杨清 陈伟 王俊 吕希顺

摘 要：基于1970—2020年安徽省地震震级和气象观测数据，运用相关分析、Mann-Kendall突变分析、Morlet小波分析等方法，研究了地震震级时空特征、突变特征、周期特征及与气象要素的可能关系。结果表明：（1）安徽省地震最大震级超过5级的有2年，超过4级的有19年，最大的是1979年的5.4级。地震震级与年平均气温和相对湿度呈弱负相关，与平均地温和降水量呈弱正相关，与平均地温相关系数最大。（2）安徽省地震震级突变点与平均地温突变年份相同，M-K检验曲线均存在多个交点，存在一定的相似性。（3）安徽省地震震级、平均气温、相对湿度和平均地温的第一主周期分别为5a、16a、23a和29a，地震震级周期规律与年平均地温较为接近。

关键词：地震震级;相关分析;Mann-Kendall法;Morlet小波分析

中图分类号 P429 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）03-0169-04

1 引言

中国是一个地震频发的国家，地震给人民带来了极大的生命财产损失，地震防灾减灾是人类面临的共同问题。近年来国内外大震频发，引起了社会公众的广泛关注。在全球增温背景下，我国生态环境问题突出，极端天气、灾害呈增加趋势[1-2]。关于地震与降水、气温之间存在着某种联系，可能直接参与了孕震过程的问题，成为很多学者研究的热点。

安徽省地处长江、淮河中下游，东西（南北）跨度接近6个经（纬）度，属于由北亚热带向暖温带过渡的南北气候过渡带，近年来全省气候增温明显。为此，本研究基于安徽省地震、气象要素数据，运用相关分析、Mann-Kendall突变分析、Morlet小波分析等方法，安徽省地震震级时空特征、特变特征、周期特征及与气象要素的可能关系，以期为地震的预测预报提供参考依据。

2 研究区域、数据来源及方法

2.1 研究区域 安徽省位于安徽省北部，介于东经114°54′～119°37′，北纬29°41′～34°38′之间，地处华东腹地，跨长江、淮河中下游，是中国东部襟江近海的内陆省份。地势西南高、东北低，地形地貌南北迥异，地处华北断块、秦岭—大别断褶带和下扬子断块区3个一级地质构造的交汇部位，断裂构造较为发育，是一个地质构造相对复杂、新构造活动具有一定差异的地区，著名的郯城—庐江断裂带斜贯全省，具备发生中强地震的地质构造背景。地处暖温带与亚热带过渡地区，淮河以北属暖温带半湿润季风气候，淮河以南为亚热带湿润季风气候，南北兼容，季风明显，四季分明，春暖多变，夏雨集中，秋高气爽，冬季寒冷。地处中纬度地带，随季风的递转，降水发生明显季节变化，是季风气候明显的区域之一[3-4]。

2.2 数据来源 1970—2020年地震数据来源于安徽省地震局，1970—2020年地面气象观测数据来自中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）。

2.3 研究方法

2.3.1 Pearson相关分析 通过对安徽省地震震级和气象要素数据进行Pearson相关分析，研究地震震级和气象要素之间的关系。

Pearson相关系数的计算公式如下：

其中，变量X是所有点的x坐标的集合，变量Y是所有点的y坐标集合。Pearson相关系数实质上是统计学方法中的一种线性相关系数，可以用来衡量定距变量间的线性关系。Pearson相关系数r越接近于1，表示2个变量的相关程度越高。

2.3.2 Mann-Kendall突变分析 运用MATLAB 2014软件，使用M-K突变检验方法对安徽省地震震级、年平均气温、相对湿度和平均地温进行突变分析。Mann-Kendall（M-K）检验是一种非参数统计检验方法，与参数统计方法相比不受参数值的影响[5]，该方法适用于气象、水文等非正态分布资料分析，计算方便，可用来分析地震震级于降水气温的变化趋势，详细过程见参考文献[6]。M-K检验的顺序统计曲线UF与逆序统计曲线UB在临界线之间的交点对应的年份为可能突变年，只有统计曲线突变点之后超过临界直线，才表明其通过可信度检验。实际应用中，如果临界线之间出现多个交点的情况，往往说明M-K检验方法不能单独作为判断依据，本文结合滑动T检验进一步确定突变点。

2.3.3 Morlet小波变换分析 利用Morlet小波分析方法，对安徽省地震震级与气候要素进行周期特征分析。

连续小波变换（Continue Wavelet Transform）的公式为：

式中，[Wf（a， b）]为小波变换系数;[f（t）]为一个信号或平方可积函数;a为伸缩尺度;b平移参数;[Ψ（X-ba）]为[Ψ（X-ba）]为的复共轭函数。

式（2）的离散小波变换形式为：

小波变换通过改变伸缩尺度a来得到信号的低频或高频信息，然后分析信号的概貌或细节，实现对信号不同时间尺度和空间局部特征的分析[7-8]。

3 结果与分析

3.1 地震震级时空分布 选取安徽省1970—2020年的历史地震资料，制作了震级一时间序列图（图1）。由图1可知，安徽省地震最大震级超过5级的有2年（分别出现在固镇和安庆），超过4级的有19年，最大的是1979年固镇发生的5.4级地震。由1970—2020年地震最大震级空间分布（图2）可知，安徽省最大震级空间布局分散，仅在六安市南部较为集中。

