2018年青海稱多MS5.3地震前熱紅外亮溫異常分析及預測回顧

張麗峰, 孫璽皓, 馬茹瑩, 趙玉紅, 胡維云

(1. 青海格爾木青藏高原內部地球動力學野外科學觀測研究站, 青海 西寧 810001;2. 青海省地震局, 青海 西寧 810001)

0 引言

衛星熱紅外遙感資料用于地震研究起始于20世紀80年代,由于資料獲取不受地面條件限制、觀測范圍大、具有動態連續性,因此在地震研究及預測預報中得到了快速的發展和應用。地震熱輻射的研究可以概括分為3類:(1)國內外關于某一地震或幾次地震前的熱輻射研究證實了一些地震前確實存在熱輻射異常,并總結了異常特征[1-8];(2)關于地震熱輻射異常機理的探索研究,主要有地球放氣-電磁增溫說、應變能轉換說、地球溫室效應-大氣耦合說等觀點[9-12],但目前尚未形成統一認識;(3)關于地震熱輻射異常提取方法的研究和應用,如RST(Robust Satellite Techniques)方法、斷層帶內外溫差法、渦度背景場法、連續小波變換法等,這些方法在提取1997年意大利翁布里亞MW5.6地震,2008年汶川MS8.0地震等地震前的熱輻射異常中得到了應用[13-16]。近年來地震熱輻射異常研究也取得了一定進展,如孫珂等[17]基于中國靜止衛星FY-2D和美國極軌衛星NOAA數據分析了尼泊爾地震的長波輻射特征,提出了紅外異常指數算法,為實現多軌道衛星數據監測與地震相關的熱輻射變化提供了依據;魏從信等[18]利用氣象衛星風云二號亮溫數據分析了日本MW9.1地震對區域熱輻射背景場的時頻影響;Natarajan等[19-20]利用射出長波輻射(OLR)資料并結合跨學科數據研究了一些地震前的異常變化,這些異常得到了相互支撐和印證,并且從機理層面作了更深入的解釋;路茜等[21]利用MODIS/Terra衛星紅外數據對川滇地區中強震前的熱輻射異常進行了系統的研究。這些研究均為衛星紅外遙感資料用于地震預測預報提供了有利價值。

張元生等[12]在2010年提出了小波變換和功率譜估計法來提取地震前的熱輻射異常。該方法主要是針對5.5級以上地震的研究[22-24],也有學者利用此方法對5級左右地震進行過研究:張璇等[25]研究了2012年金塔5.4級地震及2016年金塔4.7級地震的熱輻射異常;惠少興等[26]對2017年四川青川5.4級和甘肅臨潭4.3級地震的熱紅外異常進行了研究;2016年12月西藏聶榮5.1級地震前也有明顯的熱異常顯示[27]。這些5級左右地震前亦能觀察到顯著的紅外異常,說明不同區域的地質和大氣環境對熱輻射的敏感程度也不同。作者利用上述方法跟蹤青海地區的熱紅外亮溫資料,在2018年5月6日稱多5.3級地震前提出異常并以分析報告的形式提交于中國地震分析預報網。本文則是對該地震前的亮溫異常進行梳理與回顧,為該地區的地震預測積累一定經驗。

1 地震與數據簡介

據中國地震臺網測定,2018年5月5日0時37分,青海省稱多縣發生MS4.8地震,震中為34.55°N、96.6°E,震源深度8 km,次日17時23分稱多縣又發生了MS5.3地震,震中為34.56°N、96.53°E(圖1),震源深度9 km。兩次地震的震中相差約為6 km,震級相差為0.5級,依據蔣海昆等[28]對序列類型分類的研究，這兩次地震屬于雙震型地震,故文中將這兩次地震簡稱為稱多地震。稱多地震位于巴顏喀拉塊體內部,塊體內的斷裂整體表現為NWW向的走滑斷裂,主要受印度板塊與歐亞板塊的持續碰撞擠壓形成[29]。稱多地震的震源機制解為走滑型,發震斷層為巴彥喀喇山主峰斷裂,重定位后的余震序列為近EW向展布[30]。

