急流异常可能是M>6.0地震的短期前兆*

Hong-Chun Wu , Ivan N Tikhonov

1) Institute of Occupational Safety and Health, Safety Department,Shijr City, Taipei, China 2) Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS,Yuzhno-Sakhalinsk, Russia



急流异常可能是M>6.0地震的短期前兆*

Hong-Chun Wu1), Ivan N Tikhonov2)

1) Institute of Occupational Safety and Health, Safety Department,Shijr City, Taipei, China 2) Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS,Yuzhno-Sakhalinsk, Russia

摘要热图像的卫星数据揭示了与地壳断层大线性结构和系统相关的热场的存在。 所测量的长波辐射高度正好落在急流区间内。 本工作描述了两个区域范围内强震和急流之间可能存在的联系。 在2006～2010年强震(M>6.0)震中附近， 气流的前端或尾端位置能在震中附近保持6个小时甚至更久。 在一张6小时气象图上有93.6%的几率可以观测到稳定的急流， 而在两张邻接的气象图上看到这种变化的几率是26.7% 。 震中和急流位置分布的中位数为36.5 km。 能实现预测的累积概率估算值如下： 10天为24.2%， 20天为48.4%， 30天为66.1%， 40天为87.1%， 50天为93.5%， 70天为100%。 观测到的前兆效应可能会引起地震实际短临预报应用者的极大兴趣。

关键词地震； 震中； 急流； 前兆异常

引言

近年来， 大量的研究都集中在确定强震孕震期内岩石圈、 大气层和电离层的耦合关系上。 对不同参数局部异常的分析(如， 地电场、 地下气体、 热通量、 不同频带的电磁辐射、 云结构和电离层的电子浓度等)集中在寻找地震前兆。 许多有远见的研究方向已初露端倪。 让我们来看一些例子， Ondoh[1]描述了至少在强震前地下水氡浓度的急剧增加。

热图像的卫星数据揭示了与地壳断层大线性结构和系统相关的热场的存在[2]。 在2003年墨西哥科利马(Colima)M7.6地震前， 观测到了潜热流的异常变化[3]。 在大气层的顶部(10～12 km)观测到大气的电离效应。 在2004年12月26日MW9.0印尼地震前， 在300 GPa高度记录到长波辐射的异常变化[4]。 这些异常热变化发生在地震前的4～20天[5-8]。

地震之前， 震中上空的电离层会有局部异常变化[9-11]。 统计分析表明， 在地震发生之前的1～5天会出现这些变化[12]。 有些学者结合上述孕震时期的异常现象， 尝试着建立能联合岩石圈-大气层-电离层的模型[13-14]。 这些模型研究了一连串从岩石圈、 大气、 大气电场、 电离层和磁层观察到的可能作为地震短期前兆的异常现象。 急流就是其中的一个可能前兆。

急流是一种在对流层上部或平流层下部沿几乎呈水平的轴向进行快速流动的狭窄的空气流， 其特点是有高的垂直和水平风速梯度， 且有一个或多个最大风速[15-16]。 急流在轴线上风速最大。 急流的线性尺度(长度、 宽度和厚度)是由30 m/s的风速等值线来决定的。 一般来说， 急流的长度为数千千米， 宽度为数百千米， 厚度可以是4～5 km。 急流可分为北极急流(至65°N)、 极地急流、 亚热带急流和赤道急流等几种类型。 极地急流位于中纬度区域(大约在30°N～60°N之间)， 亚热带急流分布在两个半球23.5°N和33.0°N之间的中纬度范围内[17]。 吹过西非上空的急流就是赤道急流的一种。 在夏季， 它位于10°N～20°N之间。

大气中的每一种现象都对应于特定的高度。 本研究描述的是极地急流， 它在海平面上方9～12 km的高度流动。 此外， 较弱的亚热带急流位于海平面上方11～16 km。 急流中心部分称为核心， 那里风速最大， 其横截面水平达50～100 km， 垂直达1～2 km。 急流轴上的风速通常为45～55 m/s， 最大风速可达200 m/s[16]。

急流对气象和航空非常重要。 气象学家利用急流位置进行天气预报。 急流前锋可能引起气象前锋和风暴的形成。 急流的商业用途是在航空运输方面： 当飞机顺着急流方向行驶时， 可以节省时间和燃料。

早些时候注意到[18-20]， 在地震前的一定时间段内， 在地震活跃区域上方， 急流的前方或尾部两端会有风速几乎固定的等高线出现。 本研究的目的是确定异常急流出现的位置和时间， 并将这些因素与强震发生时间和震中数据参数进行比较。

