2014年鲁甸MS 6.5、景谷MS 6.6地震前的长波辐射异常特征

张丽峰 郭晓 张璇 魏从信 秦满忠

1）青海省地震局，西宁市兴海路1号 810001

2）中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

0 引言

自1800年发现红外线以来，红外技术被广泛用于通讯、安防、医疗等领域，使人们的生产生活方式得到了很大改变。热辐射主要靠红外线传播，随着卫星遥感技术的不断发展，通过卫星红外探测传感器就可了解地面物体的热辐射状态。20世纪80年代，前苏联科学家ГОРНЫЙ（1988）正是在分析中亚地区的热红外遥感影像时发现，地震前2条断层交汇区域出现热红外异常现象。自此，热红外资料被更多的应用于地震研究中，国外学者Ouzounov等（2006）利用Meteosat和Terra／MODIS卫星资料研究了几次强震的热红外辐射变化，得出强震前存在热辐射增强现象，如2001年1月26日发生在印度普杰的7级地震，震前6天出现 LST（land surface temperature）高值异常，震前 4天消失。Tronin等（2002）、Choudhury等（2006）、Saraf等（2012）等学者也做了相关研究。国内对地震热红外异常的研究主要为震例及机理方面的研究，如耿乃光（1998）、吴立新等（2006）进行的机理方面的研究；徐秀登（1991）、强祖基（1998）、马瑾（2000）等开展的震例方面的研究。近年来静止气象卫星数据在地震中的应用研究又取得一些进展（郭晓等，2014；李青梅等，2015；张丽峰等，2016），这种静止卫星资料与Terra、Aqua等极轨卫星资料相比，静止卫星资料的优势在于地点一致性好、时间可比度高。

2014年云南地区相继发生了8月3日鲁甸MS6.5地震和10月7日景谷MS6.6地震。鲁甸地震造成的人员伤亡惨重、次生灾害显著，而景谷地震是自2000年以来云南地区发生的最大地震。为了探究这2次地震的热辐射变化特征，文章选用静止气象风云卫星射出长波辐射（outgoing lang-wave radiation，简称OLR）资料，利用功率谱相对变化法对其进行了分析。

1 资料处理

1.1 数据概况

射出长波辐射通量密度是指波长集中在4～∞μm的电磁波向外太空辐射出的能量密度，其大小主要由发射下垫面温度决定，对于云顶和地面空间，云顶温度低OLR值较小，地面温度高OLR值较大，所以晴空下的 OLR可用于反映地面温度变化（吴晓，2007）。实时OLR产品主要通过中国静止气象卫星自选扫描辐射器VISSR的红外1通道、红外2通道及水汽通道数据反演得出。本研究所用数据来源于静止气象卫星FY-2E，在国家卫星气象中心（http：／／satellite.cma.gov.cn）可下载获取 1日8个时次（00：00、03：00、06：00、09：00、12：00、15：00、18：00、21：00UTC）的实时 OLR数据。选取午夜 15：00、18：00、21：00 UTC等 3个时次数据计算，以避免白天太阳直接辐射造成的干扰；因文件记录区域过大（60°S～60°N、45°～165°E），通过格式转换获取中国及邻区（5°～50°N、55°～150°E）的数据；以 0.05°×0.05°（5km×5km）为最小像元，计算3个时次数据平均值构成日值，并进行了简单去云处理。

1.2 数据处理方法

经上述处理后的数据以二进制格式存储并以年为单位建立数据库，累计到2017年1月1日其数据共有11年。这11年的长波辐射数据中包括2部分温度变化信息，第1部分为云雨、极端气流、地球基本温度场、年变、日变等引起的温度变化，第2部分为其他影响因素（如地震等构造活动）引起的温度变化。从频率域分析，这些影响因素具有不同的频率（陈顺云等，2006），如地球基本温度场和年变温度场属于长周期成分，而云雨和极端气流现象则属于短周期成分，其引起的温度变化时间较短，一般为几小时至几天。小波变换分析方法可对信号进行多尺度细化，是对信号进行时频分析的理想工具。本文采用Daubecheies（db N）小波系中的db8小波基对长波辐射资料进行了小波变换处理，在此基础上又对其进行了功率谱计算及相对处理，具体计算过程详见郭晓等（2010）的文献。处理后的数据为时频相对功率谱空间数据，对各频率数据进行时空扫描以期发现长波辐射异常震兆。

在前人工作基础上，本文计算了地震当年功率谱、功率谱背景值、功率谱标准差等，以期为进一步提取长波辐射地震异常预测指标提供参考。以0.5°×0.5°区域为例，地震当年功率谱用地震当年数据来计算，计算式为

式中，wij为小区域第i天第j个像元的相对功率谱值。功率谱背景值即为计算每年（2006～2015年）相同天的相对功率谱平均值，计算式为

式中，wijk为小区域第k年（2006～2015年）的第i天第j个像元的相对功率谱值。功率谱标准差计算式为

式中，wijk与式（2）中相同，式（2）、（3）不考虑闰年的情况。

2 资料处理结果及分析

2.1 鲁甸地震前长波辐射异常特征

2014年8月3日云南省昭通市鲁甸县发生MS6.5地震，震源深度为12.0km，震中位于27.1°N、103.3°E，该次地震的发震断层为NW向的包谷垴-小河断裂（房立华等，2014）。

