张　帆， 熊　丹， 钟羽云， 朱新运

(浙江省地震局，浙江 杭州 310013)



浙江省及其邻区红外亮温异常与地震关系①

张帆， 熊丹， 钟羽云， 朱新运

(浙江省地震局，浙江 杭州 310013)

摘要：选取2006—2013年的FY2风云2号气象卫星热红外亮温夜间数据，采用相对功率谱法进行全时空分析，获得优势频率和幅值。研究每一个频率点的相对功率谱随时间和空间的变化，与浙江省及其邻区17个ML5.0以上地震的三要素关系进行分析，得到如下结果：9个地震前出现热红外亮温相对功率谱异常，前三个特征周期的对应率比后三个特征周期高；在时间上，异常多出现在震前数日至数月，并且较多发生在异常达到最大值后和异常恢复后，少部分发生在异常达到最大值前；空间上，异常的表现为由弱-强-弱-消失的过程，异常形态多为从零星异常演化成团块状或与断裂带走向较为一致的条带状。异常时间、异常幅度、异常开始到地震发生的时间等特征与地震无明显关系。

关键词：遥感； 红外亮温； 风云2号； 小波变换； 相对功率谱； 地震关系

0引言

遥感技术已经广范应用到资源普查、土地利用调查、火山活动、土砂灾害、天气预测等领域。根据传感器对电磁波波长的感知，遥感可分为可见光-近红外(Visible-Near Infrared)遥感、红外(Infrared)遥感及微波(Microwave)遥感。1988年前苏联科学家Gorny等发现1984年加兹利的一系列地震震前卫星热红外异常后，红外遥感成了地震学界关心的研究课题。很多学者都利用热红外对地震进行研究，用目视解释法分析热红外异常[1]发现震前有增温现象；1998年张北6.2级地震前沿张家口—渤海断裂带有卫星热红外异常现象[2]；昆仑山8.1级地震前出现明显的地温异常条带[3-4]；2000年姚安6.5级地震、1997年玛尼7.5级地震前断裂带内外亮温差值偏高[5]。还有很多学者利用中国FY2号气象卫星的资料来研究地震前红外亮温的增温和异常现象[6-7]。最近微波遥感也用于地震预测研究，并和红外遥感进行对比[8]。张元生等[9]应用小波变换和相对功率谱估计分析静止卫星热红外遥感资料研究汶川等地震，发现震前存在明显的热异常。

以往的研究多是针对西部地区，而这些地方的地震都以大震或者巨震为主，对于东部及其沿海地区，热红外方面的研究还相对较少。本文利用遥感资料对浙江省及其邻近地区热红外亮温数据进行分析，研究该区热红外亮温正常背景和异常变化特征，结合研究区地震分析中强震前热红外时空演化特征，探讨热红外异常与地震的关系。

1理论和方法

为了研究物体热辐射的性质，引入一个在任何温度下对任何波长的辐射都能全部吸收的标准热辐射体，即绝对黑体，作为理解热辐射过程和定量研究的基准。黑体的吸收率α(λ,T)≡1，反射率ρ(λ,T)≡0，透过率τ(λ,T)≡0 ，它们都是波长和温度的函数。黑体的辐射出射度与其温度和辐射波长的关系用普朗克公式表示为

(1)

式中：Mλ(λ,T)为光谱辐射出射度(W·m-2)；c为真空中的光速；h为普朗克常数，h=6.63×10-34W·s2；k为玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23W·s/K；T为黑体的绝对温度(K)；λ为波长(μm)。

物体亮度温度(简称亮温，用Tb表示)定义为辐射出与被测物体相等的辐射能量的黑体温度，是一个衡量物体温度的指标，而不是物体的真实温度。假设物体的辐射值为辐射值 NE,那么根据式(1)可以推导出物体亮度温度Tb与NE的关系为

(2)

