引言

地震是对人类生存安全危害最大的自然灾害之一， 我国又是世界上地震活动最强烈和地震灾害最严重的国家之一． 汶川M_S8.0地震发生不到5年， 2013年4月20日， 四川省雅安市芦山县又发生M_S7.0强烈地震， 造成了重大的人员伤亡和财产损失． 地震预报问题再次引起社会的关注． 关于地震预报， 虽有过成功的实例(如1975年海城M_S7.3地震)， 但绝大多数地震还是未能做出预报. 其主要原因是人类对地震孕育过程的认识还很肤浅． 此外, 地震预报还受地形、 环境等因素的影响, 如地震高发区地震监测能力差或无监测能力等也会导致地震预报困难． 随着卫星遥感技术的发展， 全天候的卫星遥感资料给地震预测研究创造了良好的监测条件和实践机会．

近20年来， 红外遥感技术的应用及典型震例研究结果表明， 大地震发生之前存在热红外和长波辐射异常， 它是地震孕育过程中伴生的一种自然现象(强祖基等， 1997； 刘德富等， 1999； Qiang et al， 1999； Gabrielov et al， 2000； Tronin et al， 2002； 张元生等， 2002； 邓志辉等， 2003； 郭晓等， 2005； 屈春燕等， 2006； 康春丽等， 2008； Saraf et al， 2008)． 为有效获取这些地震热信息， 地震研究人员提出了多种热红外异常提取方法， 主要有功率谱相对变化法、 涡度背景场法、 断裂带内外温差法等(强祖基等， 1990； 刘德富等， 1999； 陈梅花等， 2007； 郭晓等， 2010； 康春丽等， 2011； 张元生等， 2011； 荆凤等， 2012)． 其中功率谱相对变化法可很好地压制地形地貌、 地物类型和气象等非构造活动因素引起的长波辐射变化, 以突出地震孕育过程中引起的长波辐射异常现象． 应用该方法对静止卫星长波辐射资料进行的震例研究结果表明, 强震前确实存在不同程度的长波辐射功率谱信息异常现象． 芦山M_S7.0地震前也应该存在长波辐射异常， 为此， 本文以静止卫星长波辐射资料为数据源， 应用功率谱相对变化法对芦山M_S7.0地震进行了分析研究．

1.   长波辐射数据

长波辐射通量密度(outgoing long-wave radiation， 简写为OLR或简称为长波辐射)是地球向外空辐射出去的所有波长的电磁波能量密度， 也称热辐射能量密度． 由于它的波长主要集中在4—∞ μm， 气象上又称为射出长波辐射. 其大小主要由发射下垫面的温度所决定， 因此， 实时OLR基本上反映了观测地区的地表温度变化状况． FY2-C卫星于2004年10月19日发射， 定点于105°E， 星下点分辨率为5 km． 国家卫星气象中心于2005年6月开始正式运行FY2-C的OLR产品处理软件， 其生成的一日8个时次的实时OLR产品， 以 及日、 候、 旬、 月平均OLR产品均已被存档． 卫星观测时刻的实时OLR产品主要通过FY2-C 红外通道1(10.3—11.3 μm)、 红外通道2(11.5—12.5 μm)、 水汽通道(6.3—7.6 μm)辐射率测量值经由一系列回归公式计算出来的(吴晓， 2007). FY2-C卫星的地理范围为50°N—50°S、 55°—155°E， 数据分辨率为0.1°×0.1°， 精度高于极轨气象卫星， 并且具有时间的一致性(使用数据为每天午夜的观测数据)和地点的可比性(对同一地点， 卫星的高度角与辐射传播路径基本相同)．

我们使用的有效数据的起止时间为2006年1月1日—2013年5月8日， 其中2009年11月25日—2013年5月8日为FY2-E卫星数据(FY2-E为FY2-C替代星)． 为减少太阳 辐射的影响， 每天选取北京午夜的3个时次观测数据， 分别为世界时15:00、 18:00和21:00． 由于数据量大， 我们只选择了卫星地理范围为 5°—50°N、 55°—150°E内的数据进行了处理．

2.   功率谱相对变化法

连续的长波辐射数据信息中应包括地球基本温度场(直流部分)、 年变和日变温度场、 云雨和寒热气流、 地形等因素引起的温度变化以及其它因素(包括地震)引起的长波辐射变化信息． 采用Daubechies(dbN)小波系中的db8小波基对OLR信息进行小波变换处理． 应用小波变换可以去除地球基本温度场和地形(直流部分)及年变温度场等长周期引起的长波辐射, 即舍去小波7阶的低通部分． 用小波2阶的低通部分减去小波7阶的低通部分， 即保留了中间频带部分信息， 舍去了高频和低频信息， 此步骤相当于一个带通滤波． 由于雨云和寒热气流引起的温度变化时间较短， 一般为几小时至数天， 这种信息经小波变换可基本去除， 即舍去小波2阶的高通部分． 具体小波变换过程详见张元生等(2010)热红外资料的处理过程． 对每个像元而言， 经小波变换处理后的数据在时间域里是正负相间的长波辐射相对变化波形数据(单位为W/m²)， 它的时间周期范围包含了强震信息的短临异常周期范围．

对这样海量的长波辐射相对变化波形数据， 我们采用了波形数据处理常用的数学方法， 即功率谱估计． 功率谱反映了随机信号各频率成分功率能量的分布情况， 可以揭示信号中隐含的周期性及靠得很近的谱峰等有用信息． 应用功率谱估计可以获得优势频率和幅值， 其目的在于研究地震前后长波辐射变化的功率谱与其它时段的功率谱的异同． 考虑短临地震异常出现的时间一般在10—90天内， 以n(n=64， 128， 本文中n=64)天为窗长， m(m=1， 2， 3， 4， 5， 本文中m=1)天为滑动窗长做傅里叶变换， 计算其功率谱， 对每个像元的时程数据滑动一次可获得一组功率谱， 时间约定为窗内数据的最新时间， 这样就获得了时频空间数据．

