2016年新西蘭凱庫拉MW7.8地震前空間大氣擾動

虞良斌 高 飛 屈小川 安家春 綦子民

1 合肥工業大學土木與水利工程學院，合肥市屯溪路193號，230009 2 武漢大學中國南極測繪研究中心,武漢市珞喻路129號，430079

地震是地殼快速釋放能量過程中造成的地面振動，因此，可以利用震前溫度或電離層異常擾動的動態變化來監測、預測地震[1-3]。但很多研究在分析震前異常征兆時忽略了溫度和電離層異常擾動在時間和空間上的內在聯系和發展。

本文以2016-11-13新西蘭南島凱庫拉發生的MW7.8大地震(42.53°S,173.05°E)為例，利用數值天氣模式資料和GNSS觀測數據對震前溫度及電離層異常發生、發展過程及內在關聯性進行初步探討，以期為震前異常征兆監測提供參考與借鑒。

1 數據來源及異常檢測方法

1.1 VTEC及異常檢測方法

顧及接收機端和衛星端的硬件延遲，建立如式(1)的區域VTEC多項式模型，利用載波相位平滑偽距[4]和最小二乘法[5]求解模型系數：

9.524 37(ΔBS+ΔBR)cosz′

(1)

式中,n、m為階數，Eik為待求解的多項式模型系數，φ0為測區中心點的地理緯度，S0為測區中心點(φ0，λ0)在該時段中央時刻t0的太陽時角，z′是穿刺點處的天頂距，ΔBS為待求的衛星硬件延遲，ΔBR為待求的接收機硬件延遲。

從GeoNet網站(http:∥www.geonet.org.nz)下載2016年新西蘭南島地區14個GPS連續跟蹤站的觀測數據，跟蹤站分布見圖1(因NLSN站和WITH站位置接近，故只顯示了WITH站)。為驗證解算VTEC值的準確性，基于式(1)求得各測站的VTEC，并與IGS提供的GIM結果進行對比。圖2給出2016-11-01～07 CMBL站的VTEC值與 IGS提供的GIM數據。可以看出，兩者吻合度較高，最小差值和最大差值分別為0.02 TECu和3.1 TECu，7 d的RMS僅為0.713 TECu。表明本文解算的VTEC值精度較高，能夠用于震前電離層異常檢測研究。

圖1 GPS連續跟蹤站與震中位置Fig.1 GPS continuous tracking stations and epicenter location

圖2 CMBL站建模的VTEC與IGS的GIM對比Fig.2 Comparison between modeled VTEC and GIM of IGS at CMBL station

滑動四分位距法[6]是當前VTEC異常提取中常用的有效方法之一。依據式(2)、(3)確定VTEC值上、下閾值U上、U下：

U上=Q2+k(Q3-Q1)

(2)

U下=Q2-k(Q3-Q1)

(3)

式中，Q1、Q2和Q3分別為下、中和上四分位，k為倍常數，決定閾值的大小。當k取1.5時，上下閾值差約為標準差的2倍，此時異常探測的置信度為95%[7]，且k越大，模型對異常值的敏感度越低。當某時刻檢測數據大于或者小于閾值時，判定該時刻VTEC出現異常，大于上閾值為正異常，小于下閾值為負異常。

1.2 溫度及異常檢測方法

ECMWF最新發布的ERA5再分析資料具有高時間分辨率(1 h)和高空間分辨率(約31 km)[8]。本文下載震前15 d以及震后7 d的溫度數據，數據范圍以震中為中心，覆蓋整個地震發生區域(169°～177.25°E，37.75～47°S)。

圖像差值法直觀易懂，且能在一定程度上排除地形、地面和氣象等客觀因素帶來的干擾，是檢測溫度異常的常用方法之一，但該方法必須選取合適的參考背景值[9]。天體引潮力作為一種能夠在震前計算的地殼形變物理參數，其反映的地質構造作用與地震熱異常本質是一致的，因此可以作為選取參考背景溫度值的依據[10]。

綜上，本文使用震前引潮力及ERA5的溫度數據，利用圖像差值法提取震前溫度異常。

2 新西蘭地震震例分析

2.1 VTEC異常分析

基于滑動四分位距法提取14個測站震前20 d及震后3 d(2016-10-25～11-16)的VTEC異常值。圖3(e)給出了CMBL站的VTEC異常擾動值。從圖中可以看出，該站于10-28、11-03、06、09分別出現3.5 TECu、1.3 TECu、0.8 TECu、1.8 TECu的正異常。考慮到VTEC同樣會受到日地空間活動的影響而產生異常，因此需排除與日地空間活動有關的VTEC異常現象。從美國NGDC和日本京都地磁中心下載同期的4個反映日地空間活動的指數，并依據表1中的常用設置[11-12]將其分成3個級別，分別表示低、中和高3種日地活動水平。

圖3 2016-10-25～11-16日地空間活動指數Fig.3 The indices of terrestrial space activityfrom October 25 to November 16, 2016

根據表1及圖3可以看出，F10.7指數在23 d內都未發生異常變化，其余3種活動指數在2016-11-04～09、15、16這8 d內都處于正常水平，而在其余時段內3者都發生了或強或弱的異常變化，因此可以認為這8 d內的VTEC異常與此次地震相關。CMBL站在2016-11-06、09的正異常與此次地震有關。