FY2号卫星所记录的数据只是遥感传感器VISSR扫描辐射计所记录到的数字量化值，不是辐射能量，因此必须进行辐射定标将数字量化值转换为辐射值。FY2号卫星的通道计数值DCi与卫星通道辐射值NEi成线性关系[10]：

(3)

式中：DCi为卫星通道计数值；Gi为卫星i通道的定标斜率；Ii为截距，也叫做定标系数，在1级数据中给出。将DCi和Ii代入式(3)中得到i通道的辐射值NEi后，代入式(2)便可得到卫星通道i的红外亮温值Tbi。

2资料选取

FY2号卫星定位于105° E赤道上空，定点距地面36 000 km。卫星上装载的VISSR仪器每小时对观测区进行一次扫描，扫描区域为60° N～60° S、45°～165°E，仪器通道波段为可见光(0.55~0.90 μm)、红外1(10.3～11.3 μm)、红外2(11.5～12.5 μm)、红外3(3.5～4.0 μm )和水气(6.3～7.6 μm)，其中红外1和红外2为热红外，红外3为中红外。由于地球本身曲率和卫星轨道不稳定，卫星所拍摄到的“图像”有一定的畸变，使用前必须对畸变进行几何校正。虽然前人对此已经做了很多的工作[11]，但进行几何校正还是比较复杂和繁琐。国家气象卫星中心网站(http://www.nsmc.cma.gov.cn/)提供了经过几何校正和定标后的标称格式1小时平均相当黑体亮度温度数据产品下载。为避开复杂繁琐的几何校正和定标工作，本文选择国家气象卫星中心下载的2006年1月至2013年12月整8年每天5幅夜间的平均相当黑体亮温数据(世界时间17时、18时、19时、20时、21时整)。

东部地区地震主要沿郯庐断裂带活动。郯庐断裂带长2 400多 km，切穿中国东部不同大地构造单元，是地壳断块差异运动的接合带。它向南到湖北省长江北岸的武穴，向北北东方向经安徽省的宿松、潜山、庐江、嘉山，江苏省的泗洪、宿迁，山东省郯城、沂水、潍坊进渤海，然后过辽东半岛穿过东北三省到达俄罗斯。1668年7月28日山东郯城8.5级大地震、1969年7月15日渤海中部7.4级地震、1975年2月24日辽宁海城7.3级地震都发生在郯庐断裂带上或其附近。浙江省的地震活动受到长江中下游—南黄海地震带，东南沿海地震带，环北地震带，冀鲁豫地震亚区，华南地震区、大巴山-南岭地震亚区、富春江地震带的影响。因此我们所选择的区域主要是沿"郯庐断裂带"的地震区以及浙江省以南的地震区带，经纬度范围选择为22°～45°N，107°～127°E。选取2006年1月1日至2013年12月31日的ML5.0以上地震共17个，见表1。

表 1　研究区所选ML5.0以上地震三要素表

3计算方法和结果

红外亮温数据中包含地球基本温度场、年变温度场、月变温度场、雨云和寒热气流引起的温度变化以及其他因素(包括地震)引起的温度微变化信息。为了得到可靠的亮温数据，以云干扰值为下限，错值及不符合黑体辐射公式的高值为上限，用补窗法剔除数据进行计算均值去除云干扰，接着用小波变换方法扣除7阶的尺度部分和2阶的细节部分消除亮温背景场(包含地形影响)和气象突变因素。然后对每个像元点采用相对功率谱法对处理后的数据进行全时空分析，获得优势频率和幅值：以n(n=64，128；本文中n=64，单位：d)为窗长，m(m=1，2，3，4，5；本文中m=1，单位：d)为滑动窗长作傅里叶变换计算其功率谱[11]。每一像元点的所有功率谱进行相对处理得到相对功率谱后，对每一个频段进行时空扫描，分析震前的变化特征。

