芦山地震、汶川地震与龙门山地区水汽异常

邓志辉陈梅花杨竹转严 兴邓远立

1）广东省地震局，地震监测与减灾技术重点实验室，广州 510070

2）中国地震局地质研究所，北京 100029

3）浙江师范大学，浙江金华 321004

芦山地震、汶川地震与龙门山地区水汽异常

邓志辉1，2）陈梅花3）*杨竹转2）严 兴1，2）邓远立1）

1）广东省地震局，地震监测与减灾技术重点实验室，广州 510070

2）中国地震局地质研究所，北京 100029

3）浙江师范大学，浙江金华 321004

对龙门山地区水汽动态的分析研究表明，在2013年芦山MS7.0地震和2008年汶川MS8.0地震前，龙门山地区大气相对湿度异常频次都出现了先逐年下降，然后快速回升的过程；下降时间较长，10a以上，上升时间较短，1～2a；震中位于异常频次相对下降和上升幅度都是最大的中心或邻近区域。在地震孕育中期阶段发生水汽异常趋势变化的原因可能是由于岩层裂隙的张合、地下流体的运动和地热能的变化，影响地面温度和潜热交换的速度所致。在地震孕育的中长期阶段（10a～几a），地壳岩石受压缩变形，孔隙、裂隙不断闭合或减少，由地下释放的热水、热汽减少，潜热交换速度也随之降低，相对湿度异常频次表现为逐年下降的趋势。在地震孕育的中短期阶段，地壳岩石变形进一步加大，可能导致微破裂不断扩展，由地下释放的热水、热汽由减少转为增加，潜热交换速度由降低转为迅速增加，相对湿度异常频度也表现出由逐年下降转为突发的快速上升。

芦山地震 汶川地震 水汽异常 龙门山地区

0 引言

地震前，尤其是大震前，常有报道会出现多种反常的大气物理现象，如怪风、大旱、骤然增温或酷热蒸腾等。与此相应的温度、气压、湿度的变化，会使人体感到不适。1966年2月5日，云南东川发生6.5级地震的前3日连续有霾，震前一日霾的浓度最大。1971年3月23日新疆乌什发生6.3级地震前几天，雾气腾腾，灰尘满天。1973年2月6日四川炉霍发生7.9级地震，“震前几小时风尘大作，风向紊乱，上下乱窜”。1975年2月4日，辽宁海城7.3级大地震之前，虽然已是严冬季节，天气却特别暖和，1月31日出现高温低压，从2月2日起气温连续上升，2月3日上午3：00～10：00，震区气温加速上升，形成一个以海城为中心的急剧增温区，2小时内海城地区增温12℃。震前不久，星空突然昏黑，地上伸手不见五指，大震过去后，很快又亮了起来。2011年，作者第5次前往北川、映秀、虹口、白鹿、江油等地进行地质调查和热通量参数测量时，擂鼓镇西的一个村干部回忆（有录音）：2008年5月12日汶川MS8.0地震前几个小时，无风无雨，突然一股“黑烟”从地里升起，围绕村边的沟谷（注：震后调查结果显示发震断层从此通过）不停转圈，许久才消失。

上述现象尽管很复杂，但不难看出，都离不开地震前水汽活动的参与。大震前的各种大气异常现象，近年来有很多报道（Dey et al．，2004；Dunajecka et al．，2005；赵益洋等，2010；陈梅花等，2011；Vishnu et al．，2012）。伴随地震孕育与发生过程，大气中的水汽异常现象都不是孤立的，但由于地震前兆现象和无震气象异常现象不容易区分，所以，还必须进一步加强研究。

