2018年8月14日云南通海M5.0地震热红外亮温异常分析

格 根，梁沙沙，裴东洋，阿娜尔

（内蒙古自治区地震局，内蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

卫星遥感技术具有瞬时探测大范围近地空间热红外异常的动态变化，具有比常规地表定点测量手段无法比拟的优势[1]。自1988年，前苏联学者Gorny等分析1984年加兹利MS7.1地震前出现的显著热红外亮温异常之后，卫星热异常的震兆研究已经成为地震学界的一种热点[2-5]。由于热红外辐射容易受到复杂的大气干扰、地表层热状况、地物辐射等影响，直接利用红外辐射无法准确获得与地震有关的异常变化，因此国内外学者提出了一些有效的数据处理方法，并应用到震例总结和地震预测当中。张元生等提出的双通道多时相反演方法对提取大范围地表温度的连续变化和分辨异常区域提供了技术支撑，除此之外张元生等采用离散小波变换滤波及短时傅里叶变换的相对功率谱方法对汶川8.0、于田7.3、日本9.0等多次大震震例进行研究，得出地震热红外异常机理及震前的变化特征[6-7]；Filizzola采用基于统计的RST方法，通过雅典5.9级地震震中区域温度与背景温度值相减，获取震前温度的上升变化[8]；魏从信等采用相对功率谱法，对2007—2010年间85个5.5级以上地震的热红外异常震例总结显示，95%以上地震前均有热异常变化[9-10]；孟庆岩等[11]针对NOAA18/AVHRR和EOS MODIS数据提出基于历年同期亮度温度偏移指数方法、基于长周期信息的亮温提取方法等，应用在青藏高原东北隅、首都圈、川滇地区等三大主要构造区域近年来的6级以上震例研究中，总结出异常的短临性、阶段性和构造带的相关性。前人的研究结果显示，汶川、于田、精河地震、尼泊尔地震、日本地震等多次强震前热红外均出现明显的异常变化，主要特征有：（1）强震前在震源附近区域出现热异常，并具有随时间逐渐增大之衰减的时空演化特征；（2）异常区域聚集且沿断裂带发展。但也存在普遍性，不一定每次异常都会对应地震或每次地震前都会出现热异常变化[12-24]。

据中国台网中心测定，2018年8月14日3时50分，在云南省玉溪市通海县（24.19°N，102.75°E）发生M5.0地震，震源深度6km，震中位于通海—峨山断裂上（图1）。本文利用相对功率谱估计法对本次地震进行了地震前后热红外亮温数据异常变化分析，获取与该地震相关的热红外亮温变化特征，以期为卫星热红外数据演化特征与地震的关系研究提供震例积累。

图1 2018年8月14日云南通海M5.0地震地理位置Fig.1 The geographic location of the M5.0 earthquake in Tonghai，Yunnan Province on August 14，2018

1 资料选取与数据处理

1.1 亮温资料

地震监测与气象监测一样，要求数据连续性和可比性，因此本文采用国家卫星气象中心（风云卫星遥感数据服务网）所提供的FY-2G静止气象卫星遥感热红外亮温数据（远红外观测波段为10.3～11.3μm和11.5～12.5μm），该数据分辨率虽不如极轨卫星高，但具有时间上的一致性、地点的可比性，每天进行24小时观测，一次观测范围为地球三分之一的面积，因此更加适用于地震监测预报的要求[2，22]。由于卫星热红外易受到太阳辐射的影响，因此选取世界时的19—21时、范围为22～30°N，97～107°E区域间的数据进行了热红外亮温异常分析。

1.2 亮温计算

实际物体的辐射能量是以电磁波的形式传到传感器上，该辐射能量通过辐射定标和几何纠正、普朗克辐射公式和波段响应函数能转化等步骤便能计算获得亮温），该亮温可作为监测地震的红外参数[2，11，25]。

普朗克辐射定理完整的描述了黑体辐射的光谱分布，公式为：

式中，B（V，T）是波数V（cm-1）和温度T（K）处的光谱辐射出射度（W/m2·sr·cm-1），h为普朗克常数，c为光速，k为玻耳兹曼常数。某一波段的黑体辐射公式是普朗克公式对这一波段各个波长值和该波段响应函数的积分，可以表达为：

式中，i为波段数，fi（v）为第i波段的波段响应函数，v2i和v1i分别是i波段上下限波长对应的波数。利用波数间隔Δv=5cm-1求和代替积分，波段的黑体辐射公式为：

式中mi=（v2i-v1i）/Δv。应用公式（3）在温度T1i至T2i范围内以Δv步长变化时，分别对每个红外波段进行数值积分，能得到每个红外波段（i）的辐射出射度Wi（T）与温度T的对应关系。经过查询关系表能获得对应的黑体辐射温度值，该温度值即是研究所需的亮温BT，单位为K，但不是物体的真实温度。

1.3 数据处理

1.3.1 小波变换

小波变换是一种线性时频分析方法，在时间和频率域均有很好的局部化性质[22]。热红外遥感所获取的亮温数据中包括地球的基本温度场、年变、日变温度场、天气引起的温度变化以及地震等其他因素引起的微弱变化[2]。本文为了提取与地震有关的温度变化，采用db8小波基对亮温数据进行小波变换。为了去除地球基本温度场和年变温度场先舍去小波7阶的低频部分；为了去除天气等引起的较短时间云雨、寒热气流等温度变化，再舍去小波2阶的高频部分，经以上处理后每个象元的数据在时间域里是正负相间的亮温相对变化数据[2，24]。

