趙靜 張吳明 焦中虎
1)哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院,深圳市南山區(qū)西麗大學(xué)城 518055
2)北京師范大學(xué)地理科學(xué)部與遙感科學(xué)與工程研究院,北京市海淀區(qū)新街口外大街19號(hào) 100875
3)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029
隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的科學(xué)家將衛(wèi)星熱紅外技術(shù)用于熱異常與地震關(guān)系的研究。前蘇聯(lián)科學(xué)家Gorny(1988)在20世紀(jì)80年代首次利用熱紅外影像研究熱異常與地震的關(guān)系,之后以強(qiáng)祖基等人為代表的國(guó)內(nèi)學(xué)者使用MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)、FY等衛(wèi)星的熱紅外通道影像進(jìn)行了相關(guān)的探索和研究(Qiang et al,1999;Lu et al,2005;馬瑾等,2006;魏樂軍等,2008)。近年來,不少科學(xué)工作者開始嘗試使用各種相關(guān)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品。劉德富等(1997)利用NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)衛(wèi)星射出長(zhǎng)波輻射產(chǎn)品(OLR,Outgoing Longwave Radiation)研究我國(guó)在1976~1985年期間的強(qiáng)震與熱異常的對(duì)應(yīng)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在震前一個(gè)月強(qiáng)震所在區(qū)域都存在較為顯著的熱紅外輻射異常。Ouzounov等對(duì)4個(gè)中強(qiáng)地震震中及其周邊區(qū)域的OLR進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)和分析,并結(jié)合震前4年的NOAA熱紅外格網(wǎng)數(shù)據(jù)來區(qū)分全球季節(jié)性和局部短時(shí)性的OLR變化,結(jié)果表明OLR異常位置與主要的地震帶分布區(qū)域相對(duì)應(yīng)(Ouzounov et al,2007)。張?jiān)龋?010)選用風(fēng)云靜止衛(wèi)星的亮溫產(chǎn)品(TBB,Temperature of Black Body)對(duì)2008年汶川MS8.0大地震進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)震前發(fā)生的亮溫變化存在著明顯的特征周期和振幅。張璇等(2017)也使用風(fēng)云衛(wèi)星亮溫?cái)?shù)據(jù),采用功率譜相對(duì)變化法對(duì)2015年尼泊爾MS8.1大地震前后在震中區(qū)附近出現(xiàn)的大范圍熱紅外異常進(jìn)行了時(shí)空分析。
地球的物理表面除了以熱輻射的形式與外界進(jìn)行能量交換,還有感熱和潛熱兩種交換形式。感熱是由于空氣湍流等原因所引起的溫度變化和熱量交換,潛熱則是由物質(zhì)相變所導(dǎo)致的熱量交換(多為水體)。Dey和Singh利用NCEP(National Centers of Environmental Prediction)再分析資料研究印度半島及其周圍海域的7個(gè)強(qiáng)震前后的潛熱通量變化,發(fā)現(xiàn)沿海地區(qū)強(qiáng)地震前普遍存在潛熱通量異常,而內(nèi)陸地區(qū)的地震前則沒有類似的異?,F(xiàn)象(Dey et al,2003)。陳梅花(2006)等同樣利用NCEP潛熱通量數(shù)據(jù)對(duì)蘇門答臘島地震(2004-12-26,MW9.0)進(jìn)行了時(shí)空演化過程的分析,發(fā)現(xiàn)震前在震中及其附近地區(qū)出現(xiàn)了顯著的潛熱通量異常,并且最大異常出現(xiàn)在地震破裂帶的中部,也是余震集中的區(qū)域。Cervone等引入小波變換的方法對(duì)震前的潛熱信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析,這種方法在對(duì)希臘地震(2003-08-14,MS6.4;2004-03-01,MS5.7)震前潛熱通量異常的提取和識(shí)別工作中得到了較好的應(yīng)用(Cervone et al,2004)。此外,Cervone等(2006)還將下電離層低頻信號(hào)與潛熱通量觀測(cè)值相結(jié)合,對(duì)Tokachi-Oki地震(2003-09-25,MW8.3)進(jìn)行了2個(gè)參量的相關(guān)分析。Daneshvar(2014)認(rèn)為水汽會(huì)對(duì)地震前的地質(zhì)活動(dòng)有響應(yīng),進(jìn)而造成空氣電離化、潛熱通量升高、水汽富集和降雨等一系列天氣活動(dòng)。秦凱等(2016)構(gòu)建了地震異常分析的巖石層-蓋層-大氣層耦合的理論框架,并建立了兼顧偏量-時(shí)間-空間關(guān)系的地震遙感熱異常分析方法,提出了基于全球再分析數(shù)據(jù)資料的地震遙感熱異常逐項(xiàng)元分析方法。
