地震紅外背景場研究進展與示范區(qū)亮溫背景場構建*

孟慶巖 盧 顯 邵楠清申旭輝 耿 飛 王園園

1) 中國北京100101中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所 2) 中國北京100045中國地震臺網(wǎng)中心 3) 中國南京210044南京信息工程大學大氣物理學院 4) 中國北京100085中國地震局地殼應力研究所 5) 中國山東青島266590山東科技大學測繪科學與工程學院

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地震紅外背景場研究進展與示范區(qū)亮溫背景場構建*

1) 中國北京100101中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所 2) 中國北京100045中國地震臺網(wǎng)中心 3) 中國南京210044南京信息工程大學大氣物理學院 4) 中國北京100085中國地震局地殼應力研究所 5) 中國山東青島266590山東科技大學測繪科學與工程學院

本文綜合闡述了國內(nèi)外紅外背景場的研究進展， 進而基于2010—2013年FY-2E衛(wèi)星熱紅外亮溫數(shù)據(jù)構建了首都圈和甘青川交界地區(qū)的亮溫背景場， 并對其時空演化特征予以分析． 研究結(jié)果表明， 紅外亮溫背景場時間上主要受季節(jié)變化影響， 空間上主要受地形影響， 為地震熱異常的判定和識別提供了研究基礎和依據(jù)．

衛(wèi)星遙感 地震 熱紅外異常 背景場 首都圈 甘青川交界區(qū)

引言

地震是人類面臨的重大自然災害之一， 我國更是全球陸內(nèi)地震活動最嚴重的國家， 我國境內(nèi)地震具有活動頻度高、 強度大、 分布廣、 震源淺等特點(羅灼禮等， 1997)， 因此， 加強地震科學研究以支撐監(jiān)測預報至關重要． 20世紀末， 震前地表熱異常被證實并陸續(xù)開展研究， 取得了一些成果(強祖基等， 1990； 徐秀登等， 1991， 1992)． 隨著遙感技術的快速發(fā)展， 海量時空連續(xù)的紅外遙感數(shù)據(jù)為多時空尺度震前熱異常分析奠定了良好的基礎． 而震前熱異常是相對背景信息而言， 作為由季節(jié)更替、 地理位置、 下墊面、 天氣變化等非震因素疊加的熱紅外背景噪聲， 背景場是區(qū)別地震異常的判斷標準(孟慶巖等， 2014)， 是判定地震異常的前提和基礎． 因此， 紅外背景場研究對開展地震前兆研究和監(jiān)測預測具有重要意義和實用價值． 本文擬系統(tǒng)介紹紅外背景場的構建方法， 總結(jié)其研究現(xiàn)狀， 并采用我國靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)構建首都圈和甘青川交界地區(qū)的月、 季、 年紅外亮溫背景場， 研究其時空演化特征， 以期為紅外背景場構建與研究提供參考．

1 地震紅外背景場研究進展

1.1 紅外背景場研究現(xiàn)狀

震前熱異?，F(xiàn)象被證實后， 地震熱異常研究陸續(xù)展開， 一般通過計算震前數(shù)月或數(shù)日的紅外參量場與紅外背景場的差值提取異常， 間接地促進了紅外背景場研究．

目前， 紅外背景場的構建主要采用均值法， 即基于多年歷史數(shù)據(jù)取均值， 進而分析其時空演變特征． 陳順云(2006)基于1981—2001年美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration， 簡寫為NOAA)發(fā)布的地表亮溫數(shù)據(jù)， 采用小波分析方法， 提取了地表亮溫年變基準場， 并與傳統(tǒng)均值法對比， 認為該方法構建的基準場離散度更?。?馬曉靜(2008)以2000—2001年GMS-5各月高值和月均值構建中國大陸地區(qū)的亮溫背景場， 并分析其時空分布特征， 提出亮溫梯度概念來探討月亮溫差值與大地熱流值的關系． 荊鳳等(2009)基于1979—2008年NOAA長波輻射月均值， 構建中國及其周邊地區(qū)的長波輻射月背景場， 認為還需進一步對構造區(qū)域內(nèi)的長波輻射特征進行細化分析． 溫少妍(2011)基于NOAA地表亮溫數(shù)據(jù)， 采用均值法構建首都圈和祁連山的旬、 月、 年亮溫背景場， 其結(jié)果顯示亮溫空間分布主要受地形地貌與斷層控制． 閆麗莉(2012)基于中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer， 簡寫為MODIS)和先進的微波掃描輻射計(advanced microwave scanning radiometer， 簡寫為AMSR)所獲取的數(shù)據(jù)， 采用均值法分別構建了川滇地區(qū)紅外亮溫和微波亮溫月背景場， 并研究二者的定量關系， 某種程度上彌補了因云雨天氣無法獲取紅外亮溫而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)連續(xù)性差的問題．