在利用现代仪器观测资料研究震前水汽短临异常方面，近几年不断有新的论文发表。Dey等（2004）利用卫星遥感数据分析了2001印度古特拉地震前后水汽分布图像，发现地震前大气中水汽含量出现显著变化，他认为这是由于震前潜热通量异常增加所致。Dunajecka等（2005）分析了墨西哥若干强震前后大气相对湿度观测资料，结果表明，大多数强地震发生前一周内都会先出现相对湿度的负异常，然后快速回升，直到地震发生。Singh等（2007）利用NTUS台和BAKO台的GPS观测资料反演了2004年12月26日印度尼西亚9级地震前后水汽含量，发现该地震前半个月，特别是12月10—12日，水汽含量出现显著的负异常，离震中近的台站异常幅度大，超过3倍均方差。Vishnu等（2012）研究了Braemore和M inambakkam气象台的观测资料后发现，在2004年12月26日印度尼西亚9级地震前1天晚上，相对湿度明显小于历年平均值，但在地震前39min，相对湿度突然增加，至震后40min，上升至100%饱和状态，增幅达40%以上。赵益洋等（2010）①中国地震局地质研究所，2008，中国大陆构造活动背景分析及2009年度地震危险性预测研究（2009年度地震会商报告）。利用MODIS／TERRA数据反演了2008年5月12日汶川MS8.0地震前大气水汽动态变化，结果表明，地震前40d开始出现了大气水汽异常，异常主要沿断裂带分布。

有关地震前存在水汽中期异常的认识是陈梅花等（2011）首先提出的。把遥感数据反演与地面观测资料相结合，使用几十年的资料，从地震孕育中长期的时间尺度出发，以川西及邻近地区的震例为研究对象，分析了强地震前后的水汽动态异常信息。结果表明，2008年汶川MS8.0地震、1976年松潘强震、2010年玉树7.1级地震前都有中长期的水汽异常。2008年汶川MS8.0地震后龙门山断裂带中北段水汽异常消失，2010年玉树7.1级地震后鲜水河断裂带西北段水汽异常结束，但龙门山断裂带南段和鲜水河断裂东南段的水汽异常继续存在。中国地震局地质研究所①②中国地震局地质研究所，2009，中国大陆构造活动背景分析及2010年度地震危险性预测研究（2010年度地震会商报告）。③中国地震局地质研究所，2010，中国大陆构造活动背景分析及2011年度地震危险性预测研究（2011年度地震会商报告）。④中国地震局地质研究所，2011，中国大陆构造活动背景分析及2012年度地震危险性预测研究（2012年度地震会商报告）。⑤中国地震局地质研究所，2012，中国大陆构造活动背景分析及2013年度地震危险性预测研究（2013年度地震会商报告）。通过分析水汽异常分布，考虑到汶川地震的影响，结合活动构造研究成果，在地震会商报告中，连续5a（2009—2013）把龙门山断裂带南段至川滇地区划为年度6～7级地震危险区。2013年4月20日四川芦山MS7.0地震就发生在龙门山断裂带的南段。因此，本研究以龙门山地区水汽动态为纽带，研究其区域相对湿度异常频次的时空变化，并结合2008年汶川MS8.0和2013年芦山MS7.0地震发生背景，研究地震孕育不同阶段相对湿度异常频次的时空变化特征，试图对龙门山地区水汽动态与强地震活动的关系作进一步深入分析与总结。这有利于深化认识岩石圈-水圈-大气圈的耦合作用，创新地震预测的研究思路和方法。

1 研究资料和方法

龙门山断裂带位于四川盆地与青藏高原东缘之间，长约400km，宽70km，以NE—SW走向斜跨四川地区。龙门山断裂带形成于中生代和早新生代。印度-澳洲板块以向北略偏东方向挤压欧亚板块，导致青藏高原隆起。青藏高原东部又以10～15mm／a的速度向E—SE方向运动，在龙门山一带受到坚硬的四川地块的阻挡，积聚了巨大的构造应力，使岩层破裂形成一系列断层。龙门山地区受到青藏高原连续挤压作用下，沿NE向断层不断向SE方向逆冲运动，导致强地震的发生。