相關(guān)研究表明,地震前不僅會(huì)出現(xiàn)衛(wèi)星熱紅外異常,還會(huì)出現(xiàn)潛熱通量異常,但諸如云層遮蓋、地形差異、地表物理性質(zhì)、大氣湍流等因素同樣會(huì)引起熱異常。例如屈春燕等(2006)人曾以內(nèi)蒙古東部地震(2004-03-24,MS5.9)為例,使用震前3個(gè)月和震前2年同期的NOAA16衛(wèi)星影像對(duì)熱震關(guān)系及異常提取中所遇到的相關(guān)問題進(jìn)行了較為深入的研究,指出震前出現(xiàn)的異??赡苁谴髿饽鏈匾鸬募t外現(xiàn)象,而非地震前兆異常。因此,為了盡可能地避免誤判,我們應(yīng)該進(jìn)行更為嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)致的研究。
本文利用NCEP表面潛熱通量日均值數(shù)據(jù),對(duì)東日本大地震序列發(fā)生前后潛熱通量的時(shí)序變化進(jìn)行了研究,并對(duì)1991~2011年震中周邊區(qū)域的潛熱通量異常與中強(qiáng)地震之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了深入分析,定量化地探討了地震與異常間隔的時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)差倍值、目標(biāo)地震震級(jí)等參數(shù)對(duì)于熱震關(guān)系研究的影響。研究結(jié)果表明,雖然東日本大地震序列發(fā)生前后震中區(qū)域的潛熱通量日值出現(xiàn)了較為明顯的波動(dòng),但這種波動(dòng)不一定就是熱異常,且不一定與此次地震序列有對(duì)應(yīng)關(guān)系。
據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS,United States Geology Survey)測(cè)定,2011年3月11日5點(diǎn)46分(UTC時(shí)間),日本東北部宮城縣附近海域發(fā)生了MW9.0特大地震,震中位于38.322°N,142.369°E,地處太平洋板塊和北美板塊俯沖帶邊界,震源深度為24.6km,其被稱為“東日本大地震”(Great East Japan Earthquake)。在主震發(fā)生前2天(3月9日),該區(qū)域曾發(fā)生MS7.3前震,至2011年4月底,日本共發(fā)生約900次余震,其中有11次MS6.5以上余震發(fā)生在主震周圍10°×10°的范圍內(nèi)。本文將前震、主震和這11次余震作為2011年的目標(biāo)地震序列進(jìn)行時(shí)間域上的分析和研究,其相關(guān)的地震參數(shù)見表1。
日本列島位于環(huán)太平洋火山地震帶上,由歐亞大陸板塊、北美板塊、太平洋板塊和菲律賓板塊碰撞突起形成,地殼活動(dòng)不穩(wěn)定,歷史上地震活動(dòng)十分頻繁。本文依據(jù)USGS的地震目錄,選取了東日本大地震震中所在區(qū)域周邊10°×10°的范圍內(nèi)(即33°~43°N,137°~147°E)、在1991~2011年間、震級(jí)MS≥5.5的99個(gè)震例構(gòu)成21年的目標(biāo)地震序列,以分析和討論這些震例與潛熱通量變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
表1 2011年目標(biāo)地震序列的地震參數(shù)
除了溫度、感熱通量等物理量以外,表面潛熱通量(SLHF,Surface Latent Heat Flux)也可以反映地球的物理表面與大氣之間的能量交換,它是指由水體的相變(蒸發(fā)、融化、凝結(jié))所吸收或釋放的熱量。除了使用臺(tái)站觀測(cè)的方式獲取外,還可以使用衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù),根據(jù)相關(guān)的模型同化反演得到潛熱通量數(shù)據(jù)(Schulz et al,1997)。本文所使用的潛熱通量數(shù)據(jù)集是由美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和美國(guó)大氣研究中心(NCAR,National Center for Atmospheric Research)聯(lián)合提供的日均值數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)精度為10~30W/m2。