汶川地震前后的气象异常*

石 俊，王维侠，温敬霞

(1.中国科学院国家天文台乌鲁木齐天文站，新疆 乌鲁木齐 830011；2.山东省诸城繁华中学，山东 诸城 262200)

人类对地震的认识还非常有限，地震预测依然困难[1]，困难主要是因为地震的复杂性，其成因机理超出了现有知识框架，需要对现有知识框架进行扩展与搭接[2]。失败和努力充斥着地震的认识道路，人们仍然在积极探索破解地震难题的钥匙。在过去的几十年内，不少学者尝试着通过各种手段探测地震发生前出现的异常现象来寻找地震即将发生的蛛丝马迹，有些学者主要研究气象异常与地震发生之间的关系，有些学者侧重于研究温度异常与地震的相关性[3-16]，而这种相关性因没有反映出物理的因果关系在过去很长时间内曾不被看好[17]，认为预报的想法过于乐观，因为地震具有很强的随机性，前兆的存在和识别值得怀疑[18]，不过这种尴尬局面在近来有所改观[19]，岩石圈—大气圈—电离层耦合理论(the Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere (LAI) coupling model)逐渐得到承认[20]。

震级为Ms8.0级的汶川特大地震(震中106.4°E，31°N)于2008年5月12日14时28分(北京时间)在我国西南部四川汶川突然发生，给中国人民带来沉重的灾难。据新华社消息，截至6月12日12时，已造成69159人遇难，374141人受伤，失踪17469人。据估计，这次地震的直接经济损失将达到1900亿元，对人们造成的生理和心理创伤无法估量。本文利用NCEP气象数据，分析汶川大地震前后有没有出现气象异常，并以此为基础进一步分析气象异常与地震的关系。

1 数据和方法

NCEP/NCAR再分析同化资料是质量较高的数据集。它在统一的分析方法指导下，对陆面观测、全球无线电测风资料、综合海洋资料(COADS)、船舶、飞机观测资料、卫星探测资料等方面的资料进行了同化处理，覆盖范围广，持续时间长，数据质量也经过严格的控制，已经被用在气候研究的许多方面，得到了广泛的承认和赞同[21-24]。1979年以后，卫星数据促进了气候学重大变革，加入了卫星遥感数据元素，NCEP再分析资料更为可靠。

本文研究区域为汶川及其周围地区，即100～106°E，28～34°N。首先，计算该区域内某日某要素平均值，并以1988年到2007年该区20年的均值和标准偏差为基准，判断2008年对应日期5项指标是否异常；然后参考文[4]的研究成果，气象异常主要考察日平均气温、日最高气温、日最低气温、降水强度和平均气压5项指标；再参考降水异常指数[25-26]，构造出一个综合气象异常指数来判断其异常程度并把它推广到气温、气压指标，计算5项指标的异常指数，进一步研究异常状况。其中单项指标的异常指数和综合异常指数表示如下：

其中，TAI为5项指标综合异常指数；i表示5项气象要素指标。

2 结果和讨论

图1反映了2008年1月1日～6月8日5项指标异常的时间变化情况，左边图表示2008年某要素值与同日同要素20年均值的差异，由上到下依次表示日平均气温、日最高气温、日最低气温、降水强度和平均气压5项气象指标的变化情况，2008年2月份比较特殊，出现了严重冰雪灾害，3项气温指标均突破1988～2007年20年间的最低值，但气压和降水指标接近20年的均值；1月10日、3月14日、4月18日和5月6日前后，日平均气温远高于20年平均值，达到或超过20年间的最高值，同期的日最高气温接近或低于20年最低值，日最低气温接近或高于20年最高值，降水强度接近或突破20年最大值，日平均气压也达到或接近20年的极值。而地震之后日平均气温、日最高气温指标的距平则逐渐接近历年的均值，气压和降水指标呈现出反复震荡的特点，时而达到历年极高值，时而达到或超过极低值；日最低气温仍然高于历年平均值，处在达到或超过20年最高值的水准，这可能与主震过后不断出现的余震有关，据国家地震局公布的4级以上的余震目录显示，截至2008年6月8日18时，发生震级高于4级以上的余震达到205次，其中6级以上的4次，最高达到6.4级。右边图表示2008年某要素值与同日同要素值20年标准偏差的差异。2008年与20年标准偏差对比的结果反映出与均值对比类似的特点。

图1 2008年1月1日～6月8日5项指标异常Fig.1 Five weather-index anomalies from January 1, 2008 to June 8, 2008

附图2～附图6(封2，封3)是5项指标异常在2008年4月18日、5月6日、5月12日(汶川地震发生日)、5月26日4天的空间分布情况。从日平均气温异常的空间分布来看，在地震前的2008年4月18日(附图2，左上角图)汶川是一个高温中心，高温区从汶川向东南方向延伸，与穿越汶川的龙门山断裂带的走向基本一致；5月6日(附图2，右上角图)，仍然是一个高温中心，高温区从汶川向北偏东方向延伸；5月12日地震当天(附图2，左下角图)，仍然是一个高温中心，高温区从汶川向北偏东方向延伸；5月26日(附图2，右下角图)，汶川日平均气温仍然高于历年均值，但不再是高温中心，高温区从汶川转移。