为了实现上述目的， 我们采用加州地区天气服务中心提供的急流图[17]和美国地质调查局/国家地震信息中心(U.S. Geological Survey/National Earthquake Information Center， USGS/NEIC)[21]在中国和太平洋地震带西北部两个地区的速报地震目录来作研究。

第一部分样本取30°N～ 40°N， 80°E～ 105°E范围内M>6.0地震(表1)。 第二部分样本取千岛群岛(Kurile Islands)、 堪察加半岛(Kamchatka)和阿留申群岛(Aleutian Islands)区域内M>6.0地震(表2)。 这样就能研究30°N以内陆地和海洋地震活动区内与不同类型地震(板间和板内)相关的急流特性。 我们比较了2006年5月22日～2010年12月23日期间的两种类型地震资料与急流图数据。

我们考虑一下我们用于分析急流的气象图的若干参数。 它们以GFS全球预测模型为基础， 显示风速的等值线和矢量数据[17]。 在旧金山大学(San Francisco University)地球科学系的气象项目框架下， 国家环境预测中心(National Center for Environmental Prediction)每日做4次预报(每6小时一次)。 这些气象图显示的是在地面气压为300 GPa时， 对流层上层的急流参数。 如前所述， 这些图是风速的等值线， 最低风速为30 m/s。

表12006年5月22日～2010年12月23日期间， 美国国家地震信息中心初步认定的震中位于中国的M>6.0强震

序号发震时间(世界时)年-月-日时:分:秒纬度/°N经度/°E深度/km震级12007-05-0508:51:3934.2581.9796.122008-01-0908:26:4532.2985.17106.432008-03-2022:32:5835.4981.47107.242008-05-1206:28:0231.00103.32197.952008-05-1211:11:0231.21103.62106.162008-08-2513:21:5930.9083.52126.772008-11-1001:22:0337.5695.83196.382009-08-2801:52:0737.7095.72136.392010-04-1323:49:3833.1796.55176.9102010-04-1401:25:1633.1996.4576.1

表22006年5月22日～2010年12月23日期间， 美国国家地震信息中心初步认定的震中位于千岛群岛、 勘察加半岛和阿留申群岛的M>6.0强震

序号发震时间(世界时)年-月-日时:分:秒纬度/°N经度/°E深度/km震级12006-05-2211:12:0160.77165.74°196.622006-05-2213:08:0354.27158.45°1976.232006-06-1404:18:4351.75177.08°146.542006-06-2702:39:3352.23176.16°176.252006-07-0820:40:0151.21-179.31°226.662006-08-2421:50:3751.15157.52°436.572006-09-3017:50:2346.35153.17°116.682006-10-0109:06:0246.47153.24°196.592006-11-1511:14:1446.59153.27°108.3102006-11-1511:29:2346.37154.48°106.2112006-11-1511:34:5846.65155.30°106.4122006-11-1511:40:5546.48154.73°106.7132006-12-0719:10:2246.15154.39°166.4142007-01-1304:23:2146.24154.52°108.1152007-04-2912:41:5752.01-179.97°1176.2162007-05-3020:22:1352.14157.29°1166.4172007-07-1513:08:0252.49-168.04°156.1182007-08-0202:37:4247.12141.80°56.2192007-08-0203:21:4351.31-179.97°216.7202007-08-1520:22:1150.32-177.55°96.5212007-09-0316:14:5445.84150.06°946.2222007-10-2513:50:0446.01154.23°206.1232007-12-1909:30:2851.36-179.51°347.2242007-12-2107:24:3451.37-178.98°256.3252007-12-2622:04:5552.56-168.22°256.4262008-03-0309:31:0246.41153.18°106.5272008-03-2221:24:1152.18-178.72°1326.2282008-04-1522:59:5251.86-179.36°116.4292008-04-1605:54:2051.88-179.16°136.6302008-05-0201:33:3751.86-177.53°146.6312008-05-2013:53:3651.16178.76°276.3322008-07-0502:12:0453.88152.89°6327.7332008-07-2401:43:1650.97157.58°276.2342008-11-0213:48:4351.55-174.37°366.1352008-11-2409:02:5954.20154.32°4927.3362009-01-1517:49:3946.86155.15°367.4372009-04-0704:23:3346.05151.55°316.9382009-04-1819:17:5946.01151.43°356.6392009-04-2105:26:1250.83155.01°1526.2402009-07-0614:53:1250.44176.99°226.1412009-10-1305:37:2452.75-167.00°246.5422009-10-1320:21:5352.60-167.12°146.4432009-12-1002:30:5353.42152.76°6566.3442010-04-3023:11:4360.47-177.88°126.5452010-04-3023:16:2960.48-177.65°146.3462010-06-1802:23:0644.45148.69°286.2472010-07-1805:56:4552.88-169.85°146.7482010-07-3003:56:1452.50159.84°236.3492010-08-0412:58:2451.42-178.65°276.4502010-09-0311:16:0751.45-175.87°236.5512010-10-0803:26:1451.37-175.36°196.4522010-12-2314:00:3253.13171.16°186.3