对 24°～33°N、95°～106°E区域进行长时间尺度（半年）的扫描，结果发现 2014年6月初有异常出现于怒江断裂与巴青-类鸟齐断裂附近，主要分布在震中西北部且离震中较远；随时间推移，异常逐渐沿东南方向向震中扩展，最后集中分布在理塘-德巫断裂与玉农希断裂的交界处，其展布与鲜水河断裂方向较为一致（图1），在7月初面积达到最大，相对功率谱大于8倍的面积大概为2×104km2；7月中旬异常开始向震中东北部延伸，至7月底震中西北部异常几乎消失，震中东北部异常在8月底逐渐减弱并逐日背离震中。异常总体表现为增强、减弱、消失。

通过分析震中东北部0.5°×0.5°区域2014年的数据，发现该区在地震前33天出现了一次明显的功率谱峰值（图2），约为平均值的10倍；对比该区域10年数据的功率谱背景值与标准差时序曲线，发现在地震前56天地震当年功率谱开始偏离其背景值及标准差，偏离起止时间为2014年6月8日～8月9日，持续62天；地震当年功率谱与其背景值及标准差的最大差值分别为8和7倍。

2.2 景谷地震前长波辐射异常特征

鲁甸地震之后，在10月7日普洱市景谷傣族彝族自治县发生了MS6.6地震，震源深度为5km，震中位于23.4°N、100.5°E，其发震断层正好位于NW向右旋走滑的茶房-普文断裂之间，是两条断裂贯通过程中的构造活动表现（吴坤罡等，2016）。

对21°～27°N、97°～104°E区域进行长时间尺度（半年）的扫描，发现 7月初震中及其附近出现相对功率谱异常，幅度较小；随着时间推移，半个月内异常迅速增强，区域比较集中，震中东侧异常以镇远-普洱断裂为边界，西侧经过澜沧江断裂，其边界与南宁河东支断裂平行，在7月19日面积达到最大，相对功率谱大于8倍的面积大概为2×104km2；随后于7月25日左右震中附近异常基本消失，但在8月初震中西北部异常又逐渐回升且不断增强，在8月5日再次突出呈现，之后减弱并于8月中旬趋于消失（图3）。异常总体的演化过程为增强—减弱—再增强—减弱—消失。

图1 鲁甸6.5级地震前长波辐射相对功率谱时空演化

图2 鲁甸6.5级地震前长波辐射异常时序曲线

通过分析震中附近0.5°×0.5°区域2014年的数据，发现该区在地震前80天出现了1次明显的功率谱峰值（图4），约为平均值的15倍；对比该区域10年数据的功率谱背景值与标准差时序曲线，发现在地震前104天时地震当年功率谱开始偏离其背景值及标准差，偏离起止时间为2014年6月26日～8月18日，持续53天；地震当年功率谱与其背景值及标准差的最大差值分别为12、10倍。

图3 景谷6.6级地震前长波辐射相对功率谱时空演化

图4 景谷6.6级地震前长波辐射异常时序曲线

3 结论与讨论

对2014年鲁甸MS6.5、景谷MS6.6地震的分析表明，2次地震前短期内都存在明显的长波辐射相对功率谱异常，异常特征展布的边缘及走向与断层密切相关。在时间上，鲁甸地震异常出现在2014年6月初，7月初非常明显，8月底基本消失；景谷地震异常出现在2014年7月初，7月19日左右非常明显，之后减弱并8月初再次突出呈现，并于8月中旬趋于消失。在空间上，鲁甸地震异常主要分布在震中西北部，震中在其边缘；景谷地震异常主要分布在震中及西北部，震中在异常内边缘。两者相比景谷地震异常似更为显著，呈现区域更为集中，而且异常有反复增强现象。一次强震释放的能量是相当大的，其引起的地表热异常也是相当可观的，2次地震功率谱异常面积达到最大时，相对功率谱大于8倍的面积都约为2×104km2。从2次地震当年功率谱时序曲线可看到，2次地震前都出现了一次较明显的峰值，均在10倍以上，且都出现在地震前短期阶段内；地震当年功率谱偏离其背景值及标准差值明显，偏离持续时间约2个月；地震当年功率谱与其背景值及标准差的最大差值均在7倍以上。地震当年功率谱偏离其背景值及标准差的起止日期似可作为判别异常开始和结束的指标，偏离持续时间似可作为异常持续时间的指标，这种长时间（偏离持续时间约2个月）、大幅度（最大差值在7倍以上）的偏离或许可作为判别是否为地震长波辐射异常的依据。期盼通过分析样本的不断累积、进化，这些强震长波辐射异常特征能具有短期预测意义，并可为进一步提取长波辐射地震异常定量化预测指标提供参考。

从时间和空间上对2次地震的长波辐射相对功率谱演化特征总结可得出，异常增强期过后开始减弱至后续平静期是可能的发震时间，异常区内部及其边缘是可能的发震地点。功率谱背景值及标准差的计算分析有望在异常指标的定量化方面取得进展。凭有限震例得出的结论肯定只是初步的，还有待分析大量的不同震例样本来深化这些异常现象的指标意义。

致谢：感谢中国气象局国家卫星气象中心为本研究提供的静止卫星长波辐射资料。