表1 各日地空間活動指數的活動水平

為了進一步研究各測站VTEC異常與地震的關聯性，給出各測站VTEC異常擾動時間及量級(圖4)。結合圖3日地活動水平可知，除了2016-11-06、09，其余時間段的VTEC異常都與日地空間活動有關。在2016-11-06，除了震中西南方向的HOKI和MRBL站外，其余12個測站都出現VTEC正異常，最大正異常發生在CMBL站，約1.8 TECu；而在2016-11-09，除了震中東北方向的WGTN和TORY站外，其余12個測站都出現VTEC正異常，最大正異常發生在WITH站，約2.5 TECu。對比各測站的VTEC異常值可知，本次地震最大VTEC異常值出現在震中偏北的位置，與本次地震能量釋放方向一致。此外，相同方位測站VTEC異常值大小隨著震中距的增大而略微減小。

圖4 各測站出現VTEC擾動時間及量級Fig.4 Time and magnitude of VTEC disturbances at each station

2.2 溫度異常實驗分析

引潮力是周期性變化的，由其誘發的地震多發生在周期振幅相位最大值或最小值處。從圖5可以看出，新西蘭地震發生時引潮力處于高峰，反映了引潮力對地應力達到臨界點的活動構造具有誘發作用。2016-11-07引潮力處于低谷，因此可作為本次地震溫度異常提取的參考背景值。將2016-11-08～17的溫度值與2016-11-07同時刻的溫度值相減，就可得到同區域不同氣壓層的溫度變化圖像。為避免日間太陽輻射的影響，選取夜間(世界時12：00)的溫度數據進行震前溫度異常檢測[13]。

圖5 凱庫拉MW7.8地震天體引潮力時序變化曲線Fig.5 Time series curve of astro-tidal-triggering of Kaikula MW7.8 earthquake

圖6為研究區2016-11-08～17的溫度異常時空變化。可以看出，震中北向和東向位置在震前及震后都出現異常增溫。由于地震熱異常在自下而上的傳導過程中逐漸減弱，因此隨高度上升，溫度異常增幅呈現出明顯的降低，越接近地表面，增溫現象越明顯。2016-11-08～10所有氣壓層的異常增溫區域和幅度都逐漸增大，同時向震中移動，并在震前3 d(2016-11-10)達到最大，可達6 K。隨后2016-11-11～12異常增溫出現衰減；2016-11-13地震發生前，溫度異常僅增加3 K。地震發生后，由于地表大面積破裂，形成熱通道，釋放大量熱量，故地震當天(2016-11-13)和震后1 d(2016-11-14)增溫面積大幅度增加，增溫異常區覆蓋整個震中區域，且增溫幅度達到12 K。震后2 d(2016-11-15)增溫面積較前1 d(2016-11-14)稍有減少，但局部地區增幅仍然達到10 K。2016-11-16～17增溫快速衰減，且逐漸恢復平靜。綜上，此次地震前后溫度異常過程為：增溫(2016-11-08)-增溫加強(2016-11-09～10)-增溫衰減(2016-11-13)-再次增溫-達到增溫高峰(2016-11-14～15)-快速衰減(2016-11-16～17)。這與2001-11-14昆侖山MS8.1地震[13]、2013-04-20蘆山MS7.0地震[14]震前溫度出現的起始增溫-增溫加強-高峰-快速衰減異常特征相似。

2.3 分析討論

基于天體引潮力提取的震前增溫異常具有增加-削弱-高峰-衰減的變化特點，這與震前巖石破裂遵循的應力微破裂-破裂-閉鎖規律有著很強的相似性[15]。在不同的氣壓層，溫度異常分布具有相似性，但隨著氣壓的不斷抬升，溫度異常逐漸衰減。本文同樣處理了與引潮力相位變化相似的2個時段的溫度數據，并未發現溫度異常現象，因此認為，此次溫度異常與地震活動有關。2016-11-08出現溫度異常，隨后2016-11-09出現電離層異常，且電離層異常區域與溫度異常區域具有高度一致性(圖7)，這進一步表明震前溫度異常與電離層異常存在一定關聯。對于震前電離層異常以及溫度異常的成因至今沒有確切的解釋。電離層異常主要有聲重力波說和電磁輻射說，其中，電磁輻射說[16]認為地球巖石的破裂會導致內部的帶電粒子溢出進而引起電磁場的異常。對于臨震低空大氣增溫的成因[17]主要有2種學說：一是大氣靜電場的極化作用；二是異常大氣的增溫效應，即在地表微破裂后會溢出N2、CO2等異常增溫氣體。震前溫度異常并不是單一因素引起的，而是多種因素共同作用的復雜過程。在此次地震中，震前5 d(2016-11-08)出現的溫度異常很大程度上是由于地表微破裂溢出的帶電粒子在大氣靜電場的極化作用下導致的，這種作用在自下而上的傳遞過程中導致了電離層異常；而震后1～2 d(2016-11-14～15)的大面積溫度異常可能是由于地表的完全破裂導致溫室氣體溢出，在自下而上的傳遞過程中并不會達到電離層，因此震后未監測出明顯的電離層異常。這種震前同區域出現的溫度異常和電離層異常可作為地震異常檢測的征兆，以提高地震預測的準確性。

3 結 語

本文依據ERA5再分析溫度數據和電離層VTEC數據捕捉2016-11-13新西蘭MW7.8地震發生前的空間大氣擾動現象，再次驗證了強震來臨前會發生電離層異常和大氣溫度異常，且兩者并不是孤立存在的。文中大氣溫度異常現象始于2016-11-08，隨著時間推移具有增溫-增溫加強-增溫衰減-增溫高峰-快速衰減的變化特征。由于地震熱異常在自下而上的傳導過程中逐漸減弱，因此增溫幅度隨高度呈衰減趨勢。此后，同方位區域于2016-11-09出現電離層異常現象，表明震前大氣擾動存在一定的時空關聯性，這一特征有助于強震預測。

致謝：感謝中國地震臺網中心馬未宇老師提供天體引潮力數據。