圖1 震中及斷層分布圖Fig.1 Distribution of epicenters and faults

本文使用的數據來源于中國靜止氣象衛星FY-2C/E/G星。FY-2系列的第一顆業務衛星為FY-2C,于2004年10月19日發射,定點于距地面35 000 km、105°E赤道上空,星下點分辨率為5 km。FY-2C于2005年6月正式提供數據服務,FY-2E于2009年11月25日替代FY-2C業務,FY-2G于2015年6月3日替代FY-2E業務。FY-2系列業務衛星的有效載荷為紅外和可見光自旋掃描輻射儀,其中紅外波段有4個通道,2通道的波段范圍為11.5～12.5 um。紅外波段數據經輻射定標和幾何校正得到輻射出射度,利用某一波段的黑體輻射公式可獲得輻射出射度與溫度的對應關系表,查表可得相應輻射出射度的黑體溫度,稱為亮溫。衛星每1 h或30 min對地球約三分之一的面積進行觀測,每天至少觀測24次,有9 210格式和標稱格式的日、候、旬、月平均亮溫等多類數據產品。文中所選數據為標稱格式1小時亮溫數據,分辨率為0.05°×0.05°,精度高于極軌氣象衛星,具有時間和地點可比性等優點。為了避免太陽輻射的直接影響,一般選取午夜多個時次(北京時間01:00—05:00)的亮溫數據,自編程序提取5°～50°N、55°～150°E范圍內的數據。在數據進行入庫時,利用補窗法對數據進行簡單的去云處理,對5個時次的數據求均值得到每個像元的亮溫日值。

2 數據處理方法

地表熱輻射的影響因素較多,大致可以分為兩類,一類與地震及構造活動等因素有關,一類與氣象、固有溫度場等因素有關。前者的信號變化微弱、難以分離,后者可依據其具有不同的周期來有效去除。小波變換能將混合在一起的多種頻率成分組成的復雜時間序列分解為各種頻率子序列,本文采用Daubechies(dbN)小波系中的db8小波基對亮溫資料進行小波變換處理。結果顯示7階小波低頻部分具有明顯的年變特征,因此地球基本溫度場和年變溫度場等長周期的影響可通過減去7階小波低頻部分來去除,短時的氣象變換如云雨和極端天氣可通過2階小波高頻部分去除。實際處理為2階低頻信息減去7階低頻信息,處理之后的數據為正負相間的亮溫數據,這部分數據包含了與地震相關的信息。對小波處理之后的數據進行傅里葉變換并求其功率譜,可獲得每個像元不同時頻的功率譜,具體處理為以64天為窗長,1天為滑動窗長作傅氏變換。因為多數震例的異常持續時間為10～90天[31],所以計算了6個頻率,對應的中心頻率分別為64、32、21、16、13、11天。為了減少海拔、地物等因素的差異造成的影響,對功率譜作了幅值相對處理,對每個像元的相對功率譜進行全頻段全時空掃描,可發現異常出現時間及分布區域。

3 結果分析與預測回顧

利用小波變換和功率譜估計法對中國靜止氣象衛星亮溫資料持續跟蹤發現,2018年2月中旬亮溫相對功率譜3頻(中心頻率21天)資料在青海玉樹藏族自治州的治多、雜多縣境內出現了小區域異常。隨時間的演化,異常以出現區域為中心向東西兩側呈條帶狀延展,條帶逐漸加寬,至3月8日左右面積達到最大,約為9萬km2。東西向展布的異常與區內巴彥喀喇山主峰斷裂等NWW走向的斷層有一定相似性。3月中旬異常開始明顯收縮,收縮過程與增強過程方向相反,3月底其形態、位置與2月中旬相似。異常整體分布集中,幅度高,持續時間約為2個月。限于篇幅,圖2以3天、5天、7天為間隔選取了12副相對功率譜日值圖,展示了異常出現、東西向擴展并增強、反方向收縮并減弱、消失的演變過程。選取熱輻射較強區域(33.0°～33.5°N,95.0°～95.5°E),研究其近4年數據的相對功率譜曲線變化,發現在2018年3月初相對功率譜達到峰值,峰值為平均值的13.5倍,相對功率譜大于平均值6倍的持續時間為41天。該地區在稱多地震前后幾年均無5級以上地震發生,在時序曲線上也反映出了除稱多地震以外的其他時段相對平靜的特征(圖3)。2018年稱多5.3級地震與該異常的時空關系為:在空間上地震發生在異常區邊緣不到100 km處;在時間上地震發生在相對功率譜達到峰值之后的58天。

圖2 稱多地震前亮溫異常演化圖Fig.2 Evolution of brightness temperature anomalies before Chenduo earthquake