利用均值法構建背景場在地震異常提取中的應用較廣泛， 多采用長時間序列數(shù)據(jù)． 例如： 陳梅花等(2006)使用了1980—2003年長達23年的地表潛熱通量(surface latent heat flux, 簡寫為SLHF)日值數(shù)據(jù)； Panda等(2006) 使用了2000—2004年MODIS地表溫度數(shù)據(jù)； 李金平等(2008)選取1995—1998年長達4年的NOAA熱紅外數(shù)據(jù)； 荊鳳等(2012)選取2001—2011年長達11年的NOAA長波輻射渦度場．

由于數(shù)據(jù)量不足和異常提取方法不同等原因， 部分研究人員通過選取某時間點或某空間區(qū)域的熱參量場作為基準背景場開展特定震例研究． 康春麗等(2003)以昆侖山口西MS8.1地震前平靜期2001年11月3日GMS-5亮溫場作為背景場， 采用差值法分析該地震前后的亮溫變化． 馬未宇(2008)針對汶川地震， 根據(jù)天體引潮力周期提取時間信號， 將天體引潮力由正值轉(zhuǎn)為負值的當天美國國家環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Prediction， 簡寫為NCEP)溫度場作為背景場開展研究． 陳梅花等(2007)針對2000年姚安MS6.5地震， 采用斷裂帶內(nèi)外差值法， 以斷裂帶外15—30 km亮溫場均值作為參考背景， 將斷裂帶15 km內(nèi)的亮溫場作為地震熱異常區(qū)， 對二者進行差值提取異常．

綜上可見， 國內(nèi)外研究人員基于地表溫度、 亮溫、 長波輻射、 潛熱通量、 NCEP資料， 多以長時間序列均值作為背景場， 但也有以震前某平靜期， 或以空間鄰近地震活動區(qū)的相對平靜區(qū)的熱參量場作為背景場， 運用差值法提取震前熱異常信息， 用以研究震前熱異常與地震的時空關系．

1.2 紅外背景場研究現(xiàn)存不足

盡管紅外背景場研究已引起一定重視， 但在背景場構建尺度、 理論分析及數(shù)據(jù)廣度等方面的關注尚不足． 構建尺度上， 以往的紅外背景場研究多針對較大時空尺度分析其宏觀特征， 精細尺度分析相對較少， 缺少針對具體研究區(qū)域時空演變特征的系統(tǒng)分析， 且多時間尺度分析不夠， 使背景場特征研究難以深入． 理論分析上， 紅外背景場影響因子體系尚不系統(tǒng)， 也不成熟， 其影響機理研究不多， 特別是針對下墊面具體特征、 大氣運動等因素分析不足， 尚未形成一套成熟的真實性檢驗技術流程， 導致背景場在地震異常提取中的應用程度不夠． 數(shù)據(jù)廣度上， 目前紅外背景場數(shù)據(jù)源主要為NOAA和MODIS， 國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用較少， 缺乏多源數(shù)據(jù)的融合和對比分析．

綜上， 亟需強化基于多源數(shù)據(jù)的多時空尺度紅外背景場構建研究， 綜合多因子建立其影響因子體系， 加強影響機理研究． 本文將針對以上問題， 利用4年FY-2E衛(wèi)星數(shù)據(jù)， 構建首都圈和甘青川交界地區(qū)兩個地震危險區(qū)不同尺度的紅外亮溫背景場， 并初步探討其時空演化特征．

2 亮溫背景場構建方法

2.1 數(shù)據(jù)

我國FY-2E靜止氣象衛(wèi)星于2008年12月成功發(fā)射， 其有效觀測范圍為60°S—60°N， 45°E—165°E， 其亮溫數(shù)據(jù)從2009年底對外發(fā)布， 空間分辨率為5 km．