潛熱通量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)免費(fèi)發(fā)布(ftp://ftp.cdc.noaa.gov/Datasets),采用高斯格網(wǎng)劃分,緯向從赤道(緯度為0°)到極點(diǎn)(緯度為正負(fù)88.54196°)共劃分94條高斯格網(wǎng)線,經(jīng)向按1.875°的間隔劃分192條格網(wǎng)線,全球共構(gòu)成18048個(gè)潛熱通量日均值數(shù)據(jù)單元。NCEP潛熱通量數(shù)據(jù)集相較于原有的單點(diǎn)臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)集和單純的遙感產(chǎn)品而言,具有時(shí)間范圍長(zhǎng)、空間范圍廣、全球標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、較少受云層干擾等優(yōu)點(diǎn)。
為了掌握在東日本大地震主震前后較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)潛熱通量的時(shí)序變化,我們將研究的時(shí)間區(qū)間設(shè)定為2011年1月1日至2011年4月30日,研究對(duì)象為2011年的目標(biāo)地震序列(表1)。首先計(jì)算過去20年(1991~2010年)主震震中附近格網(wǎng)單元(經(jīng)度格網(wǎng)編號(hào):76,緯度格網(wǎng)編號(hào):67和68)在研究時(shí)間內(nèi)的同日平均值μ及其標(biāo)準(zhǔn)差σ,同日平均值反映了研究單元在這段時(shí)間內(nèi)的潛熱通量基本背景值,再將同日平均值加減2倍的當(dāng)日標(biāo)準(zhǔn)差作為潛熱通量背景變化范圍。由此可以得到主震震中附近的潛熱通量變化的時(shí)間序列圖(圖1),圖1中紅線是2011年的潛熱通量變化曲線,藍(lán)線是過去20年的日平均值曲線,上下兩條黑線分別代表了平均值加、減2倍標(biāo)準(zhǔn)差(μ+2.0σ和μ-2.0σ)后的值,黑色箭頭指明了主震和前后3個(gè)較大的地震。
由圖1可以看出,震中周圍2個(gè)格網(wǎng)單元的潛熱通量從2011年1月1日~2011年2月5日的日均值與多年平均值的變化趨勢(shì)基本類似,且在背景變化范圍內(nèi);2月6日~3月7日,潛熱通量值2次明顯超過μ+2.0σ,且呈現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)狀況,在發(fā)生MS7.3前震前出現(xiàn)了持續(xù)1周左右的低谷,后又有所回升;3月11日MW9.0主震發(fā)生前1天,潛熱通量有小幅度的回升,1天后又急速下降約50 W/m2,之后10天的變化趨勢(shì)與均值變化情況基本類似;3月23日~4月12日的2次波峰與4月7日和4月11日的2次較大余震也呈現(xiàn)比較好的時(shí)序?qū)?yīng)關(guān)系;4月13日~5月1日,潛熱通量下降到較正常的水平,波動(dòng)狀況明顯趨緩??偟恼f來,可以看出此次東日本大地震序列在時(shí)間上對(duì)應(yīng)著較為明顯潛熱通量波動(dòng)情況,但是這種波動(dòng)是否屬于“熱異?!?,并且是否與地震序列存在著一定的因果關(guān)系,還需要進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。
圖1 東日本大地震主震震中附近單元潛熱通量的時(shí)序變化
為方便下文的描述和分析,先假定所有潛熱通量值超過μ+2.0σ的部分均為熱異常。首先需要收集并篩選東日本大地震主震震中周邊區(qū)域(33°~43°N,137°~147°E)在1991~2011年期間發(fā)生的中強(qiáng)地震的相關(guān)信息,構(gòu)成21年的目標(biāo)地震序列;再將地震和異常兩者的關(guān)系進(jìn)行分類;然后針對(duì)這些分類作進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。
