低温降水对未来强震的指示意义

明亮

防灾科技学院，北京 东燕郊 101601

低温降水对未来强震的指示意义

明亮

防灾科技学院，北京 东燕郊 101601

本文列举震前低温降水与强震相对应的案例。指出这种对应关系的内在机制是：震前地壳内应力增强裂隙增多，使地下气体大量逸出，大气中气溶胶浓度增大；从诱发寒潮，反射、吸收太阳入射辐射、改变云层性质及作为水蒸气凝结核造成降水等方面导致低温。

低温降雪；气溶胶；地壳破裂

low temperature；snowing；aerosol；crustal fractures

1 低温降水后的地震

2008年1 月中下旬我国南方冰雪冻雨低温灾害和之后的5.12汶川大地震这两次事件都给国人乃至世界留下深刻印象。这两次罕见事件集中发生是出于偶然吗？如果在低温降雪与强震之间确实存在联系机制的话，那么今冬的欧洲及东北亚大雪极寒天气可能预示着什么呢？

学者们以往所做的对低温降水与地震关系的研究主要着眼于大的时间尺度上(数十年以上)强震和低温间存在对应关系[1]-[3]，以及震后有时会有低温降水出现[4]。

本文研究强震之前数月至十数月的低温降水现象，探寻这种现象对强震的指示意义。震前出现低温降水的情况很多。以去年发生的3.11东日本大地震为例，大震前2010/2011年冬天东北亚日本、韩国、中国东北部，俄罗斯远东频频出现低温降雪极端天气。日本全国遭遇寒冷天气，一些地区的最低气温和最高积雪纪录被纷纷刷新。东海岸宫城等6县连降罕见大雪；西海岸沿日本海地区暴雪连绵，一天的降雪量达50至80厘米，部分地区雪深超2米，有37个观测点的最深积雪量刷新有记录以来的最高值。日本西部的北广岛市，两天的降雪累积达到195厘米，创历史纪录。面向日本海的鸟取与岛根两县，370艘停泊中的渔船因突如其来的大雪的重压而沉没，创下日本历年最大损失纪录。

2011年1 月也是韩国1960年代以来最寒冷的1月。1月16日和17日，遭遇十年一遇的低温寒潮，部分地区的最低气温和最高积雪纪录被刷新。一些往年较温暖的南部地区也遭遇创纪录低温。16日6时，首尔地区的最低气温为2001年以来最低。釜山出现自1915年以来的最低气温。2月13日江原道东海岸地区普降大雪，积雪量超过1米，创下自1911年开始气象观测以来的最高纪录。

中国内蒙古2010年入冬后大部地区降雪早，降水偏多。呼伦贝尔入冬较常年偏早半个多月。兴安盟科尔沁右前旗11月遭受30年不遇的特大暴雪袭击，降雪比往年提前40多天。吉林省12月中旬平均气温比常年同期低4摄氏度左右。通辽市遭遇五十年一遇的特大暴雪袭击；扎鲁特旗局部地区积雪达1米多深，形成当地30年来最为严重的“白灾”。辽宁省在年底前相继遭遇6次寒潮袭击，已达到历年整个冬天的平均寒潮次数。

俄罗斯远东鄂霍次克海地区到2010年底遭遇罕见寒流，海水结冰的范围和严重程度是近年来最为严重的。2011年初海冰厚达两米。

在这种低温降雪极端天气后不久，2011年3.11东日本大地震发生了。

在我国，除了2008年初的南方雪灾后发生汶川大地震外，2010年4月14日青海玉树7.1级地震之前，2009年10月底北京地区出现自1951年有正式气象记录以来的第三早初雪。2009年12月1日至2010年1月12日，华北等地共25个气象站日最低气温超历史极值。2009年入冬后至2010年1月中旬，全国平均降水量为18.5毫米，较常年同期偏多3.9毫米，为2004年以来同期最大值。新疆北部和东部、内蒙古大部及华北北部、东北、江淮、华南中部和东部等地降水（雪）量偏多5成至2倍。新疆降雪量为1951年以来同期最多，黑龙江降雪量为同期次多。

