2008～2009年云台等高仪时纬残差的异常波动*

胡 辉，韩延本，苏有锦，付 虹，尹志强，李语强，王 锐

(1.中国科学院国家天文台云南天文台，云南 昆明 650011;2.中国科学院国家天文台，北京 100012;3.云南省地震局，云南 昆明 650224)

2008年5月12日四川汶川发生了8.0级大地震，强度和范围都超过了唐山大地震，是新中国成立以来最大的一次破坏性地震，造成非常惨重的人员伤亡和财产损失，地震发生后有关科技工作者已陆续对其展开研究。这次地震的震中距云南天文台约670 km，相对于云南天文台的方位是84°。8月30日四川攀枝花发生6.1级地震，震中距云南天文台约164 km，相对方位为307°。12月26日昆明发生4.3级地震，震中距云南天文台约24 km，相对方位为161°。在此期间，2008年3月、4月以及9月云南天文台光电等高仪的时纬观测残差曾出现了一定程度的同步异常，本文将分析研究时纬观测残差的变化及其与这3次地震的可能关系。

1 天文时纬残差与其异常的定义

所谓天文时纬残差是用某一仪器测定的天文时间与纬度的观测结果中扣除地球整体运动(自转速率与极移)的影响之后的剩余部分，由仪器所测定的时间残差RTj和纬度残差RLj，可分别表示为:

这里(UT0–UTC)是用该仪器所获得的世界时的观测值。Δλ是从UT0到UT1的经度改正量。(UT1–UTC)是该日世界时的综合值。dΦj和dΦc分别是由该仪器测定的纬度变化值与该日的纬度变化的极性部分。Δλ与dΦc分别可由下式获得，

其中X、Y是该日地极坐标的综合值。λj和Φj中分别是该仪器的经﹑纬度。(UT1–UTC)、X、Y由国际地球自转服务(IERS)提供。

所谓时纬残差异常，文中是指时间残差与纬度残差分别大于各自的标准偏差的两倍的部分。

2 时纬残差的处理方法

时纬残差的处理方法，文［1－2］中作了较为详细的介绍，为了便于读者的阅读与理解，本文给出如下。

(1)根据时纬残差的定义，计算云南天文台光电等高仪第i日的初始时纬残差

(2)分别对RT'和RL'序列作零均值化处理

(3)消去周年与半年变化的地方项

根据天文学家多年的分析，地面光学天体测量仪器所获得的时间﹑纬度的观测结果中普遍存在具有周年与半年调和变化的地方项(Kimura，1902;BIH，1984)，这些变化应当与地震无关，故采用了习用的调和分析方法(BIH，1984)］将其滤去。实际作法包括两步:

a)用下式分别对RT″和RL″作正弦曲线拟合

这里t从历书年的初始日期起算。

b)分别从RT″和RL″序列中扣去这个调和变化的地方项，从而得到净化了的时纬残差序列RT和RL。

(4)分别计算RT和RL的五日加权均值。

(5)为消除数据序列中的趋势项和零点漂移，以有利于显示异常，又采取逐年调整零点和分段处理的办法。

(6)为了消除短期的偶然干扰，又用下式对每个序列作5点滑动加权平均，最后计算标准偏差σ

这里F分别代表RT和RL.

实践证明，5点滑动平均平滑得到的结果是比较可靠的，但对观测资料要求很严，必须确保每个5日点均有观测，否则，缺一个5日点，通过5点滑动平均平滑之后，就会去掉其余4个5日点，致使其结果中连续5个5日点不存在了。本来昆明的天气就不大好，且有近半年的雨季，通过5点滑动平均平滑之后就使最后的结果显得更是稀少了。为了解决这一问题，除了从根本上加强观测之外，适当采用4点拉格朗日扦值法补点，这曾在上世纪80、90年代作过详细的比较和研究，结果发现4点拉格朗日插值法补点补上的点最为接近资料的实际，所以，这次应用了4点拉格朗日插值公式:

3 2008～2009年云南天文台时纬残差异常情况

根据以前的经验，时纬残差异常一般超前地震2至3个月［3］，故一般于月初按照上述方法处理一次至上月末为止的观测资料。图1给出现了2008～2009年间云南天文台光电等高仪的时纬残差曲线。由图可见，在2008年的3月、4月与9月上旬均出现了明显的同步异常。

4 讨论

时纬残差异常与地震的震级、震中距等的关系是比较复杂的，根据历史震例的分析，人们发现残差异常出现后的一段时间里，发生过距离较远的大地震和距离较近的中等地震，或距离很近的小地震［4－5］。同时也存在一定比例的出现残差异常而无地震，或有地震而无残差异常的例子［1］。这些差别可能受地质构造差别的影响。但因为震例不充分，目前对此总结出明确的规律还存在较大的困难。

图1 2008～2009年间云南天文台光电等高仪的时纬残差曲线Fig.1 Daily residual fluctuations of astronomical time measured by the photoelectric astrolabe at the YNAO from the year2008.0 to the year2010.0