在部分地震前，某一特征周期的相对功率谱在震前数日至数月前出现异常，并且较多发生在异常达到最大值后和异常恢复后，少部分发生在达到最大值前；异常有由弱-强-弱直至消失的过程，异常形态多为从零星异常演化团块状或与断裂带走向较为一致的条带状。

2012年7月20日江苏宝应县ML5.2地震的相对功率谱第一特征周期(64天)震前6天在震中附近出现近东西向的异常条带，直至地震发生(图1)。

在震中附近以32.7° N，120.0° E为中心，1°×1°区域的相对功率谱均值从2012年7月5日开始上升，8月7日达到最大值16.07后开始下降，9月6日恢复到1左右；地震在达到最大值前18天发生(图2)。

图1　2012年7月20日江苏宝应县ML5.2地震相对功率谱异常演化图Fig.1　Abnormal evolution of relative power spectrum of Baoying，Jiangsu ML5.2 earthquake on July 20,2012

图2　2012年7月20日江苏宝应县ML5.2地震　　　震中附近区域相对功率谱变化图Fig.2　Relative power spectrum variation in the area　　　 near the epicenter of Baoying ML5.2 earthquake

2013年1月23日辽宁灯塔县ML5.4地震前30天，在震中西南方出现一呈北东向分布的异常条带,该条带在震前12天面积最大，地震当天消失(图3)。在震中附近以41.5° N，123.2° E为中心，1°×1°区域的相对功率谱均值从2012年12月16日开始上升，2013年1月9日达到最大值7.1，1月23日恢复到1左右，地震则在当天发生(图4)。 所选择的17个地震中， 9个地震前有明显红外亮温相对功率谱异常，所占比例为52.94%。每个地震出现异常的特征周期不一样，其中前三个特征周期出现异常的概率较高，9个地震中有8个地震在前三个特征周期都出现异常，所占比例为88.89%：有7个地震前两个特征周期出现异常，所占比例为77.78%(表2)。

按照不同特征周期统计，18个异常中地震发生于异常恢复后的有11个，达到最大值后的有5个，达到最大值前的有2个，所占比例分别为61.11%、27.78%和11.11%。大部分地震发生在相对功率谱异常恢复后(表3)。

恢复后发震的绝大多数部分都发生在恢复后的20天之内，约占81.81%；最大之后发震的都发生在达到最大值后20天之内；最大之前发震的都发生在达到最大值前20天之内。在恢复后发震的最大时间为42天，在最大值之后发震的最大时间为15天，在最大值前发震的最大时间为18天。此外，从表3中看出相对功率谱的异常幅度介于5～16之间，但与震级没有明显的正相关关系，震级越大异常幅度不一定越大。

图3　2013年1月23日辽宁灯塔县ML5.4地震相对功率谱异常演化图Fig.3　Abnormal evolution of relative power spectrum Dengta,Liaoning ML5.4 earthquake on January 23,2013

序号时间震级/ML地点特征周期第一第二第三第四第五第六12010-01-245.2山西河津县√22010-06-055.0山西阳曲县高村√√√√√32010-10-245.0河南太康县√√42012-05-285.1河北唐山市林西√52012-07-205.2江苏宝应县√√√62013-01-235.4辽宁灯塔县√72013-09-045.2福建仙游县石苍√√82013-11-235.0山东莱州市店子√92013-12-165.4湖北巴东县√√

表 3　亮温相对功率谱异常特征统计表

图4　2013年1月23日辽宁灯塔县ML5.4地震　　　震中附近相对功率谱变化图Fig.4　Relative power spectrum varietion in the area near　　　 the epicenter of Dengta,Liaoning ML5.4 earthquake　　　 on January 23,2013

4结论与讨论

本研究选取2006—2013年的平均相当黑体亮温数据，利用补窗法去除云干扰得到地表连续可靠的亮温数据。采用小波变换方法从原始亮温数据中扣除7阶的尺度部分和2阶的细节部分以便消除亮温背景场(包含地形影响)和气象突变因素，得到亮温相对变化序列。用相对功率谱法(窗长为64天，滑动窗长为1天)对处理后的数据进行全时空分析，获得6个特征周期及其幅值。研究每个特征周期的相对功率谱随时间和空间的变化，并与浙江省及其邻区17个ML5.0以上地震的地震三要素关系进行研究，得到如下结论：

