FY-3卫星监测四川芦山地震前后热异常

黄志东 ，钟儒祥 ，朱爱军

(1.广东省地震局， 广州 510070；2.广州气象卫星地面站， 广州 510640；3.国家卫星气象中心， 北京 100081)

FY-3卫星监测四川芦山地震前后热异常

黄志东1，钟儒祥2，朱爱军3

(1.广东省地震局， 广州 510070；2.广州气象卫星地面站， 广州 510640；
3.国家卫星气象中心， 北京 100081)

利用中国FY-3气象卫星资料，通过分析多种仪器的亮温数据，对2013年四川芦山MS7.0级地震进行了再研究。结果表明：中国FY-3卫星星载多探测仪器，可用于立体监测地震多发区域，红外和微波亮温震区异常明显，能部分解释大地震前热红外异常的多种观点，说明FY-3卫星对地震预测具有一定的实用性和参考作用。

FY-3气象卫星；四川芦山7.0级地震；热红外遥感；微波遥感；亮温变化

0 引言

2013年4月20日08时02分在四川省雅安市芦山县发生7.0级地震，该次地震位于龙门山断裂带南段，震中距离2008年5月12日14时28分汶川8.0级地震震中约85 km。给四川造成大量的人员伤亡和经济损失。

地震孕育和发展过程中有“热”释放，因此可以用卫星遥感技术来监测地震区域热场的变化，前人通过卫星热红外遥感对地震前增温异常进行了大量研究，利用卫星热红外遥感和微波遥感技术能够探测大范围连续的近地表热场变化，为开展地震短临预测研究提供了新的技术途径和广阔的应用前景[1-16]。FY-3气象卫星是中国新一代极轨气象卫星，具有多探测器、立体监测能力，包括红外和微波探测，红外探测空间分辨率较静止气象卫星高，本文利用中国FY-3气象卫星资料，对芦山地震前后的热场等进行分析研究，探讨卫星热红外遥感技术在地震监测预报研究中的运用。

1 FY-3卫星及数据处理

1.1 FY-3卫星简介

FY-3卫星是一个综合性的地球环境探测卫星，星上有11个探测器，可实现全球、全天候、三维定量遥感[17]，其中能进行地震热红外辐射监测的仪器有：可见光红外扫描辐射计、中分辨率光谱成像仪、红外分光计等；能进行微波监测的有微波湿度计、微波温度计，两仪器均能立体监测。可见光红外扫描辐射计(VIRR)，具有与NOAA卫星相似的红外通道特性(表1)，热红外研究结果与NOAA研究结果有可比性；中分辨率光谱成像仪，第四通道为红外(中心波长0.865 μ m)，空间分辨率250 M；微波湿度计(MWHS)(表2)可立体监测大气。FY-3卫星已发射3颗，目前中国的北京、新疆、广东的3个地震台站已建成接收站，为地震实用监测提供可能。

表1 FY-3可见光红外扫描辐射计部分光谱特性[17]

表2 FY-3微波湿度计光谱特性[17]

1.2 数据处理及相关依据

广东省河源新丰江中心地震台地震灾情遥感卫星站接收FY-3卫星数据，经资料预处理，获得可见光红外扫描辐射计(VIRR)资料，MWHS资料，资料文件格式为HDF格式，通过投影、拼图、裁切、增强、合成及算法处理，得出监测产品。

根据中国地震台网中心资料(图1)，本次四川庐山“420”7.0级地震震中附近100公里范围内1900年以来曾发生5级以上地震12次，其中6.0～6.9级地震3次，最大即为2008年汶川8.0级地震。因此，选取资料范围以本次地震震中30.3°N， 103.0°E为中心300 km×300 km范围，有效范围28.8°～31.8°N，101.5°～104.5°E；选取研究时间为2013年4月5日—5月5日，即地震前后各半月。分析主要用到FY-3卫星VIRR及MWHS亮温(TBB)资料。