在2018年稱多5.3級地震發生之前,對上述異常就有了一定認識。首先分析了該異常是否為地震異常,主要依據為總結以往震例所表現出的特征,即相對功率譜幅值在平均值的6倍以上、持續時間為一個月左右、與構造有一定的相關性,本次異常滿足上述條件。其次為判定異常的可靠度,作者分析了青海地區長時間(2006—2017年)各頻率異常與5級以上地震的對應關系,認為3頻和5頻資料的對應率較高,異常滿足優勢頻率條件。對比異常區近年的相對功率譜資料發現,該區無熱輻射異常,相應的也沒有5級以上地震發生,在時序曲線上也表現出相對功率譜幅值較低的特征。綜合判定該異常有一定的可靠性,因此在青海省地震局地震趨勢會商中重點提出該異常并于2018年3月28日完成異常分析報告提交于中國地震分析預報網(1)青海省地震局.青海地區近期熱紅外異常分析報告.2018.。依據大量震例與異常之間的時空關系以及對青海地區大量異常的分析,在異常分析報告中給出了這樣的結論:異常有一定的可靠度,對應發生地震的概率為56%,預測震級為5.5級左右,時間為3月初到6月初,地點為異常區內及其邊緣附近。目標地震即2018年稱多5.3級地震發生在異常區北部不到100 km處,震級和時間都在預測范圍之內。

圖3 稱多地震熱輻射異常相對功率譜時序曲線Fig.3 Relative power spectrum curve of thermal infrared anomaly for Chenduo earthquake

4 結論與討論

4.1 討論

大量的震例研究表明一般5.5級以上地震有明顯的熱紅外亮溫異常[22-24],也有一些5級左右地震在震前出現了熱輻射異常[25-27],這說明受地理環境、氣候、構造等因素的影響不同地區的地震對熱輻射的敏感程度不同。稱多地震位于青藏高原東緣的巴顏喀拉塊體內部,屬于獨特的高原氣候。稱多地震的震級偏低,但在震前的資料跟蹤過程中確實有明顯的亮溫異常出現,為了對本次異常有更加全面的認識,選取稱多地震周圍震級相當的地震,研究其亮溫異常情況。為了盡可能地降低構造和氣候環境造成的影響,選取2006年以來稱多地震160 km范圍位于巴顏喀拉塊體內部的地震作為研究對象,選擇2006年以來的地震主要是為了和熱紅外數據的有效使用時間保持一致。滿足上述條件的地震事件有兩次,分別為2006年3月30日青海格爾木MS5.2地震及2015年10月12日青海瑪多MS5.2地震(圖1),這兩次地震的相關參數列于表1。

表1 地震相關參數表

分別選取兩次地震震中約500 km的區域,分析地震前四個月每個頻率對應的相對功率譜資料,結果顯示兩次地震前均未出現明顯的熱輻射異常(圖4)。對比分析3次地震的相關參數:地震均發生在巴顏喀拉塊體內部,所處動力學環境一致,震中附近或發震斷層均為NWW向的左旋走滑斷裂,震源機制解均為走滑型[32];地震發生區域平均海拔為4 500 m,氣溫低、冬季長、夏季短,所屬的氣候環境具有相似性,發震時間均為高原上較為寒冷的時段;地震均屬于淺源地震,前2次地震分別為主余型和孤立型,稱多地震為雙震型;前2次地震無熱輻射異常而稱多地震在震前表現出了明顯的熱輻射異常。綜合上述多方面的分析,在所處動力環境等一致的條件下,只有地震類型不一致。雙震型地震在孕震、發震過程中與其他類型地震的能量分配方式不同,一般雙震型地震的熱輻射異常現象較為突出[33],此次稱多地震前出現熱紅外亮溫異常可能與其是雙震型地震有關。

4.2 結論

本文以衛星熱紅外亮溫資料為數據基礎,以小波變換和功率譜估計為研究方法,分析了2018年稱多5.3級地震前的熱輻射異常,并回顧了整個預測過程,得出以下幾點認識:

(1) 稱多地震前的熱紅外亮溫異常的演變表現為出現、增強、減弱、消失4個階段,異常呈條帶狀分布且與斷層走向基本一致。該地區在稱多地震前后幾年均無5級以上地震發生,在時序曲線上也反映出了除稱多地震以外的其他時段相對平靜的特征。

(2) 描述異常的一些特征參數為特征周期21天、相對功率譜峰值13.5倍、地震發生在峰值后58天、相對功率譜大于6倍的持續時間41天,均在以往震例研究結果的參考范圍內。

圖4 2006年格爾木地震與2015年瑪多地震前的熱輻射演化圖Fig.4 Evolution of thermal infrared anomalies before Golmud earthquake in 2006 and Maduo earthquake in 2015

(3) 在稱多地震前通過對本次異常的綜合分析認為其是地震異常的可能性較大,并給出了預測意見,目標地震發生的時、空、強三要素均與預測意見相吻合。回顧2018年稱多地震的預測過程可總結為分析-判定-預測-檢驗4個階段,可為區域震情判定提供新的經驗。

(4) 類比同地區其他震級相當地震的熱輻射變化情況,結果發現稱多地震前出現熱輻射異常可能與其是雙震型地震有關。

致謝:感謝張元生研究員提供了熱紅外數據分析計算軟件。