龙门山断裂带主要由3条大断裂构成（邓起东，2007），分别为：西边龙门山后山断裂（汶川-茂县断裂），分布于茂县—汶川—卧龙一线，大体上沿汶川到茂县的高山峡谷延伸；东边龙门山前山断裂或边界断裂（安县-灌县断裂），沿安县—都江堰—天全一线延伸；中间龙门山中央断裂（映秀-北川-青川断裂），沿映秀—北川—青川一线延伸。这3条断裂呈叠瓦状，都向NW倾，是青藏高原推覆到四川盆地之上的主控制构造（张培震等，2008；邓志辉等，2008）。

2008年5月12日汶川MS8.0地震发生在龙门山断裂带中段，在中央断裂中北段和前山断裂中段分别产生了长达240km和72km地表破裂带，而2013年4月20日芦山MS7.0地震则发生在龙门山断裂带南段，震中位置大体在前山断裂附近。2个强震震中距离不到100km，构造和动力环境相似，是比较典型的挤压逆冲型地震，2个地震之间应该存在动力学联系，以及相关联的物理场动态。

本研究选用龙门山及其周围地区1980年至2012年期间共33a的相对湿度数据，系统分析了大气水汽的时空动态。数据来自美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心（Singh et al.，2001）。数据密度为100km左右。异常判别采取目前地震前兆数据常用的分析方法。为了挖掘研究区强地震前后水汽异常信息，首先分析了相对湿度的正常背景。由于不同地区背景值不同，本研究以各点1980—2012年共33a的同一天的平均值加上1.5倍均方差为正常背景的高值上限，大于高值上限就被记作异常。一年中各天相对湿度超过高值上限的天数计作累计相对湿度异常次数。异常频次低代表水汽变化相对平稳，异常频次高代表水汽扰动大。

2 分析结果

系统的分析研究表明，在龙门山断裂带北部、中南部和南部大气相对湿度高值异常年频次随时间变化存在差异，所以在下文中分别讨论。

在龙门山断裂带北部，1995年之前大气相对湿度高值异常年频次在45～80之间波动，之后整体逐年下降，2005年达到最低值26（图1），随后不断回升，2008年发生汶川MS8.0大地震，异常频次继续上升，2012年回升到常年状态。

在龙门山断裂带中南部（汶川地震与芦山地震震中之间），1991年之前大气相对湿度高值异常年频次在45～88之间波动，之后整体逐年下降，2005年达到最低值2（图2），2006年开始快速回升，2007年达到历史最高值，2008年发生汶川MS8.0大地震，异常频次继续上升，2010年开始掉头下降，2012年达到极低值，2013年发生芦山MS7.0地震。

在龙门山南部，1996年之前大气相对湿度高值异常年频次在40～95之间波动，之后整体逐年下降，2007年达到最低值10（图3），2008年发生汶川MS8.0大地震，异常频次继续保持低值状态，直至2011年转折快速回升，2012年达到历史最高值，2013年发生芦山MS7.0地震。

图1 龙门山断裂带北部相对湿度高值异常年频度分布Fig.1 The annual frequency process of high relative hum idity anomaly in northern Longmen Shan Fault zone.

图2 龙门山断裂带中南部（汶川地震与芦山地震之间）附近相对湿度高值异常年频度分布Fig.2 The annual frequency process of high relative hum idity anomaly in southern central Longmen Shan Fault zone.

图3 龙门山断裂带南部相对湿度高值异常年频度分布Fig.3 The annual frequency process of high relative hum idity anomaly in southern Longmen Shan Fault zone.