由于白天的太陽輻射對地表亮溫的觀測數(shù)據(jù)影響較大， 因此本文選取24:00—4:00時段內(nèi)5個整點的觀測資料進行研究． 在亮溫背景場構建之前， 首先根據(jù)數(shù)據(jù)格式完成投影和插值計算， 再用補窗法對每個像元進行簡單去云處理， 以保證亮溫背景場計算結(jié)果能真實地反映無震時期的亮溫正常變化規(guī)律． 本文采用2010年1月12日—2013年12月30日的亮溫數(shù)據(jù)， 預處理完成后共得到1385個數(shù)據(jù)文件．

2.2 亮溫背景場構建

構建研究區(qū)域連續(xù)多年的紅外亮溫背景場， 對該區(qū)域震前亮溫異常提取十分重要． 本文基于4年FY-2E靜止衛(wèi)星紅外夜間亮溫數(shù)據(jù)， 計算首都圈和甘青川交界區(qū)不同時段的亮溫均值作為背景場表征量. 亮溫均值的表達式為

圖1 背景場構建方案Fig.1 Background field construction

(1)

式中，T(x,y,t)為(x,y)處t時刻N年內(nèi)的亮溫輻射平均值,N為所用數(shù)據(jù)的時間長度，Ti(x,y,t)為研究區(qū)域點(x,y)處第i年t時刻的輻射觀測值.

應用該方法分別計算分析首都圈和甘青川交界區(qū)兩個研究區(qū)的亮溫背景場變化特征， 具體計算結(jié)果包括月均值、 季均值和年均值， 構建方案如圖1所示， 在該構建基礎上分析背景場變化規(guī)律和影響因素.

3 首都圈地區(qū)亮溫背景場

3.1 研究區(qū)概況

首都圈地區(qū)(圖2)是位于華北地區(qū)坳陷盆地北緣的地震活動較強區(qū)域， 在區(qū)域正斷層

圖2 首都圈研究區(qū)及斷裂分布 Fig.2 Capital circle region and faults

控制的應力場作用下形成一系列盆-嶺構造(韓月萍等， 2009)． 這些NEE向盆地和斷裂分布最終形成了以燕山山脈隆起為背景面向華北平原沉降的格局(王若柏等， 2004)．

3.2 亮溫背景場時空特征

2010—2013年首都圈亮溫月背景場主要受季節(jié)更替和地形變化的影響． 以2013年亮溫月背景場為例(圖3)， 首都圈亮溫背景場總體表現(xiàn)為夏季高、 冬季低的變化趨勢， 研究時段內(nèi)1—7月亮溫逐漸升高， 至8月亮溫值達到最高， 而后逐漸降低直至12月． 上述亮溫變化與季節(jié)變化規(guī)律相符， 也符合當?shù)貧鉁刂档淖兓?guī)律． 空間上， 研究區(qū)東南部華北平原的亮溫值明顯高于西北部山區(qū)． 同時， 亮溫值隨地形海拔高度的增加逐漸降低， 表明亮溫值與地表高程主要呈負相關． 此外， 如圖3所示， 渤海灣水域溫度偏高， 其變化幅度相對于華北平原較小， 而西北部山區(qū)的亮溫變化隨季節(jié)變化幅度最大， 這些現(xiàn)象均與地表熱輻射特性一致．

圖3 2013年首都圈紅外亮溫月背景場

由圖3所示的2013年紅外亮溫月背景場變化可以看出， 在3， 4， 10， 11和12月， 有一條區(qū)域紅外亮溫較周邊區(qū)域略高， 該區(qū)域?qū)儆谔猩矫}東邊緣， 海拔較高， 卻呈現(xiàn)出與“亮溫與高程呈負相關”這一規(guī)律相反的異?，F(xiàn)象． 初步研究認為該區(qū)域地處華北平原與西北部山區(qū)交界， 偏西風帶來的濕空氣由于太行山脈的阻擋， 在爬坡過程中被迫抬升凝結(jié)水汽， 釋放潛熱， 并在山脈背風坡一側(cè)下沉增溫， 形成干燥高溫的氣流， 造成“焚風效應”， 從而導致該區(qū)域亮溫異常增高．