从日最高气温异常的空间分布来看，在地震前的2008年4月18日(附图3，左上角图)汶川是一个高温中心，高温区从汶川向东南方向延伸；5月6日(附图3，右上角图)，汶川仍然是一个高值异常区中心；5月12日地震当天(附图3，左下角图)，仍然有一个以汶川为中心的高值区出现，但低于20年均值，高温区从汶川向北偏东方向延伸；5月26日(附图3，右下角图)，汶川日最高气温低于历年均值，不再是高温中心。

从日最低气温异常的空间分布来看，在地震前的2008年4月18日(附图4，左上角图，封2)汶川虽然不是一个高温中心，但也高出历年均值5K以上，而且夹在西北和东南两个高值中心的中间；5月6日(附图4，右上角图，封2)，汶川仍然处在北部高值异常区中心的边缘，高出均值5K以上；5月12日地震当天(附图4，左下角图，封3)，汶川属于西部高值异常区；5月26日(附图4，右下角图，封3)，汶川日最低气温仍然高于历年均值5K以上。

从日平均降水强度异常的空间分布来看，在地震前的2008年4月18日(附图5，左上角图)汶川处在东北西南一高一低两个异常中心之间，但更接近低值中心；5月6日(附图5，右上角图)，汶川形成一个低值异常区中心；5月12日地震当天(附图5，左下角图)，汶川被夹持在东部低值异常区和西部高值异常区之间；5月26日(附图5，右下角图)，汶川日平均降水强度接近历年均值，但西北方向是一个高值异常中心，东南方向存在一个低值异常中心。

从日平均气压异常的空间分布来看，在地震前的2008年4月18日(附图6，左上角图)该区域的气压普遍低于20年均值，西部低于均值200Pa，东南部低于均值1000Pa，汶川低于均值600～700Pa； 5月6日(附图6，右上角图)，基本保持了4月18日的格局，汶川更接近东部的低值异常区中心；5月12日地震当天(附图6，左下角图)，汶川日平均气压转变为高出均值300～350Pa；5月26日(附图6，右下角图)，汶川日平均气压接近历年均值，但接近东南方向的低值异常中心。

从综合异常指数来看，2008年综合异常指数反复震荡，在地震前的2008年1月10日、2月4日、3月14日、5月6日综合异常指数绝对值较大，例如5月6日的用极大值标度的综合异常指数超过2(图7，左上图)，极小值标度的综合异常指数也超过4(图7，左下图)。这种异常指数的变化是历年都如此呢，还是2008年特有的呢？我们把2008年的日平均气温异常指数分别与2007年、2006年的异常指数相对照，可以看出2008年的异常指数的变化幅度远远大于前两年的异常(图7，右上图、右下图)。

图7 气象要素异常(左边图：2008年综合异常指数；右边图：2008年日平均气温异常与2006、2007年日平均气温异常状况对比)Fig.7 Abnormalies of 2008 meteorological factors(left: synthetic indices showing weather anomalies in 2008;right:comparison of anomalies of daily average temperatures in 2008 to those in 2006 and 2007)

根据岩石圈—大气圈—电离层耦合理论认为三者之间存在着密切的耦合关系，地震之前的地应力在岩石圈中的积累会引起区域岩石圈的电磁异常，这些异常通过大气层影响到电离层，三者耦合关系研究要涉及到固体地球物理、地球化学、无线电物理、空间和大气物理以及遥感卫星观测等[20,27]。汶川地震所在的龙门山断裂活动与青藏高原运动相联系，一直是研究者关注的焦点之一，但对该断裂的活动性没有形成统一的认识[28-30]。用NCEP再分析资料对汶川地震震中区及其周围的5项气象要素的时间空间变化进行的分析，从某种程度上说明在汶川地震前存在一些气象异常现象。这些异常很有可能是比较容易观测的地震前兆，但因其内在机理还不是很清楚，确切的定论尚需要进一步验证。

3 结 论

通过上文对日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均降水强度和日平均气压等5项气象要素指标进行的分析，至少可以得出如下结论：(1)从时间上看，在汶川特大地震发生前后出现了气象异常现象，异常现象早在4个月之前就开始出现了，集中发生在震前1～2个月；(2)从空间上看，汶川及其所在的龙门山断裂是气象要素发生异常的中心区域，而有些要素的异常在主震过后并没有立即消失，这可能与该次地震的余震数量较多有关；(3)尽管气象异常是不是地震发生的必然前兆还有待于进一步验证，但在汶川大地震前后出现的气象异常再次给我们一个提示，即气象异常与地震的关系值得深入研究，把二者完全割裂有可能造成损失，毕竟正如德国物理学家普朗克所说的“科学是内在的整体，它被分解为单独的整体不是取决于事物的本身，而是取决于人类认识能力的局限性。实际上存在着从物理到化学，通过生物学和人类学到社会学的连续链条，这是任何一处都不能被打断的链条”。

[1] 陈运泰.地震预测——进展、困难与前景[J].地震地磁观测与研究, 2007 ,28(2): 1-24.