(a) 2006年10月20日12时0分的急流图； (b) 2006年10月20日18时0分的急流图;(c) 2006年10月21日0时0分的急流图

急流不是连续的气流。 急流会不断地改变其形状使其前端或尾端的移动速度达到100 km/h。 图1所示的是一个从2006年10月20日中午到2006年10月21日午夜的例子， 急流的形状由小变大。 急流的前端在12小时内通过了大约1200 km， 其速度约为100 km/h。 如果急流的前端或尾端的速度低于10 km/h， 我们可以认为， 这样的运动为异常现象。

以前的研究表明[18-20]，M>6.0地震前70天内有急流存在。 在气压为300 GPa水平时， 分析气象图包括： 搜索急流匀速运动时扰动出现的区域(片)， 或在6小时内急流的前端或尾端停止、 随后出现尖角的区域。 我们必须研究位于构造断层之上的这些区域， 因为它们的垂直投影可能就是孕育强震的地方。

图2显示了两种类型的急流异常前兆。 在第一类异常里(图2a)， 急流前端保持在相同的地点达6小时甚至更久(图2b)。 此点可能就是未来地震的震中。 另一类异常如图2c和2e所示。图2c显示了高速急流的初始状态。 一段时间之后， 急流区的初始形状发生了变化， 风速等值线在一点交汇(图2d)， 然后急流分为两个部分(图2e)， 最后消失的地方就是未来地震震中的上空。 这些等值线交点的投影也就是未来地震的震中。

(a)和(b)为第一类前兆， 急流前端保持在相同位

图2两种急流异常类型图解。 圆圈表示未来可能发生强震的地方

在本工作研究期间， 在第一个区域共有10次M>6.0地震发生(表1)， 在第二个区域有52次M>6.0地震发生(表2)。 第一个区域里有1次地震、 第二个区域里有3次地震， 在地震发生前70天内， 没有急流出现。 因此， 我们就取第一区域剩余的9次地震和第二区域剩余的49次地震进行急流比较。 我们检查了总共58组急流异常。 我们感兴趣的是那些显示在气象图上的急流风速等值线， 在一定的时间内它们的前端或末端在未来发震地区上空几乎静止不动。

我们以2007年5月5日发生在中国(喀喇昆仑山口之西藏西北角-译者注)的M6.1地震为例(表1)， 其震中位置为(34.25° N， 81.97°E)， 震源深度为9 km。 急流以30 m/s的速度移动， 其前端在2007年4月3日中午首次形成(图3a)， 直到下午6点都固定不动(图3b)， 它在地表的投影是(34.5° N, 81.5° E), 距离震中51 km， 地震就发生在此31.6天之后， 急流在此同一地点几乎保持了6个小时(表3)。

表3显示了中国地区强震发生前， 急流异常在时间和空间上的相关性特征。 表4显示了第二取样区(太平洋西北部地震带)的类似数据。 不考虑样本多少， 由陆地和海洋地震活动区分别得到的样本参数R值(震中与急流投射坐标点的距离)无明显差别。 参数T(地震前异常发生的时间)也同样无明显异常。 考虑到上述所有情况， 把表3和表4合成为一个样本， 对参数R做进一步地估计。 对参数T也用同样的方法。

(a) 2007年4月3日12时0分观察到的急流位置和形状； (b) 6小时后(2007年4月3日18时0分)观察到的急流位置和形状； 星号是2007年5月5日地震的震中

发震时间(世界时)年-月-日时:分:秒异常急流时间纬度/°N经度/°ER/km﹡T/d2007-05-0508:51:392007-04-03,12,1834.581.551.331.62008-01-0908:26:452008-01-04,0632.085.036.15.12008-01-08,182008-03-2022:32:582008-03-10,00,0635.081.554.610.72008-05-1206:28:022008-04-29,00,1231.5103.063.412.82008-05-1211:11:0267.113.02008-08-2513:21:59----2008-11-1001:22:032008-10-15,0637.595.529.925.82009-08-2801:52:072009-07-22,1838.595.0108.936.32009-07-23,002010-04-1323:49:382010-03-11,1833.096.519.533.22010-04-1401:25:1621.733.3