之后不久玉树地震发生，造成近2700人死亡和270人失踪。

美国2009年10月下旬中西部的科罗拉多州和怀俄明州等地连降暴风雪。三天内怀俄明的降雪量打破当地常年10月份的降雪总量纪录，而科罗拉多的降雪量也创造自1997年以来的最高纪录。中西部12月的平均气温均极端偏低，特别是西部的气温偏低4℃至8℃。

2010年1 月9 日美国加州北部海岸线一带发生6.5级地震；4月5日，美墨边境发生7.1级地震。

2009年12 月19 日至20日，美国东部普降暴雪，华盛顿地区遭遇强暴风雪，积雪深度达61厘米，创下1932年12月以来之最。2010年1月上旬，美国东北部再次遭遇暴雪侵袭，给佛蒙特州带来83厘米降雪，打破了1969年创下的76厘米的降雪纪录。美国南方也变得寒气逼人；出现罕见的降雪现象。2月5日包括华盛顿在内的中大西洋地区，又遭受罕见的猛烈暴风雪吹袭；至2月10日的6天里部分地区总降雪量达一百三十九点四厘米，为一百一十年以来的新高。华盛顿地区不到两个月内连降两场暴雪，属历史罕见。

2010年1 月13 日，加勒比海岛国海地发生7.3级地震。

美国今冬天气形势总体不错。在欧洲、日韩遭遇大雪极寒时，美国却经历了一个“暖冬”。但在上一个(2010/2011年)冬天，那里的暴雪严寒还是令人印象相当深刻的。从2010年圣诞节开始，美国暴风雪的消息就不断。图1显示的是2011年1月11日暴雪再次降临后的美国降雪的情况“大雪在50个州中的49个州现身”。图中除佛罗里达州外，美国49个州被积雪覆盖。气象专家称，这种气候现象极不正常。

之后从2月1日开始，新一轮暴风雪席卷美国东北部地区，波及30个州，横跨3000多公里，使得这个冬天成为美国不少地方有记录以来雪最多的冬天。美国国家气象局说，这轮暴风雪可能是美国有气象记录以来屈指可数的几场大风雪之一。芝加哥积雪51厘米，规模为当地有相关记录以来第三。伴随着冷雨和强风，中西部气温骤降，部分地区2日晚最低气温达零下20多度，超过半数的州发布暴风雪或冻雨预警。全国超万次航班因此取消。

不久前墨西哥南部的7.6级大震和刚发生加利福尼亚湾6.9级地震就发生在上述暴雪现身之后的一年多一点儿。

半个多世纪前出现的一次寒—震对应关系与2008年初南方冻灾—5.12汶川地震这种对应在时空上的相似程度极高：1954年12月下旬长江中下游、淮河流域大部及黄河、海河流域一部遭寒潮大雪。长江、淮河之间积雪达1～3尺深；除长江干流外，重灾区大小河流、湖泊结冰。冻灾的气温之低、降雪之大为数十年未见。皖、鄂、苏3省及湘、赣2省北部的降雪一直延续到次年1月上旬。低温大雪后约4个月，1955年4月14日四川康定发生M 7.5地震。

再譬如1969年1月下旬至2月中旬，我国大部地区受两次强寒潮侵袭，天气异常寒冷，形成新中国范围最广、持续时间最长、影响最大的低温灾害之一。1月底至2月初武汉、长沙、南京、上海、南昌等地最低气温分别接近1955年1月出现的记录最低温。黄河下游出现历史上罕见的两次封冻、解冻现象，造成较重凌汛。渤海海面持续低温，出现了几十年罕见的封冻。黄河中、下游到南岭之间不少地区连续出现冻雨。半年后，1969年7月18日渤海发生M7.4地震；又过了半年，1970年1月5日云南通海发生M 7.7地震。