为了更好地反映地震前后长波辐射变化的功率谱与其它时段的功率谱的不同， 我们对每一像元的所有频率的功率谱作相对幅值处理， 生成功率谱时频相对变化空间数据(郭晓等， 2010)． 运用图像处理技术对时频相对功率谱进行时空扫描， 易于提取有用信息和进行震例分析， 寻找幅值变化较大的对应频率(即特征周期)、 时间和区域位置参数．

3.   结果

芦山M_S7.0地震是继汶川M_S8.0大地震后， 四川地区再次发生的严重破坏性大地震， 这两次地震均发生在龙门山地震带上． 龙门山断裂带是青藏高原东缘最剧烈的地形梯度带， 主要由近北东走向的3条断裂带构成： 沿汶川—茂县的龙门山后山断裂带， 沿映秀—北川的龙门山中央主断裂带和沿灌县—江油的龙门山前山断裂带(张培震等， 2008)． 芦山地震就发生在龙门山断裂带的南端．

芦山地震前后长波辐射功率谱信息异常主要分布在龙门山断裂带上及其西北地区， 即位于由龙门山断裂带中—南段到龙日坝断裂带， 以及它们之间夹持的龙门山次级块体共同组成的青藏高原东缘的边界构造带内(徐锡伟等， 2008)． 图1显示了芦山地震前后一个多月的长波辐射功率谱时空变化特征． 从该图中可以看到， 从3月下旬开始出现长波辐射功率谱异常， 至4月上旬异常持续向龙门山断裂带方面扩展， 主要分布在龙门山断裂带上及其西北地区. 芦山地震发生前一天(即4月19日)功率谱异常幅值已达平均值的8倍多， 震 后6天(即4月26日)异常幅值达到极值， 约为平均值的9倍， 地震前后功率谱幅值大于平均值2倍的持续时间约为65天(图2). 幅值大于平均值6倍的异常面积约为12万km²(图1)． 随后异常面积开始缩小， 异常幅度也在下降， 至5月下旬这种异常现象基本消失． 芦山地震前后的热异常分布可能反映了应力集中和调整变化， 根据异常的演化过程， 结合断裂带分布可以估计发震的可能区域范围．

图  1  芦山M_S7.0地震长波辐射功率谱异常时段及其演化

Figure  1.  Abnormal periods and the evolution of power spectrum of OLR for the Lushan M_S7.0 earthquake

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  2  异常区小范围的相对功率谱平均值时序曲线(区域范围为31°—31.5°N， 102.5°—103°E)  (a) 多年时段； (b) 芦山地震异常时段

Figure  2.  Time history plot of mean value of relative power spectrum in small regions (Latitude 31°N to 31.5°N, longitude 102.5°E to 103°E)  (a) Several years； (b) The anomalous period of Lushan earthquake

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.   讨论与结论

芦山M_S7.0地震长波辐射异常主要分布在龙门山断裂带上及其西北地区． 该地区为晚第四纪至今青藏高原东缘的边界构造带． 构造带由龙门山断裂带中—南段到龙日坝断裂带， 以及它们之间夹持的龙门山次级块体共同组成， 构造带内表现出较强烈的构造与地震活动性(徐锡伟等， 2008)． 地球内部(壳层)含有大量的水汽、 二氧化碳和其它少量气体． 在大地震发生前地壳应力持续增大， 贯通地表的裂隙数量明显增多， 导致地下逸出气增多， 大量水汽、 二氧化碳和甲烷等其它温室气体混合作用引起温室效应， 地壳内部热传导加强， 使地表及底层大气温度显著上升， 长波辐射信息功率谱特征幅值明显增强． 因此， 这种震前构造应力场的迁移与集中活动所激发与加剧的应力热与地热的传递， 及其与孕震区温室效应的相互作用， 即地球放气与大气共同作用是此次地震卫星长波辐射异常产生的主要机理(Zhang et al， 2010)．

本文以静止卫星长波辐射资料为数据源， 应用功率谱相对变化法对芦山M_S7.0地震进行了分析研究． 结果表明， 芦山M_S7.0地震前龙门山断裂带上及其西北地区出现了明显的长波辐射功率谱信息异常现象， 震后6天这种异常现象达到极值． 随后异常面积开始缩小， 异常幅度也在下降， 至5月下旬这种异常现象基本消失． 地震前后的热异常分布可能反映了应力集中和调整变化， 根据异常的演化过程结合断裂带分布可以估计发震的可能区域范围．

芦山M_S7.0地震发生在功率谱增强范围区的边缘． 临震时功率谱相对变化率幅值达到近几年来的极值， 约为平均值的8倍， 功率谱幅值(相对变化率)大于平均值2倍的持续时间达65天， 功率谱幅值最大时大于平均值6倍的面积达12万km²． 这些短临异常信息表现特征与之前的中国大陆M_S≥6.5地震研究结果基本一致(郭晓等， 2010)． 强震长波辐射功率谱信息特征幅值极值、 功率谱增强持续时间等短临异常特征识别较为容易， 且长波辐射资料可实时更新， 未来可将其应用于监测地震重点危险区， 特别是监测能力较差的强震多发区．

感谢中国气象局国家卫星气象中心提供静止卫星长波辐射遥感资料．