﹡该列是急流异常投射到地表的坐标；R是以公里为单位的震中到急流异常投射到地表坐标间的距离；T是以天为单位的前兆异常与强地震发生的间隔时间

表4　千岛群岛、 堪察加半岛和阿留申群岛地震、 急流异常数据以及它们的时空关系

续表4

﹡该列是急流异常投射到地表的坐标；R是以公里为单位的震中到急流异常投射到地表坐标间的距离；T是以天为单位的前兆异常与强地震发生的间隔时间

图4根据两组取样数据得到的参数R的分布(震中与急流投射坐标点的距离)

图4是根据联合采样数据计算的参数R的分布。 此分布的中位数对应于R=36.5 km。 在76.7%的研究对象中， 参数R并没有超过90 km。 60例中只有4例， 地震震中距急流在地球表面的投影超过了200 km。 这样的结果对于M>6.0地震的预测应该算是相当鼓舞人的。 在过去几十年被实践验证的最成功的中期预测算法是M8和MSc[22-24]。 因此， 即使回顾1995年日本神户M7.2地震， 由MSc算法验证的预警空间区域面积相当于175 km×175 km。

表3和表4的数据回答了这样的问题： 在一次M>6.0地震前， 在一个和两个相邻的气象图上， 在所研究的区域里有多大的几率可以观察到(急流的稳态行为)前兆。 使用一张图看到的几率为93.6%， 使用两张邻接图在6小时内看到的几率为26.7%。

图5显示了一定天数里实现预测累积概率的估计值： 5天为6.4%， 10天为24.2%， 20天为48.4%， 30天为66.1%， 40天为87.1%， 50天为93.5%， 70天为100%。 此图显示出前兆出现时间和地震发生之间的明确联系。 它不同于电离层前兆持续1～5 天[12]或热前兆持续4～20天[5-6]。 我们估计， 这种以急流形式出现的前兆时间可能提前0～67天， 它与其他上述的前兆出现的时间不同的原因目前还不清楚。

图5　70天内预测累积概率的估算值

因此， 急流和地震之间在空间和时间上存在的密切关联(按地震学标准)， 揭示了把此项前兆用于强震短临预测有一定的前景。 根据物理学原理， 可以假定急流是气流头尾端压力差的结果。 看起来有趣的是， 有时震中位置恰好对应于急流的尾部， 意味着震中上空可能是正负气压极值区。 如前所述， 许多研究者把岩石圈-大气层-电离层耦合模型作为对此现象的可能解释。 本文作者对于这些模型的可信度究竟有多大尚无法判断， 此并非本文研究的课题。

我们研究了中国和太平洋西北地震带两个区域内强震和急流两个自然现象之间的可能联系。 研究样本时长为4.6年(2006年5月22日～2010年12月23日)。 我们发现， 在强震前几天至两个月内， 急流的前端或尾端能够在震中上空附近保持相同的位置长达6小时或更久。 这种前兆异常在陆地以及构造板块的俯冲区域都能观察到。 一张6小时气象图观测到急流稳态行为的几率为93.6%， 两张邻接气象图观测到的几率为26.7%。 我们还发现了， 强震震中与稳态急流在地表投影坐标之间的关系。 震中与相关急流位置间距离分布的中位值为36.5 km。 预测累积概率的估算值是： 10天为24.2%， 20天为48.4%， 30天为66.1%， 40天为87.1%， 50天为93.5%， 70天为100%。 这些估计值检验了本文提及的地震与急流自然现象之间时空异常的存在性。

虽然本文提及的前兆现象的机理还不清楚， 但在我们看来， 此前兆效应必须加以细致研究， 并建议将此用于今后实际强震的短期预测工作中。

文献来源： Hong-Chun Wu, Ivan N Tikhonov. Jet streams anomalies as possible short-term precursors of earthquakes withM>6.0. Research in Geophysics， 2014， 4： 4939： 12-18

(北京工业大学郑吉盎、 章菲译)

(译者电子信箱， 章菲：7353282@emails.bjut.edu.cn)

参 考 文 献

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* 收稿日期：2016-04-11； 采用日期： 2016-05-23。

中图分类号：P315.72；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.07.007