3.2 地震活动与气象要素的相关关系 表1为安徽省地震震级与气象要素的相关系数。由表1可知，地震震级与年平均气温和相对湿度呈弱负相关，与平均地温和降水量呈弱正相关，与平均地溫相关系数最大为0.130。将着重分析地震震级与平均气温、相对湿度和平均地温的突变关系和周期规律。与降水量相关系数最小，不再分析突变和周期规律。

3.3 地震活动与气象要素的突变关系 使用M-K突变检验方法对安徽省地震震级、年平均气温、相对湿度和平均地温进行突变分析，结果见图2。图2中红色曲线为M-K检验的顺序统计曲线UF，蓝色曲线为逆序统计曲线UB，两曲线的交点为可能突变年。安徽省地震震级M-K检验曲线存在多个交点（图2A），突变点为2012年，2011年出现了近50年来的次大震级5.2级。安徽省年平均气温突变点为1997年（图2B），1997年后气温升高明显，突变前平均气温值为14.79℃，突变后值为15.74℃，经突变升高了0.95℃。相对湿度在1976年发生突变（图2C），1976年后相对湿度进入振荡期，2003年后明显下降。平均地温M-K检验曲线存在多个交点（图2D），在2012年明显突变，突变前平均地温为17.67℃，突变后值为18.40℃，经突变升高了0.73℃。由上可见，安徽省地震震级突变点与平均地温突变年份相同，有相似的性质。与其他气象要素的突变年份则不同。

3.4 地震活动与气象要素的周期对应关系 利用Morlet小波分析方法，对安徽省地震震级与气候要素进行周期特征分析（图3），安徽省地震震级和气候要素均具有明显的年代际周期变化。由图3A可知，地震震级存在15～25a的周期，在20世纪80年代至21世纪前十年存在8～12a的周期，始终存在5a左右的周期。小波方差曲线在5a、10a、22a处存在波峰。表明地震震级有5a、10a和22a三大周期，5a为第一主周期，10a、22a第二、三主周期。

由图3B可知，年平均气温始终存在25～30a、14～20a和5～8a的周期。小波方差曲线在7 a、16a和28a处存在波峰，20a处存在不显著波峰。表明有7 a、16a和28a三大周期，16a和28a最为显著为第一、二主周期，7a为第三主周期。

由图3C可知，年相对湿度在始终存在20～25a的周期，在21世纪更为显著，20世纪80年代后还存在10～15a的周期。此外，21世纪还存在5～10a的周期变化。小波方差曲线在23a，13a和9a处存在波峰。表明相对湿度有23a，13a和9a三大周期，23a为第一主周期，13a为第二主周期，9a为第三主周期。

由图3D可知，年平均地温始终存在25～35a的周期，20世纪90年代后还存在12～20a的周期，20世纪90年代前主要存在5～10a的周期。小波方差曲线在7a、9a、16a和29a处存在波峰。表明平均地温有7a、9a、16a和29a四大周期，29a为第一主周期，7a为第二主周期，9a和16a为第三、四主周期。

由上可见，安徽省地震震级周期属性与平均地温较为相似。从小波方差波形看，亦与平均地温更为接近。

4 结论与讨论

（1）安徽省地震最大震级超过5级的有2年（分别出现在固镇和安庆），超过4级的有19年，最大的是1979年固镇发生的5.4级地震;安徽省最大震级空间布局分散，仅在六安市南部较为集中。地震震级与年平均气温和相对湿度呈弱负相关，与平均地温和降水量呈弱正相关，与平均地温相关系数最大为0.130。

（2）安徽省地震震级突变点与平均地温突变年份相同，有相似的性质。安徽省地震震级M-K检验曲线存在多个交点，突变点为2012年，2011年出现了近50年来的次大震级5.2级。安徽省年平均气温突变点为1997年，1997年后气温升高明显，突变前平均气温值为14.79℃，突变后值为15.74℃，经突变升高了0.95℃。相对湿度在1976年发生突变，1976年后相对湿度进入振荡期，2003年后明显下降。平均地温M-K检验曲线存在多个交点，在2012年明显突变，突变前平均地温为17.67℃，突变后值为18.40℃，经突变升高了0.73℃。

（3）地震震级有5a、10a和22a三大周期，5a为第一主周期，10a、22a第二、三主周期。年平均气温有7a、16a和28a三大周期，16a和28a最为显著为第一、二主周期，7a为第三主周期。年相对湿度有23a，13a和9a三大周期，23a为第一主周期，13a为第二主周期，9a为第三主周期。年平均地温有7a、9a、16 a和29a四大周期，29a为第一主周期，7a为第二主周期，9a和16a为第三、四主周期。安徽省地震震级周期规律与平均地温较为相似。从小波方差波形看，亦与平均地温更为接近。

参考文献

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[3]任秀真，徐光来，刘永婷，等.安徽省近56年气候要素时空演变特征[J].水上保持研究，2018，25（5）：287-294.

[4]吴博华，权全，王亚迪，等.旱涝交替下陕西地震时空分布规律与相关因子探究[J].工程地球物理学报，2020，17（5）：643-651.

[5]顏雅琼，申双和.近50多年来淮河流域气候水分盈亏时空变化[J].气象科学，2019，39（4）：457-466.

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[7]魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社，2007，63-66，99-104.

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（责编：张宏民）

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