圖4給出了2010—2013年首都圈地區(qū)的亮溫季背景場． 可以看出： 首都圈地區(qū)的季亮溫值變化主要受地形和季節(jié)兩因素控制， 從時間上總體表現(xiàn)為夏高冬低、 春秋相似的年變特征， 這些現(xiàn)象均符合季節(jié)變化規(guī)律． 亮溫值的高值區(qū)總體還是分布在東南部的華北平原， 西北山區(qū)的亮溫值則普遍較低； 華北平原與太行山脈過渡的東邊緣表現(xiàn)為明顯高溫帶， 除夏季外均表現(xiàn)得較為明顯．

圖4 首都圈2010—2013年亮溫季背景場

圖5 2010—2013年首都圈歷年亮溫年背景場

圖5給出了首都圈地區(qū)2010—2013年的年平均亮溫背景場． 可以看出： 亮溫背景場變化與地形變化保持一致， 同時受斷裂構造的影響也較為明顯， 在紅外背景場圖中地物的地形、 地貌清晰可見， 但在年平均背景場中一些信息被平滑掉了． 2010—2013年亮溫年背景場顯示首都圈地區(qū)亮溫在2011年最高， 2012年和2013年溫度值偏低. 這些均可為地震熱異常的識別提供可靠依據(jù)和標準．

4 甘青川交界地區(qū)亮溫背景場

4.1 研究區(qū)概況

甘青川交界地區(qū)(圖6)位于甘肅、 青海與四川交界處， 是南北地震帶中北段與庫瑪?shù)卣饚У慕粎R區(qū)域(楊立明等， 2002)， 其地質(zhì)構造復雜， 強震活動頻繁． 該區(qū)域位于青藏高原東緣， 屬于甘青川交界菱形塊體的上部分， 鮮水河斷裂、 龍門山斷裂和安寧河斷裂在此形成典型的“Y”字型地貌構造特征． 這種地質(zhì)地貌蘊含了豐富的板塊構造活動， NNE向的

圖6 甘青川交界區(qū)范圍及斷裂分布 Fig.6 Gansu-Qinghai-Sichuan border region and faults

龍門山斷裂帶成為東南部四川盆地和西北部侵蝕高原的地勢陡坡地帶．

4.2 亮溫背景場時空特征

圖7給出了2010—2013年甘青川交界區(qū)亮溫年背景場的變化． 可以看出： 亮溫高值區(qū)位于四川盆地區(qū)域， 盆地邊緣的溝谷水系也呈現(xiàn)亮溫高值特性， 同時川西山地由于海拔高仍然是相對低溫的區(qū)域； 地震頻繁且地形復雜的龍門山斷裂帶則位于亮溫高值區(qū)與亮溫低值區(qū)的過渡地帶．

圖8給出了2010年甘青川交界地區(qū)亮溫月背景場的變化， 可以看出其變化總體表現(xiàn)為： 東南部四川盆地為亮溫高值區(qū)， 西北部則隨海拔的升高， 亮溫值逐漸降低； 10—12月亮溫值逐漸降低， 1—7月亮溫值逐漸升高， 符合季節(jié)變化規(guī)律， 最高亮溫值出現(xiàn)在7月和8月．

圖7 2010—2013年甘青川交界亮溫年背景場

圖8 2010年甘青川交界區(qū)亮溫月背景場

5 討論與結(jié)論

隨著地震熱異常研究的興起， 紅外背景場的構建有了很大發(fā)展， 但在數(shù)據(jù)完整性、 方法成熟度、 影響因子分析等方面仍有較大探索空間． 基于此， 本文基于我國FY-2E衛(wèi)星數(shù)據(jù)， 構建了首都圈和甘青川交界地區(qū)月、 季、 年亮溫背景場， 并對其時空動態(tài)演化特征予以分析． 總體上， 紅外亮溫背景場在時間上主要受季節(jié)更替控制， 在局地空間上主要受高程控制; 此外， 其還與地區(qū)氣象特征、 溝谷水系、 陸表海表等因素相關． 亮溫背景場的未來發(fā)展主要取決于遙感數(shù)據(jù)完整性的提高以及背景場構建方法的突破． 細化而言， 主要有以下幾點：

1) 首都圈亮溫背景場主要受季節(jié)更替和地形變化影響． 歷年1—7月的亮溫背景場屬于亮溫值升高時段， 8—12月該值逐漸降低， 與季節(jié)變化規(guī)律相符； 東南部華北平原的亮溫值高于西北部山區(qū)； 渤海灣海域由于地表地物熱輻射特性的差異， 其亮溫值隨季節(jié)的變化相對東南部平原較小．