據(jù)地震和熱異常兩者是否出現(xiàn),利用二進(jìn)制的計(jì)數(shù)方法將其對(duì)應(yīng)關(guān)系分為3種情況:“01”(無地震有異常)、“10”(有地震無異常)、“11”(有地震有異常)。圖2展示了研究區(qū)域內(nèi)地震序列與熱異常之間的3種對(duì)應(yīng)關(guān)系,縱坐標(biāo)為潛熱通量日均值。圖2(a)代表了第一種情況,即無地震發(fā)生卻有熱異常出現(xiàn),由圖2(a)可以明顯看出在2010年3月21日~5月20日2個(gè)月內(nèi),出現(xiàn)了3次較為明顯的熱異常,潛熱通量日均值在4月10日到達(dá)了148 W/m2,明顯高于20年同日平均值,且比上邊界線μ+2.0σ超出20.3W/m2;之后在5月3日及11日,潛熱通量日均值再次超過對(duì)應(yīng)的上邊界。然而,在此期間,該網(wǎng)格所在區(qū)域10°×10°的范圍內(nèi)并無地震發(fā)生。圖2(b)代表了第2種情況,即有地震發(fā)生卻沒有出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的熱異常,2004年3月25日發(fā)生MS5.8地震,震前潛熱通量日均值均在上下界線內(nèi)變化,無明顯熱異常出現(xiàn)。圖2(c)代表了第三種情況,即地震和熱異常均有出現(xiàn),由圖可見1999年2月20日、3月2日和3月18日分別發(fā)生了MS5.5、MS5.9和MS5.9三次中強(qiáng)地震,2月17日有明顯熱異常出現(xiàn),潛熱通量日均值高于上邊界約70 W/m2,熱異常和地震呈現(xiàn)出較好的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系。
圖2 地震序列與潛熱通量異常的3種時(shí)序關(guān)系
針對(duì)上述情況,首先按照震例來統(tǒng)計(jì)熱異常出現(xiàn)的次數(shù)。分別計(jì)算21年的目標(biāo)地震序列中各震例在發(fā)震前60、50、40、30、20和10天內(nèi)日均值超過μ+2.0σ的次數(shù),按此計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)“10”和“11”的個(gè)數(shù),并計(jì)算其百分比;在此地震序列的基礎(chǔ)上篩選出MS≥7.0的震例,對(duì)其進(jìn)行相同的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)(結(jié)果如表2)。
由表2可以看出,不管是MS5.5還是MS7.0及以上的地震序列,隨著震前熱異常出現(xiàn)的時(shí)間窗口由長(zhǎng)變短,有地震無異常情況(“10”)的百分比均由低變高,與之相反,有地震有異常(“11”)的百分比均由高變低。這反映了時(shí)間窗口的設(shè)定在研究地震和熱異常的關(guān)系時(shí)具有重要意義,它直接關(guān)系著是否可將一個(gè)熱異常判斷為地震前兆。此外,由表2還可以看出即使是采用60天的時(shí)間窗口時(shí),有地震且有異常的情況(“11”)也僅占整個(gè)21年目標(biāo)地震序列的65%左右,因此前文中直接將出現(xiàn)的“11”情況作為潛熱通量異常與地震相關(guān)的證據(jù)欠妥。
表2 “10”和“11”兩種情況發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計(jì)
除了基于地震序列去尋找震前熱異常外,我們還可依照熱異常對(duì)震例進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì),也即研究“01”(無地震有異常)和“11”(有地震有異常)這二種情況。首先,我們?nèi)藶樵O(shè)定對(duì)于所有出現(xiàn)的超過μ+2.0σ的日值,如果它們之間的時(shí)間間隔≤5天,則將它們視為1次異常;然后按照這樣的規(guī)則進(jìn)行篩選、合并和計(jì)數(shù),便可以得到熱異常目標(biāo)序列;最后分別計(jì)算和統(tǒng)計(jì)每次異常出現(xiàn)后60、50、40、30、20和10天內(nèi)出現(xiàn)和未出現(xiàn)地震的次數(shù)及其百分比(結(jié)果如表3)。同樣,我們也按照震級(jí)MS≥5.5和MS≥7.0分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
表3 “01”和“11”兩種情況發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計(jì)表
由表3可以看出,對(duì)于MS≥5.5和MS≥7.0的地震序列,均出現(xiàn)距異常出現(xiàn)時(shí)間越近相關(guān)的震例就越少的現(xiàn)象。對(duì)于MS≥5.5的震例而言,異常發(fā)生后10天內(nèi)發(fā)生地震的次數(shù)僅占總統(tǒng)計(jì)次數(shù)的7.4%,而MS≥7.0的情況更低至2.8%。即使采用60天的大時(shí)間窗口時(shí),有地震且有異常的“11”情況出現(xiàn)的百分比仍較低,僅為41.7%和10.2%。由此可以看出,該研究區(qū)域在所劃定的時(shí)間范圍內(nèi),熱異常與地震在時(shí)間域上的相關(guān)度較低,單純將熱異常的出現(xiàn)情況作為地震是否發(fā)生的指標(biāo)有欠科學(xué),數(shù)據(jù)所顯示的潛熱通量異?,F(xiàn)象很可能只是某日的日均值隨著20年均值波動(dòng)加上洋流、大氣湍流運(yùn)動(dòng)等的綜合作用的結(jié)果,并不一定都是由震前熱效應(yīng)所引起的。