1.3.2 相对傅氏功率谱法

功率谱法是常用的波形数据处理的数学方法，它可以通过信号的相关性估计出接受信号的功率随频率的变化关系，揭示信号中隐含的周期性和相距较近的谱峰等有用信息[24]。由于海量的亮温数据不易进行全时空分析，因此本文将采用功率谱法进行处理，获取优势频率和幅值，能有效的提取地震前后亮温变化功率谱与其他时候的区别。具体步骤如下，以n=64天为窗长，m=1天为滑动窗长进行傅里叶变换，对每一象元的频率数据滑动一次获得一组功率谱，时间约定在窗内数据的起始时间，既能获得时频空间数据。为了去除观测数据的地理位置、海拔等影响因素，对每一象元所有功率谱作相对谱值处理，获得空间相对功率谱值。最后应用图像处理技术进行全频段时空扫描，既能识别异常区域及其演化特征[2，18，25-29]。

2 数据分析结果

2.1 亮温时空演化特征

以22～30°N、97～107°E为研究区，对2018年8月14日云南省玉溪市通海县M5.0地震进行热红外亮温异常研究，通过区域追踪扫描得到的初步图像发现，特征周期为8天的平面功率谱信息图像中存在明显的异常（图2）。

图2 通海M5.0地震特征周期8天的平面功率谱图Fig.2 Power spectrum of M5.0 earthquake in Tonghai County during 8-day period

为获取地震前后热红外亮温异常演化特征，对该区域时频相对功率谱值进行空间扫描，获取通海M5.0地震前后的热红外亮温功率谱异常时空演化图像（图3），结果显示：2018年6月27日，在研究区西南侧畹町—安定断裂附近（24°N，98°E）开始出现亮温增温异常，随后异常幅值及面积逐渐增大，并沿断裂带逐渐向东北方向发展，至2018年8月6日面积及谱值达到最高值，高值区域主要分布在震中西北及北北东方向，集中在鹤庆—洱源断裂、永生—宾川断裂带延伸至莲峰断裂、龙泉山西缘断裂一带。之后高值异常区域慢慢收缩，在此过程中在异常区域附近发生通海M5.0地震，异常出现至发震约50天，震中区域未出现异常。至2018年9月12日异常基本消失。通过以上分析发现，该异常形态变化相对突出，异常辐射强度较大，发震位置在异常区域附近，与多数震例总结结果相符。

图3 通海M5.0地震前后热红外亮温相对功率谱时空演化图Fig.3 Time-space evolution of thermal infrared brightness temperature relative power spectrum before and after Tonghai M5.0 earthquake

2.2 亮温功率谱平均谱值时间变化特征

亮温异常区功率谱平均谱值时序图能反应异常区亮温变化的整体趋势[26]。该区域近6年的平均谱值时序图显示（图4）：通海M5.0地震亮温异常特征周期为8天，相对变化率达到20倍左右，最高值19.81出现在2018年8月8日，近6年数据的最大值，8月14日发震前平均功率谱值陡升，之后在高值回落阶段发生了地震。2014年以来研究区亮温功率谱平均谱值相对值基本在4倍均值以下，该次地震特征功率谱幅值大于4倍的持续时间为46天，时间特征相对突出。除此之外，6年之内超过4倍均值线的还有4次，即2014、2015、2017、2019年出现超4倍均值高值，考虑其持续时间较短或峰值相对较小，根据以往震例总结，可能与该地区地质环境及气象因素有关。

图4 异常区相对功率谱时序图（研究范围：28～29°N、103～104°E）Fig.4 Time series of relative power spectrum in abnormal region（Study Areas：28～29°N，103～104°E）

3 结论

本文针对2018年8月14日云南通海市M5.0地震，利用相对功率谱估计方法对研究区（22～30°N，97～107°E）静止气象卫星FY-2G连续观测的亮温数据进行分析，结果显示地震热红外亮温相对功率谱时空演化特征为：（1）震前50天开始在震中以西畹町—安定断裂附近出现明显的增温异常；（2）异常演化过程呈现为初步显现至加速发展后逐步衰减；（3）异常区域聚集且沿断裂带发展，说明亮温异常变化可能与断裂活动有一定关系。异常区相对功率谱时序特征为：（1）异常特征周期为8天，相对变化率达到20倍左右；（2）发震前功率谱值陡升，之后在高值回落阶段发生了地震；（3）特征功率谱幅值大于4倍的持续时间为46天，时间特征相对突出。综合分析发现，该地震前出现明显的热红外亮温异常变化，其整体变化特征与以往的震例研究结果相似，异常幅度及时空演化特征较为突出。

4 讨论

本研究实行期间，同时对云南地区2015—2019年其他6次5级以上地震进行了亮温分析，结果发现，其中3次地震前存在不同程度的亮温增温现象。目前，热红外亮温异常变化已具有一定的地震短临预测意义，虽然预测时间和地点指标比较明确，但基本是基于经验的总结，精准率尚待提高。对于热异常的原因与异常特征变化关系的进一步探索，需靠不断的震例总结及更深入的机理研究来挖掘，从而提高地震预测的精准度。