图1 四川庐山7.0级地震主震震中位置及历史地震分布图(来源:中国地震台网中心)

一般情况下MS> 5地震前均有较清晰的红外临震异常显示，低空大气-地面增温幅度显著，并表现出突发性和阶段性特征。异常大气的温室效应也是不可忽视的因素[1]，首先是基本成因使地表局部区域温度逐渐升高，相对形成高温区，地表水汽蒸发加快，形成高温低压区的气旋运动，大量水蒸气在高空遇冷凝结成云雨，使地表温度下降。 但基本成因过程还在继续，可以解释多数大地震发生后为什么在其震中附近地区出现下大雨或下大雪等自然现象[4]。因此我们利用FY-3卫星的资料优势，研究红外异常及大气异常。

本研究采取以震中为中心的研究方式，这样可实用化监测地震区域。数据以该区域亮温平均值时序变化为主，数据处理时，由于卫星热场为区域效应，这样可以消除地形等的影响；又因为区域白天和夜晚的地表辐射不同，因此将白天和夜晚的数据分别处理分析，选取FY-3A星上午10:30—12:00和晚上22:00—23:30(除特别说明外，均为北京时BJT)分别代表白天和晚上的情况，消除背景场不同及太阳辐射不同的影响。同时，我们采用亮温距平的方法，去除天气及季节变化的影响，效果更明显。热红外场主要由VIRR资料研究，同时用MWHS资料研究震区近地大气场变化，FY-3卫星VIRR红外空间分辨率较静止卫星高，有利于小范围精细研究，这也是前人很少涉足的研究领域。

2 资料处理结果

2.1 地震前后热红外场变化过程

随着卫星遥感技术的发展，关于强震前存在不同程度的“热震兆”现象，前人做了大量研究[1-16]，本次四川芦山地震卫星红外场过程和特征如下:

图2显示了地震前后1个月内所选监测区域红外热亮温情况。总体趋势是由低到高再转低，在地震前后4月17—22日白天均为持续增温异常，最高增温接近20℃(图2b)，这期间连续红外亮温均为正距平，说明比平均亮温高；夜晚4月16—22日，除地震前夜(4月19日夜)为负距平外，也全为正距平，最高增温接近25℃(图2d)，晚上亮温增温幅度高于白天，是否可解释为晚上人为活动减少，凸显地震辐射增温？有待查证。从亮温时序图亦可见，也有持续2天增温但没发生地震的情况，而持续亮温距平为正10℃以上时易发生地震，对于地震后持续几天亮温正距平，是否与余震有关，均有待研究。总之，通过热红外亮温可以看出地震前后地表热红外异常增温明显，说明亮温距平的方法能够监测地震前后的亮温异常升高。

(a)白天红外TBB；(b)白天红外亮温距平；(c)夜晚红外TBB；(d)夜晚红外亮温距平

2.2地震前热红外场及大气场变化过程的相关性

我们用微波湿度计亮温资料研究地表热异常及近地层大气场。图3显示由微波亮温看地震前半月地表热辐射趋势，表现为持续增温，4月12日白天的突然降温，是由区域大片厚云引起(云图略)，有强对流时会出现，850 hPa亮温较1 000 hPa亮温高[19]，可见整体上微波地表亮温受云层影响小于热红外辐射，从微波时序图可见，白天由于太阳辐射及人类活动，地表亮温略高于850 hPa大气温度，由于监测区域为陆地，相反晚上地表亮温略低于850 hPa大气温度，也说明微波监测地表及近地大气温度有一定优势，只是微波空间分辨率低于热红外；同样对于芦山地震前的地表及大气监测，图4b、图4d微波亮温距平显示，本次地震前微波地表亮温及850 hPa大气亮温持续正距平值，临震信息更强烈，因此热红外亮温配合微波亮温监测地震区域，提供临震信息更可信。