2 低温降水—地震的联系机制

以上所举震例中，低温降水均出现在强震前数月至一年稍多的时间里，给人以二者之间似乎存在着某种必然联系的感觉。下面来分析这种联系的可能机制。

地球内部存在着成分不同的大量气体。这些气体由于地球自转和地球内部存在的巨大压力差、温度差、密度差和化学能量差而受到总体上离地心向上发散的驱动。火山喷发、地热田等现象一方面体现着地球内热的散佚，另一方面也体现着地球巨大的宏观排气作用。除了宏观排气，微观的地气外逸也在全球范围进行着[6]。微观逸气是指地球内部气体持续或断续地沿地壳中的薄弱带向上的运移；气体逸出地表时并不可见，只有通过仪器才可以直接或间接地测得。地表逸气的强度受地下构造（气体上升通道）条件、应力强弱（受挤压程度）等因素控制。大震前地壳中应力水平增强，微破裂大量产生和发生贯通，有利于地气的排出。地震前地球排气的时空规模往往是巨大的；排气时携带平时处于地表浅层的气溶胶粒子进入大气，使大气中气溶胶的浓度增大。

气溶胶是由固、液体微粒（称为分散相）稳定悬浮于气体（分散介质）中形成的分散体系。微粒的线度非常小，在10～3μm～0.1mm之间。它们可以是被风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的散落物、工农业粉尘、化石和非化石燃料燃烧产生的颗粒物以及生物花粉、孢子等。可分为一次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气）和二次气溶胶（在大气中由气态物转化而生成）。像火山喷出的二氧化硫气体转化成三氧化硫再与水反应生成硫酸后和金属氧化物微尘反应生成的硫酸盐微粒就是二次气溶胶。雾、霾、烟、霭、微尘和烟雾（smog）等都是不同形态的气溶胶。

强震前（土壤）气溶胶粒子（纳米至亚微米尺度）被地气携入大气的量激增。如1995年日本阪神大地震之前，大阪大学侦测地震的气溶胶仪器的离子浓度升高，大气离子（荷电气溶胶粒子为主）浓度暴增200倍，高达（20～30）万个/厘米3[8]。2004年底造成近30万人死亡的印度洋地震海啸前，未来震区及其下风向地区气溶胶的分布空间逐渐增大，到震前几乎整个北印度洋上空都布满了浓度较高的气溶胶[9]。所以尽管主要是微观逸气，但震前空气中气溶胶的量仍相当可观。

下面分析震前地表逸气及由此产生的空气中气溶胶浓度增大可以产生的降温降水效果。首先，地表逸出气体本身温度可能相对地表空气高（尤其在冬半年），逸出后同原来的近地空气一起被震前地温增高的地表加热[10]。震区上方的大气密度因此会减小；震区出现“低气压”。低气压会“吸引”高密度冷空气向未来震区方向流动形成大风天气。特别是在冬半年，震区低气压会吸引高纬度地区形成的势力强大、深厚宽广的冷气团。这种冷性高压势力可能向未来震区方向“溃决”，在包括震区在内的广大地区形成寒潮。

其次，像火山气溶胶一样，震前被地气携带进入大气的大量气溶胶会在空中形成一层很薄、无法用肉眼看到的雾，产生一点遮蔽地表的效果，起到冷却的作用。正如地震前后极震区的人们嗅到过逸出的地气雾带有硫黄或臭鸡蛋气味(硫化氢气味)[11]-[13]等现象所反映的，逸出气体和气溶胶中很多是含硫的。含硫气溶胶反射太阳入射辐射效果相当好，火山气溶胶就是硫酸盐气溶胶。