前文中所用到的一些參數(shù)范圍多是根據(jù)前人的研究成果總結(jié)得到的,大部分是經(jīng)驗(yàn)性的,下面我們對(duì)其中幾個(gè)主要的參數(shù)進(jìn)行討論。
為了方便計(jì)算和討論,在研究最初階段,我們?nèi)藶橐?guī)定潛熱通量日均值超過μ+2.0σ,則為熱異常。前人也有將標(biāo)準(zhǔn)差倍值設(shè)置為1.5,即以μ+1.5σ作為該區(qū)域潛熱通量日均值波動(dòng)的上限。對(duì)于東日本大地震序列而言,將異常判定范圍設(shè)置為μ+1.5σ后,相關(guān)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。
圖3 標(biāo)準(zhǔn)差倍值的2種設(shè)定
由圖3可以看出,對(duì)于相同的時(shí)間窗口,倍值為1.5時(shí),MS5.5和MS7.0兩種狀況所對(duì)應(yīng)的“11”百分比均有大幅的上升,也可視為異常日值出現(xiàn)的次數(shù)有了大幅增加。由此可以看出,標(biāo)準(zhǔn)差倍值的設(shè)定對(duì)于判斷熱異常來說非常關(guān)鍵,如果在地震發(fā)生之后才主觀地采用某一個(gè)倍值去挑選觀測(cè)值,得到的結(jié)果很可能是不客觀、不科學(xué)的,且無法將其用于地震熱異常前兆的識(shí)別和提取工作。此外,在本文中,僅將大于μ+2.0σ的視為熱異常,即只考慮到了高值異常,尚未考慮小于μ-2.0σ時(shí)的情況,這將在以后的研究中進(jìn)行探討。
由前文的研究我們可以看出,在10~60天的6級(jí)間隔中,隨著時(shí)間窗口的減小,“01”和“10”兩種情況的百分比都急劇上升,而與之相對(duì)應(yīng)的“11”情況的百分比則急劇下降。可見時(shí)間窗口的設(shè)置對(duì)于判斷熱異常與地震之間的關(guān)系有很重要的作用,在對(duì)具體的某一時(shí)間段某一區(qū)域的熱震關(guān)系進(jìn)行分析時(shí),我們應(yīng)當(dāng)結(jié)合多年的實(shí)際情況,設(shè)置一個(gè)變長(zhǎng)的、自適應(yīng)的窗口進(jìn)行異常的掃描,否則可能會(huì)遺漏掉一些重要信息。
在計(jì)算異常次數(shù)的時(shí)候,當(dāng)相鄰2次超過μ+2.0σ的日值之間的時(shí)間間隔≤5天時(shí),將其合并計(jì)為一次異常,這個(gè)取值是經(jīng)驗(yàn)性的,對(duì)于某些潛熱通量值波動(dòng)較頻繁的地區(qū),該值可能需要擴(kuò)大,反之則需要適當(dāng)縮小。
本文僅研究了MS≥5.5和MS≥7.0的震例,實(shí)際上震級(jí)級(jí)數(shù)覆蓋面較窄、震級(jí)分段區(qū)間較寬,由表2和3均可以看出,當(dāng)采用不同的震級(jí)篩選標(biāo)準(zhǔn)時(shí),所對(duì)應(yīng)的“01”(圖2(a))、“10”(圖2(b))和“11”(圖2(c))這3種情況的出現(xiàn)次數(shù)有較大差異。
通過以上分析,我們可以得知雖然在東日本大地震序列發(fā)生前后出現(xiàn)了較為明顯的潛熱通量波動(dòng)現(xiàn)象,但是由該研究區(qū)域多年的潛熱通量時(shí)序變化與震例之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析可以看出,這些看似“異常”的波動(dòng)卻并不一定是由此次地震序列引起的。盡管海面的潛熱通量變化相較于陸地的而言,少了地形、地貌、下墊面等因素的影響,但仍有一些除地震以外的其他因素會(huì)影響其變化,例如洋流運(yùn)動(dòng)等。因此,我們?cè)谶M(jìn)行震前熱異常的提取工作時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量多地考慮到各種因素對(duì)于觀測(cè)量的影響,避免將其他因素所帶來的變化誤視為地震前兆;并且在分析熱震關(guān)系的時(shí)候,應(yīng)當(dāng)盡量擴(kuò)大研究的時(shí)間范圍,避免僅針對(duì)個(gè)別震例,否則將可能得到局限性很大甚至是錯(cuò)誤的結(jié)論;此外,提取異常時(shí)設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)于研究結(jié)果有很大影響,應(yīng)當(dāng)盡量避免主觀的、經(jīng)驗(yàn)性的取值,如何客觀科學(xué)選取能夠更好地反映熱震關(guān)系的閾值還需要在今后的工作中進(jìn)行更加深入的研究。
致謝感謝美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國(guó)大氣研究中心聯(lián)合所提供的潛熱通量數(shù)據(jù)。感謝兩名評(píng)審專家對(duì)本文提出的寶貴修改意見和建議。