特别是汶川地震，震级虽然很大，但震中距也很大，约670 km;对于攀枝花地震，则存在时纬残差异常超前时间较长的问题，已达4个月。此类情况在过去的分析中曾经出现过［3］。天文测时测纬残差在仪器附近的地震发生前出现同步异常的现象，已有一些例子。但是，地震孕育和发生的过程非常复杂，地震活动表现出的现象具有多样性。而地震毕竟是一种小概率事件，特别是对某个地区、某个构造带，甚至某类构造带，除个别地方外，其重复性一般是很小的，这就给人们总结地震的发生规律带来很多困难。就时纬残差与地震的关系来说，发生在天文时纬仪器附近一定范围内的地震就更是小概率事件，天文时纬仪器本来就很少，它们分布在不同的地区、不同的构造带上，这就为总结时纬残差异常与地震的关系带来更大的困难。例如，在目前得到的震例中，有的发生在异常结束后的半个月、一个月、两个月、三个月，甚至四个月。

关于地震前天文时纬残差异常的物理机制，研究工作同样有待深入。以前的研究初步认为可能是地震前夕震区地下物质发生异常运动引起的，相对容易运动的是地下水。地下物质运动会引起地球重力场的变化，重力场的方向即为垂线方向，天文时纬仪器是以地方铅垂线为观测基准的，因此，铅垂线的异常变化会影响天文时纬观测，引起残差异常［6］，而阚荣举则认为也可能是震前板内块体的移动造成了铅垂线的偏差［3］。我们认为这两者都是有可能的，但须进一步进行更深入的研究。

地震是地下物质运动所致，内因是决定的因素，但地下物质到底如何运动，人们目前还不能直接观测到，这正是地震预测这个世界性的难题的研究进展缓慢的原因所在。时纬残差震前异常的现象自上世纪70年代北京天文台的科研人员发现以来［7］，经过这些年各天文台的共同研究，既有可喜的初步结果，也发现存在不少急需解决的问题。地震作为造成巨大灾害的地球物理现象，需要人类花大力气研究。同样，时纬残差异常与地震的关系也需要开展更深入的研究，期待它能发展成为一种有用的地震前兆，与其它前兆手段结合起来分析、研究，为地震预测作出贡献。

目前的研究表明，时纬残差异常和其它地震前兆手段一样，与地震之间并不存在一一对应关系，也就是说任何单一前兆资料的异常都不是预测地震的必要而充分的条件。这可能是盖勒等人认为地震是不可预测的一个重要原因［8］。相反，如果人们发现了与地震有非常好的对应关系的前兆现象，地震预测就不是什么世界性的科学难题了。汶川地震刚过去两年，中国地震局成立了专门的考察队对汶川地震进行了科学考察，各种资料比较充分和全面;云南天文台2008～2009的测时测纬原始资料也都完整存在，这都为有志于此的研究人员提供了有利条件。正因为如此，我们希望有兴趣的读者，尤其是年青人和地学界的学者能对此作深入研究。同样，采用2倍标准差作为判定残差异常，主要是根据习用的数据处理和地球物理资料处理而采用的一个标准，是否恰当，也是值得研究的。

［1］Han Yunben，Ma Lihua，Hu Hui，et al.Application of Astronomic Time-Latitude Residuals in Earthquake Prediction［J］.Earth，Moon，and Planets，2007，100:125 －135.

［2］韩延本、胡辉、杜红荣.禄劝6.3级地震前云南天文台时纬残差的初步分析［J］.科学通报，1986，31(16):1244－1246.Han Yanben，Hu Hui，Du Hongrong.Occurrence of Short-period Anomuly of Residuals of Astronomical Time-latitude at Yunnan Observatory Preceding the Luquan Earthquake(ML=6.3)［J］.Chinese Science Bulletin，1987，32(17):1205 －1207.

［3］阚荣举，胡辉.云南及其周邻大地震与云南天文台时纬残差变化［J］.中国地震，1995，11(4):299－309.Kan Rongju， Hu Hui. The Major Earthquakes in and around Yunnan and Variation of Astronomical Time-latitude Residuals Determined in Yunnan Observatory［J］.Earthquake Research in China，1996，10(3):227－239.

［4］廖德春，金文敬，郑大伟，等.1986～1991年间我国六架仪器的时纬观测分析［J］.中国科学院上海天文台年刊，1994，15:28－33.

［5］廖德春，郑大伟.江苏太仓五级地震与上海天文台测时异常［J］.科学通报，1990，23:1838－1839.

［6］张国栋.强震前地下水活动引起的垂线变化［J］.地震学报，1981，3(2):152－158.

［7］李致森，张国栋，张焕志，等.天文时纬残差的短期异常与天文台周围大地震的相关研究［J］.地球物理学报，1978，21(4):278－291.

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