[2] 许绍燮.地震预报发展战略在于创新[J].国际地震动态，2005，5：30-33.

[3] Dunajecka M A, Pulinets S A.The physical nature of thermal anomalies observed before strong earthquakes in Mexico[J].Atmosfra, 2005,18(4): 235-247.

[4] 耿庆国.破坏性地震短期临震预测的一个有效方法——关于短期临震气象要素五项指标异常[J].国际地震动态，2005，5：117-124.

[5] 刘德富,罗灼礼,彭克银.强烈地震前的OLR异常现象[J].地震，1997,17(2):126-132.

[6] 马未宇,徐秀登,张行才,等.NCEP温度图像与天体引潮力附加构造应力结合作地震短临预测初探——以2003年7-8月3次西藏地震为例[J].地震地质，2006，28(3)：447-455.

[7] Ouzounov D, Liu D F, Kang C L, et al.Outgoing long wave radiation variability from IR satellite data prior to major earthquakes[J].Tectonophysics ,2007,431:211-220.

[8] 强祖基,徐秀登,赁常恭.卫星热红外异常一临震前兆[J].科学通报，1990，35(17):1324-1327.

[9] Singh R P, Bhoi S, Sahoo A K.Changes observed on land and ocean after Gujarat earthquake of January 26, 2001 using IRS data[J].International Journal of Remote Sensing, 2002,23(16):3123-3128.

[10] Singh R P, Sun D, Cervone G, et al.Characteristics of Meteorological and Atmosperic Parameters associated with Sumatra Earthquake of December 26, 2004[J].Geophysical Research Abstracts, 2005, 7:10729.

[11] Tronin A A.Satellite thermal survey-a new tool for the studies of seismoactive regions[J].International Journal of Remote Sensing,1996,17(8):1439-1455.

[12] Tronin A A.Thermal IR satellite sensor data application for earthquake research in China[J].International Journal of Remote Sensing, 2000,21(16):3169-3177.

[13] Tronin A A, Biagi P F, Molchanov O A, et al.Temperature variations related to earthquakes from simultaneous observation at the ground stations and by satellites in Kamchatka area[J]. Physics and Chemistry of the Earth,2004,29: 501-506.

[14] Tramutoli V, DiBello G, Pergola N, et al.Robust satellite techniques for remote sensing of seismically active areas[J].Ann Geofis,2001, 44:295-312.

[15] 徐秀登,强祖基,赁常恭.突发性地面增温与临震前兆：以1988年澜沧,耿马7.6,7.2级地震为例[J].地震地质，1990，12(3): 243-249.

[16] 张治洮.浅层地温与强震关系[J].地震,1994,2: 73-80.

[17] Bruce A Bolt 著，马杏垣等译.地震九讲[M].北京：地震出版社，2000: 140-142.

[18] Geller R J, Jackson D D, Kagan Y Y, et al.Earthquakes cannot be predicted[J].Science, 1997,275 : 1616-1617.

[19] Cyranoski D.A seismic shift in thinking[J].Nature , 2004,431:1032-1034.

[20] Kamogawa M.Preseismic Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling, Eos Trans[J].AGU, 2006,87(40): 417.

[21] 徐影,丁一汇,赵宗慈.美国NCEP/NCAR近50年全球再分析资料在我国气候变化研究中可信度的初步分析[J].应用气象学报，2001，12(3)：338-347.

[22] 苏志侠,吕世华,罗四维.美国NCEP/NCAR全球再分析资料及其初步分析[J].高原气象，1999，18(2)：209-218.

[23] E Kalnay, M Kanamitsu, R Kistler, et al.The NECP/NCAR 40-year reanalysis project[J].Bulletin of the American Meteorological Society,1996，77(3):437-471.

[24] R Kistler, E Kalnay, W Collins, et al.The NCEP-NCAR 50-Year Reanalysis: Monthly Means CD-ROM and Documentation[J].Bulletin of the American Meteorological Society, 2001,82(2):247-268.

[25] Van Rooy M P.A Rainfall Anomaly Index Independent of Time and Space[J].NOTOS, Weather Bureau of South Africa ,1965,14:43-48.

[26] Michael O Alatise, Oladunni Bimpe Ikumawoyi.Evaluation of drought from rainfall data for Lokoja a confluence of two major rivers[J].Electronic journal of polish agricultural universities, 2007, 10(1):708-714.

[27] 万战生,赵国泽,陈小斌,等.岩石圈地震前兆异常机制[J].地球物理学进展，2007，22(3)：708-714.

[28] 余团,何荣昌.龙门山构造带区域稳定性探讨[J].地震研究，2000，23(4)：378-383.

[29] 安其美,丁立丰,王海忠, 等.龙门山断裂带的性质与活动性研究[J].大地测量与地球动力学，2004，24(2)：115-119.

[30] 陈国光,计凤桔,周荣军,等.龙门山断裂带晚第四纪活动性分段的初步研究[J].地震地质，2007，29(3)：657-673.