研究区不同时段大气相对湿度异常频次空间分布变化特征明显。1991年之前，研究区大气相对湿度异常频次总体上在一定范围内波动，比较平稳；1991年之后，各个区域的变化表现出明显的差异。

图4a为1980—1990年大气相对湿度异常频次平均值空间分布图。从图中可见，异常频次总体上分布比较均匀，可以作为正常的背景值。大部分地区介于60～85，不同地区差异不大，只有北部地区略低，但也不是突变，可能与气候因素影响有关。

图4b为2005年大气相对湿度异常频次等值线，由图看见，整个研究区除西北角外的大部分地区，异常频次相比图4a显著降低，特别是在将要发生2008年汶川MS8.0大地震的震中地区，下降最为明显，频次为10之下，明显低于周边其他地区。

图4c为2007年相对于2005年大气相对湿度异常频次增量等值线图，由等值线图看出，异常频次发生显著增加的地区是研究区的中北部，包括龙门山断裂带中北段，特别是将要发生2008年汶川MS8.0大地震的震中地区，增加最为显著，增量达到80以上。2008年5月12日汶川MS8.0大地震就发生在这个部位。

图4d为汶川地震后2009年大气相对湿度异常频次等值线，由图可见，汶川MS8.0地震后在研究区龙门山断裂带的中北段，异常频次上升到高值状态，但龙门山断裂带的南段和鲜水河断裂带仍然处于低值状态。

图4e为2011年大气相对湿度异常频次等值线，图中显示，由西南至东北，跨过龙门山断裂带的中南段形成了一条宽阔的NE向异常频次低值带，2013年芦山MS7.0地震的震中地区也在其中，异常频次处于40之下。

图4 f为2012年相对于2011年大气相对湿度异常频次增量等值线图，由等值线图可见，异常频次发生显著增加的地区是巴颜喀喇地块的东南角和龙门山断裂带的中南段，最大异常频次增量达到60以上。2013年4月20日芦山MS7.0地震就是在这个异常频次高值区前缘发生的。

综上所述，龙门山地区大气相对湿度异常频次动态在1991年之前是相对平稳地波动，之后发生了比较大的变化，异常频次出现大面积大幅度地下降，从2006年开始，特别是2007年龙门山断裂带中北段异常频次转为快速上升，在异常频次高值背景下发生了2008年汶川MS8.0地震，而龙门山断裂带南段则继续保持异常频次低值状态，直到2012年发生快速回升，在异常频次高值区前缘发生了2013年芦山MS7.0地震。

3 讨论与结论

在大气中水汽的含量很低，但变化很大，其变化范围介于0%～4%之间，水汽的1／2分布在2km以下，3／4分布在4km以下，12km高度以下的水汽约占全部水汽总量的99%。大气中的水汽来源于下垫面的蒸发。水汽是大气中惟一能发生相变的成分，故在天气变化中极为重要。水汽能强烈地吸收地面辐射，也能放射长波辐射，在水的相变中不断放出或吸收热量，这都直接影响到地面和空气的温度，影响到大气的运动和变化。

龙门山地区水汽动态与强震的孕育和发生有着某种内在的关系。在2008年5月12日汶川MS8.0地震和2013年4月20日芦山MS7.0地震前，龙门山地区大气相对湿度异常频次都出现了先逐年下降，然后快速回升的过程；下降时间较长，在10a以上，上升时间较短，为1～2a；震中位于异常频次相对下降和上升幅度都是最大的中心或邻近区域。这一结果有可能为地震的中期预测服务。

图4 龙门山及其邻近地区不同时段大气相对湿度异常频次等值线图Fig.4 The anomaly frequency contour map of atmospheric relative humidity in different periods in Longmenshan Mountains and its adjacent area.a 1980—1990年相对湿度异常频次平均值；b 2005年相对湿度异常频次；c 2007年相对于2005年相对湿度异常频次增量；d 2009年相对湿度异常频次；e 2011年相对湿度异常频次；f 2012年相对于2011年相对湿度异常频次增量

对于前人发现的地震前水汽短临异常，Pulinets等（2006）认为，岩石圈-大气圈-电离层的耦合作用是地震前水汽异常的机制，地壳放射性氡释出，使大气发生电离，水汽围绕离子核凝结，导致相对湿度降低，并放出热量，使温度升高。他通过模型分析得到10h内最大电离速率和大气相对湿度可以发生30%的异常变化的结果。