到底研究区域哪些地方增温最强烈？我们分别选用地震前第10天起算的5 d(10—14日)与地震前第5天起算的5 d(15—19日)各点红外亮温平均值相比较，得到地震前红外异常区域图(图4)，从区域图上可见，增温最强区域为地震震中及其附近地区，四川雅安附近。

(a)白天微波TBB;(b)白天亮温距平;(c)夜晚微波TBB;(d)夜晚亮温距平

以上红外、微波分析均显示，地震前近半月无论白天、夜晚，地震区域异常增温，进一步佐证了徐秀登等研究的结果：一般情况下MS> 5地震前均有较清晰的红外临震异常显示，低空大气—地面增温幅度显著[1]。

图4 地震前热红外异常区域图

2.3地震前后大气场变化

“地球放气温室效应 ”等学说及张元生等的联合成因机理[4]，都涉及到大气温度和湿度变化，而FY-3卫星的微波湿度计有其自身的特点，当晴空时其亮温反映大气不同高度的温度，当云雨天气时其亮温能很好地反映大气不同高度的湿度。从图2可以看出，四川芦山地震前3天不论白天夜晚都是持续增温，但19日晚突然异常低温，20日又是高温，针对这一现象，我们结合卫星云图和卫星微波计亮温图加以分析。

FY-3卫星云图(图5)显示，地震前1天的19日白天，震区天气晴好，只有少量低云，地震发生的当天20日上午，也是天气晴好，但19日晚22:38分的卫星云图显示，震区及东北突然生成有大量低中云，导致该区域红外亮温异常降低。

理论上，一定范围内微波亮温越低湿度越大，FY-3卫星微波计亮温图(图6)可以看出，根据，无论是1 000 hPa地表，还是850 hPa大气，震区内19日夜晚，湿度显示异常。从前后3个时次的卫星图分析，应为地气释放出大量水蒸气等气象联合成因导致的云雾及地表辐射降温引起。

通过以上分析验证了“地球放气温室效应”等学说，验证了张元生等的联合成因机理；同时解释了在大地震临震前，反而会短时异常降温的现象。由于研究个例太少，有待进一步积累更多资料深入研究。

图5 地震前后区域FY-3卫星可见光、红外云图

图6 地震前后区域FY-3卫星微波亮温图

3 结论与讨论

(1)FY-3卫星红外、微波资料分析显示：四川芦山MS7.0级地震，震前地表及低空大气异常增温显著，进一步佐证了前人研究的结果。

(2)通过分析本次地震验证了“地球放气温室效应”等学说；验证了张元生等的联合成因机理。

(3)FY-3卫星红外、微波综合监测地震多发区域的地表、大气异常，对地震预测研究有实用性和参考作用，当红外亮温、微波亮温连续出现几天超过10℃以上正距平值时，发生了本次强震。

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FY-3 Satellite Monitoring of the Thermal Abnormality before and after 2013MS7.0 Lushan Earthquake

HUANG Zhi-dong1， ZHONG Ru-xiang2， ZHU Ai-jun3

(1. Guangdong Seismological Bureau, Guangzhou 510070, China;
2. Guangzhou Meteorological Satellite Station, Guangzhou 510640, China;
3. National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081, China)

Based on brightness temperature data recorded by several scientific instruments in the FY-3 meteorological satellite, we study the 2013MS7.0 Lushan earthquake. The results show that there are obvious infra red brightness temperature anomaly and microwave brightness temperature anomaly in the earthquake area, which can partly explain the theory that there was thermal infrared abnormality before large earthquakes. So, the FY-3 satellite can be used for the monitoring of earthquake-prone zone and have practical value and referenced significance to earthquake prediction.

FY-3 meteorological satellite;MS7.0 Lushan earthquake; thermal infrared remote sensing; microwave remote sensing; brightness temperatures changes

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.03.005

2014-06-13

国家地震社会服务工程项目

黄志东(1969-)，男，工程师，主要从事地震应急、信息网络、科普宣传.E-mail：445867103@qq.com.

P314.21

A

1003-1375(2014)03-0019-05