震前震区地表逸出的“地震气溶胶”除了反射和吸收阳光使气温降低，还通过其它途径使大气降温。气溶胶粒子尺度极小，它的一个重要气象作用，就是作为水蒸气的凝结核使气态的水分子在它上面凝成水滴。在有凝结核的情况下，水蒸气在达到饱和时（相对湿度100%）会凝成水滴；而在无凝结核时，相对湿度要达到300%以上（在自然条件下很难达到）才有凝结成水滴的可能。所以，空气中气溶胶粒子增多会使水蒸气凝聚的机会增大。当空中的水汽含量不变时，气溶胶粒子的增加会增加云滴数目，减小云滴的有效半径。云滴有效半径的减小使其相互碰并长大到自重大于空气浮力形成降水变得困难，也就是降低了云的降水效率，增加了云的寿命，使区域大气整体的反照率增加，形成降温。但特别在这里要指出的情况是：当空中水汽足够丰沛的时候，气溶胶微粒作为水蒸气凝结核凝结水汽，聚集成云造成降水（雨或雪），导致温度下降的作用将彰显；这在低温季节尤为明显。由于造成地震前后地壳逸气的上升气流强度与火山喷发时的上升气流强度规模根本无法相比，所以地震前后所形成的地震气溶胶将基本停留在雨雪现象主要发生的大气对流层内，它们作为水汽凝结核导致降水的作用将十分显著。

地震气溶胶生成后一般不会在震区上空停滞不动，而是随着气流不断飘向下风地区。像火山气溶胶或者沙尘气溶胶一样，这种漂移可以持续很长距离。其造成低温降水的气象效应于是可以出现在下风向很远处。中国处于中纬度盛行西风带上，西部地区地震气溶胶可以飘到东部才形成低温降水；这一方面也是由于东部地区离海较近水汽较丰沛的缘故。本文中所举的中国的寒—震关系的例子中多属这种情况。此外风冬季由大陆吹向海洋，夏季由海洋吹向大陆等气流运动，也决定着地震气溶胶扩散的方向。

3 展望

综上所述，大地震前由地表逸气造成震区低气压，吸引冬季高纬度区的高压冷气团向震区所在区域扩散，形成寒潮；地震气溶胶使大气中气溶胶浓度增大，反射和吸收太阳入射辐射；还会使云滴的有效半径减小，云滴数目增加，导致云的寿命和反照率增加；在水汽丰沛的情况下，会在震区附近及震区下风向地区形成降水。这四者都会造成震前广大区域的气温下降。

基于“低温降水—强震”间存在着上述物理机制的联系，所以当区域性低温降水情况突出，且持续较长时间时，我们就应考虑这可能与震前的地气逸出、大气中气溶胶的浓度增大有关。也就是说，低温降水可并不只是一个单纯的气象事件而是意味着未来大地震的临近。今冬席卷欧洲和日韩等国的“极寒”天气从1月中旬开始，大雪低温天气持续了一个月。欧洲部分地区出现百年来最低气温，以及数十年来最大规模降雪。日韩两国遭遇暴雪频袭，积雪厚达三四米，多地出现雪崩。韩国首尔出现55年来最低温。今冬“极寒”笼罩下的中东欧的罗马尼亚和意大利，东北亚的日本、千岛群岛和蒙古等都是全球地震多发地区。极寒后这些地方的地震趋势十分值得关注。

图1

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[12]兰州地震大队气象地震组.气象与地震[M].地震出版社，1976

[13]徐好民.地象概论[M].北京图书馆出版社，1998

Cooling-Snowing & Aerosol Increasing before Strong Earthquakes.

Ming Liang
Institute of Disaster Prevention Science and Technoolo, Egays, tY oafn Bjieaijing, 101601 China

The article listed the cases in whichl ow temperaturae nd snow falling were followedb y strong earthquakeRs. esearch shows that the mechanismofs the correspondeanrcee that the escapinog f large amounot f undergrougnads from the Earth surface caused the growing in number of aerosorl aisedi nto the atmosphebree causoe f the increasinog f micro-fractureis n the crust before earthquakeTs. he undergrougnad s escaping may induce a cold wave ; the aerosol wouldr eflec t and absorbt he radiatioon f the Sun, increaset he reflection of clouds as well as coagulate wate r vapors to precipitate(in case vapors are plentiful);so temperature gone down.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.010

基金：国家自然科学基金项目（41174043）

明亮，男（1953—）湖北安陆人，大学毕业，副教授，主要研究实验岩石力学、地震活动图像和地震气溶胶。