对于地震前中期阶段水汽异常频度的趋势变化，其原因可能是由于岩层裂隙的张合、地下流体的运动和地热能的变化，影响地面温度和潜热交换的速度所致（陈梅花等，2011）。在地震孕育的中长期阶段（10a～几a），地壳岩石受压缩变形，孔隙、裂隙不断闭合或减少（郭德勇等，1998；郝锦绮等，2002；杨竹转，2004），由地下释放的热水、热汽减少，潜热交换速度也随之降低，相对湿度异常频次表现为逐年下降的趋势。在地震孕育的中短期阶段，地壳岩石变形进一步加大，可能导致微破裂不断扩展，由地下释放的热水、热汽由减少转为增加，潜热交换速度由降低转为迅速增加，相对湿度异常频度也表现出由逐年下降转为突发地快速上升。汶川MS8.0地震前出现的潜热通量异常（严研等，2008）也支持这一认识。作者通过流体-固体-热耦合作用数值模拟研究，得到了相同的结论，相关工作将在另文进行讨论。

致谢 美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心提供了分析数据，在此表示感谢。

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WATER VAPOR ANOM ALIES RELATED TO THE LUSHAN AND WENCHUAN EARTHQUAKES
IN THE LONGM ENSHAN MOUNTAINS AREA

DENG Zhi-hui1，2）CHEN Mei-hua3）YANG Zhu-zhuan2）YAN Xing1，2）DENG Yuan-li1）

1）Key Laboratory of Earthquake Monitoring and M itigation Technology，Guangdong Earthquake Administration，Guangzhou 510070，China
2）Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
3）Zhejiang Normal University，Jinhua，Zhejiang 321004，China

Studies of air relative humidity dynamic process in Longmenshan Mountains area，Sichuan，southwestern China show that，before the 2013 Lushan MS7.0 earthquake and the 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake，the annual frequency of air relative humidity anomalies appeared to decrease year by year in the initial period，and then increased quick ly.The fall time is longer，often more than 10 years，and the rise time is short，about 1～2 years.The epicenters are located in or near the area where the anomaly frequency of air relative humidity declined most and increased more than other regions.

The tendency transition of the annual frequency of air relative humidity anomalies in themiddleterm period of earthquake preparation is probably due to the opening and closing of rock fracture，underground fluid movement and geothermal energy release，which cause the change of ground temperature and latent heat exchange rate.In the medium and long-term period of earthquake preparation（10 to several years），the crust rock is under compression deformation，the rock pores and fissures are continuously closed or reduced，the releasing of underground hot water or hot vapor decreases，and the latent heat exchange rate has also decreased，therefore the relative humidity anomaly frequency shows a declining trend.Whereas in the medium and short-term period of the earthquake preparation，as the crustal rock deformation increases further，which may lead to micro fractures expanding，and the underground hot water and hot vapor by releasing will turn from decreasing to increasing，the latent heat exchange rate changes from reducing to rapidly increasing，and the relative humidity anomaly frequency also shows a transition from decreasing year by year to a rapid increase in burst.

2013 Lushan MS7 earthquake，2008Wenchuan MS8 earthquake，water vapor anomaly，Lenmenshan Mountains area

P315.72

A

0253-4967（2014）03-0658-09

邓志辉，男，1962年生，1992年在国家地震局地质研究获得博士学位，研究员，现主要研究方向为地震异常信息挖掘与预测方法研究，电话：020-87766832，E-mail：deng6789＠163.com。

10.3969／j.issn.0253-4967.2014.03.009

2013-06-17收稿，2014-08-15改回。

广东省科技厅、财政厅专项（2013B020200010）、中国地震局地质研究所基本科研业务专项（IGCEA1124）和国家自然科学基金（40841016）共同资助。

*通信作者：陈梅花，女，副研究员，E-mail：moonchun＠126.com。