2) 首都圈地區(qū)在3， 4， 10， 11月和12月氣溫較冷的月份， 太行山脈東邊緣區(qū)域的亮溫值比周邊區(qū)域明顯要高， 以往研究認為此現(xiàn)象與斷層構造有關， 但考慮到該現(xiàn)象已持續(xù)很長時間， 因此本研究認為可能與地區(qū)氣象特征有關． 該區(qū)域位于華北平原與西北部山區(qū)的交界帶， 其亮溫異常有可能是西風帶系統(tǒng)由于太行山的阻擋作用所造成的焚風效應所致．

3) 甘青川交界地區(qū)亮溫背景場的變化規(guī)律也符合夏高冬低的季節(jié)規(guī)律， 其中高亮溫區(qū)位于四川盆地區(qū)域， 盆地邊緣的溝谷水系也呈現(xiàn)高值亮溫特性， 同時川西山地由于其海拔高仍然是相對低溫的區(qū)域， 地震頻發(fā)且地形復雜的龍門山斷裂帶則位于高溫區(qū)與低溫區(qū)的過渡區(qū)域．

結(jié)合紅外背景場研究進展與本研究結(jié)果， 本文認為紅外背景場未來發(fā)展方向主要有兩方面： 一是充分發(fā)揮微波遙感的能力以克服云雨天氣所導致的紅外亮溫數(shù)據(jù)不完整問題； 二是深入探索背景場影響因子體系及其作用機理， 創(chuàng)新背景場構建方法， 構建模型并結(jié)合區(qū)域氣候特征對背景場進行定量模擬， 以克服氣候變化等因素對背景場準確度的影響．

綜上， 構建準確可信的紅外背景場是地震紅外監(jiān)測預測的前提和基礎， 宜從多學科交叉的角度認知地震熱異常. 通過對紅外背景場物理演變規(guī)律的深入分析， 剖析地震熱異常與非震異常的差異， 并在此基礎上探討其物理機制． 這樣， 不斷完善紅外背景場構建方法和理論體系， 建立多區(qū)域多時空尺度背景場庫， 從而使地震紅外遙感在地震監(jiān)測中發(fā)揮更大作用．

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Research progress in earthquake infrared background field and brightness temperature background field foundation of the demonstration areas

1)InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth，ChineseAcademyofSciences，Beijing100101，China2)ChinaEarthquakeNetworksCenter，Beijing100045，China3)SchoolofAtmosphericPhysics，NanjingUniversityofInformationScience&Technology，Nanjing210044，China4)InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China5)SurveyingInstituteofScienceandEngineering，ShandongUniversityofScienceandTechnology，ShandongQingdao266590，China

The construction and analysis of thermal infrared background field can effectively improve the recognition of thermal anomaly before an earthquake. This paper comprehensively discusses the research progress of thermal infrared background field， and then uses China’s FY-2E satellite thermal infrared brightness temperature (TBB) data of 2010—2013 to construct the TBB background field of the Capital region and Gansu-Sichuan-Qinghai border region， and the spatio-temporal evolution characteristics of TBB background fields for the two regions are analyzed. The results show that， TBB background field is mainly affected by seasonal variation in time and by terrain in space. The results provide research foundation and basis for the judgement and identification of thermal anomaly for earthquakes.

satellite remote sensing; earthquake; thermal infrared anomalies; background field; Capital region; Gansu-Sichuan-Qinghai border region

高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(31-Y30B09-9001-13/15)、 國家自然科學基金(41471310， 41201349)和中科院卓越中心亞洲減災課題(Y3YI2702KB)共同資助.

2015-10-19收到初稿， 2016-02-22決定采用修改稿.

e-mail: luxian@radi.ac.cn

10.11939/jass.2016.03.011

P315.72+8

A

孟慶巖， 盧顯， 邵楠清， 申旭輝， 耿飛， 王園園. 2016. 地震紅外背景場研究進展與示范區(qū)亮溫背景場構建. 地震學報, 38(3): 438--447. doi:10.11939/jass.2016.03.011.

Meng Q Y, Lu X, Shao N Q, Shen X H, Geng F, Wang Y Y. 2016. Research progress in earthquake infrared background field and brightness temperature background field foundation of the demonstration areas.ActaSeismologicaSinica, 38(3): 438--447. doi:10.11939/jass.2016.03.011.