 a、16a和28a三大周期，16a和28a最為顯著為第一、二主周期，7a為第三主周期。

由圖3C可知，年相對濕度在始終存在20～25a的周期，在21世紀更為顯著，20世紀80年代后還存在10～15a的周期。此外，21世紀還存在5～10a的周期變化。小波方差曲線在23a，13a和9a處存在波峰。表明相對濕度有23a，13a和9a三大周期，23a為第一主周期，13a為第二主周期，9a為第三主周期。

由圖3D可知，年平均地溫始終存在25～35a的周期，20世紀90年代后還存在12～20a的周期，20世紀90年代前主要存在5～10a的周期。小波方差曲線在7a、9a、16a和29a處存在波峰。表明平均地溫有7a、9a、16a和29a四大周期，29a為第一主周期，7a為第二主周期，9a和16a為第三、四主周期。

由上可見，安徽省地震震級周期屬性與平均地溫較為相似。從小波方差波形看，亦與平均地溫更為接近。

4 結論與討論

（1）安徽省地震最大震級超過5級的有2年（分別出現在固鎮和安慶），超過4級的有19年，最大的是1979年固鎮發生的5.4級地震;安徽省最大震級空間布局分散，僅在六安市南部較為集中。地震震級與年平均氣溫和相對濕度呈弱負相關，與平均地溫和降水量呈弱正相關，與平均地溫相關系數最大為0.130。

（2）安徽省地震震級突變點與平均地溫突變年份相同，有相似的性質。安徽省地震震級M-K檢驗曲線存在多個交點，突變點為2012年，2011年出現了近50年來的次大震級5.2級。安徽省年平均氣溫突變點為1997年，1997年后氣溫升高明顯，突變前平均氣溫值為14.79℃，突變后值為15.74℃，經突變升高了0.95℃。相對濕度在1976年發生突變，1976年后相對濕度進入振蕩期，2003年后明顯下降。平均地溫M-K檢驗曲線存在多個交點，在2012年明顯突變，突變前平均地溫為17.67℃，突變后值為18.40℃，經突變升高了0.73℃。

（3）地震震級有5a、10a和22a三大周期，5a為第一主周期，10a、22a第二、三主周期。年平均氣溫有7a、16a和28a三大周期，16a和28a最為顯著為第一、二主周期，7a為第三主周期。年相對濕度有23a，13a和9a三大周期，23a為第一主周期，13a為第二主周期，9a為第三主周期。年平均地溫有7a、9a、16 a和29a四大周期，29a為第一主周期，7a為第二主周期，9a和16a為第三、四主周期。安徽省地震震級周期規律與平均地溫較為相似。從小波方差波形看，亦與平均地溫更為接近。

參考文獻

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（責編：張宏民）

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