(1) 9个地震前出现热红外亮温相对功率谱异常，前三个特征周期的对应率相比后三个特征周期高，且大部分地震都发生在异常恢复后20天以内。在时间上，异常多出现在震前数日至数月，并且发生在异常达到最大值后和异常恢复后，少部分发生在达到最大值前；空间上，异常的表现形式为由弱-强-弱直至消失的过程，异常形态多为从零星异常演化团块状或与断裂带走向较为一致的条带状。异常时间、异常幅度、异常开始到地震发生的时间等特征与地震三要素无明显关系。

(2) 对于地震红外亮温异常提取，云和噪声是最大干扰因素。本研究虽然利用补窗法将红外亮温数据进行处理，但还是不能完全消除云和噪声的影响。经过后期的小波变换后并采用2阶的尺度部分可以将这种云和噪声的短期影响进一步扣除。更快捷、方便的扣除云和噪声的方法还需进一步研究。

(3) 卫星热红外遥感技术以其获取信息范围大、数据更新快，可以实施时空动态监测的优势弥补了传统观测方法的不足，使地震前兆的监测从传统的静态定点观测模式向动态连续的大面积观测模式发展。本研究探讨热红外亮温相对功率谱与地震三要素之间的关系，突破陆海限制、行政限制，为地震监测获取更多的数据，弥补台网密度不够以及海洋区域监测能力弱的不足。虽然红外亮温相对功率谱在一些地震前的确有异常出现，但是异常时间、幅度等和地震震级的关系不明显，要对将来发生的地震三要素进行判断，还需要同GPS、地形变、流体观测等学科结合起来。

致谢：本文在撰写过程中得到了中国地震局兰州地震研究所张元生研究员的指导和帮助，在此表示衷心的感谢！

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Relation between Infrared Brightness Temperature Anomalies and Earthquakes in Zhejiang Province and Its Adjacent Areas

ZHANG Fan, XIONG Dan, ZHONG Yu-yun, ZHU Xin-yun

(EarthquakeAdministratorofZhejiangProvince,Hangzhou310013,Zhejiang，China)

Abstract：In this study, remotely sensed infrared brightness temperature data from the China Geostationary Meteorological Satellite FY-2C/E from 2006 to 2013 are full time-space analyzed to determine the dominant frequency and amplitude using the relative power spectrum method. The variation in time and space in the relative power spectrum of each frequency was analyzed and compared with the three elements of 17 earthquakes having magnitudes greater than 5.0 in Zhejiang Province and its neighboring area. The following results were obtained: the relative power spectrum anomaly of infrared brightness temperature appears before nine earthquakes. The corresponding ratio of the first three dominant frequencies is higher than that of last three ratios. The anomalies occurred several days or months before earthquakes, and most earthquakes occurred after the anomalies reached the maximum value or were recovering. A few earthquakes occurred before the anomalies reached the maximum value. The anomalies increase in strength and then disappear, in a process from sporadic to conglomerate or banded along the fault zone. Anomaly time and amplitude and the time period from the appearance of the anomaly until the earthquakes occurred have no obvious relation with the three elements of the earthquake.

Key words：remote sensing; infrared brightness temperature; satellite FY-2C/E; wavelet transform; relative power spectrum; relation with earthquake

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0058

中图分类号:P315.72

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)01-0058-07

作者简介：张帆(1978-)，男(汉族)，高级工程师，主要从事地震数字地震资料应用及地震监测预报研究。E-mail：cruiser911@163.com。

基金项目：浙江省公益技术研究社会发展项目(2011C23061)

收稿日期：①2014-11-25