青藏高原东部及周边地区热红外背景场特征

张铁宝， 杨 星， 路 茜， 龙 锋

(四川省地震局， 成都 610041)

青藏高原东部近年来强震频发，2008年以来发生的M≥6.5地震(不包含余震)就多达8次，该区域一直以来都是各种地球物理场监测手段日常震情跟踪和研究的重点地区。传统的地球物理场监测手段，如流体、形变、电磁等，在进行地震异常提取前，都需要充分研究其背景场特征，在此基础上再进一步提取分析异常变化[1-2]。例如，深井水位异常变化的判定，就需要先了解其相对稳定的，日、月、年等时间尺度的背景性的变化形态特征。卫星热红外作为近年来逐步发展起来的监测手段，产出了很多地震红外异常方面的研究成果[3-22]，大量的震例研究也证实了地震前存在红外辐射异常现象，典型地震如汶川地震[8]，震前中期、短期和临震四川地区美国海洋和大气管理局(NOAA)卫星长波辐射出现异常[10]，震前1个月风云静止卫星红外亮温在龙门山断裂带和四川盆地出现异常[6]，震前1个月中分辨率成像光谱仪(MODIS)卫星红外亮温在与地震相关的巴颜喀拉块体出现辐射增强异常[20]。在这个过程中不同的红外异常提取方法逐步发展起来[23]，常用的异常提取方法有：①基于背景场的异常提取算法，如距平[10,21]、历年同期偏移指数法和鲁棒卫星技术(robust satellite technique，RST)算法[11,13-14]等；②基于信号分析的异常提取算法，如小波[6-7]和功率谱[6-7,15,19,22]等；③基于差值的异常提取算法，如震前震后差值法、断裂带内外差值法[3]以及涡度法[10]等。上述方法中很多都涉及背景场，对背景场也开展了研究，但遗憾的是在发表的文献中，内容多数是重点介绍处理方法和结果，关于热红外背景场特征的介绍常简单描述，几笔带过，读者对背景场的具体特征不甚了解。而单独对红外背景场较详细的研究成果也仅见少量公开发表[24-29]。在这些发表的红外背景场研究中，屈春燕等[28]对首都圈地区的亮温变化特征进行研究得出，亮温受季节和气象因素影响，变化具有空间相关性、时间延续性和年变周期性。孟庆岩等[25]研究首都圈和甘青川交界地区热红外背景场表明，背景场时间上受季节变化影响，空间上受地形影响。对卫星红外辐射而言，充分认识和了解其背景场特征是地震异常研究和应用的前提和基础，具有非常重要的作用。

卫星监测具有覆盖面广、不受地面条件限制以及空间分布均匀等传统地震前兆监测手段不具有的优势。青藏高原东部发生强震的背景风险高，是需要重点跟踪研究的地区。基于此，拟从季节、纬度和地形等方面分析青藏高原东部及其周边地区卫星热红外背景场特征，并基于这些特征讨论应用中需要注意的一些问题。这一研究有助于深入理解青藏高原东部的卫星热红外背景场，有助于在异常判定过程中识别出该地区一些背景性变化引起的非震异常，提高地震异常识别的可靠性，有助于有针对性地设计异常提取方法，对该地区卫星红外地震监测、应用具有一定的参考价值。

1 研究区与数据

青藏高原东部近年来强震频发，7级以上地震就有汶川M8.0、芦山M7.0、玉树M7.1和九寨沟M7.0等大震，是地震红外辐射异常研究的理想地区，因此，红外辐射背景场研究区域选定在如图1所示的青藏高原东部及其周边地区，研究区范围为20°～40°N，90°～110°E，经纬度跨度范围大。研究区内地形多样[图1(b)]，西部为地形复杂高海拔的青藏高原，青藏高原北部有柴达木盆地，青藏高原以东为地形相对简单低海拔的四川盆地。复杂多样的地形，大跨度的范围，为研究地形、纬度对红外辐射的影响提供了优越的自然地理条件。

图1 研究区域与高程图

选用美国Terra卫星的中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)21通道(3.929～3.989 μm)红外亮温数据。Terra卫星是美国地球观测系统(Earth Observation System，EOS)计划中的第一颗卫星，为极轨卫星，主要目的是观测地球表面，于1999年12月18日发射升空，至今已运行21年多，MODIS为卫星搭载的一种载荷，每日对同一地区白天夜晚各扫描一次，积累了大量覆盖全球的连续观测数据。亮温数据是MODIS对地扫描得到的数据，通过定标定位、几何校正处理，再由普朗克定律计算得到。研究区域的亮温数据经过投影、裁剪、拼接等预处理。背景场研究数据时段为2000—2020年(21 a)，使用数据景数超过11 500景。由于红外波段无法穿透云层，有云时候卫星探测的为云顶信息，因此，采用多日合成的方法来得到高晴空率数据，合成后的数据采用多通道阈值法进行去云处理。处理完成的最终数据时间分辨率为4 d，空间分辨率1 km。

2 背景场构建方法

异常场是相对于正常背景场而言的，背景场的构建，是进一步提取地震红外异常的基础，背景场构建的合理性决定了后续地震异常提取的准确性和可靠性。

目前，红外背景场构建常采用均值法，即基于多年的数据计算同期均值提取不同时间尺度的背景场。陈顺云等[24]基于1981年7月至2001年9月共20 a的NOAA卫星红外资料，利用分离窗方法和小波方法得到地表亮温(LSBT)长时间序列的年周期信号，最后对年周期信号求旬均值得到稳定的年变值。温少妍等[29]利用1999年、2003—2008年共7 a的NOAA卫星热红外影像，采用均值法构建了首都圈红外亮温背景场，分析了各种因素对背景场的影响。孟庆岩等[25]基于2010年1月12日—2013年12月30日近4 a的FY-2E静止气象卫星的亮温数据，利用均值法构建了首都圈和甘青川交界地区年、季度和月尺度的红外亮温背景场，并对其时空演化特征进行了分析。对于均值法，需要注意的是，所用数据时间过短，样本量少会导致计算的背景场离散度高，偏离真实的背景场越远，数据时长越长，得到的背景场离散度越小，越趋于稳定，越接近真实的背景场。因此，在可能的情况下，计算背景场的数据时长要尽可能长。

所用卫星遥感红外数据时长为21 a(2000—2020年)，为Terra卫星发射以来的时长，数据时间跨度较长，针对连续多年的数据采用上述均值法[24-25,29]来构建背景场。均值法的计算公式为

(1)

对MODIS红外亮温数据，利用均值法构建获得的青藏高原东部及其周边地区的红外辐射亮温月背景场如图2所示。

图2 青藏高原东部及其周边地区红外辐射月背景场

3 红外背景场特征分析

3.1 背景场与季节关系分析

同一地物的亮温与其温度存在密切联系，一个地区的温度常随着季节的改变而变化，本节将从季节的角度对红外背景场开展分析。如图2所示，在一年中，不同月份的红外辐射值存在明显的高低不同，11、12、1、2月研究区红外辐射值相对较低，5—8月辐射值相对较高，其余月份辐射值介于两者之间。1—7月，红外辐射值大致为逐渐上升的过程，8—12月大致为逐渐下降的过程，红外辐射背景场具有明显的年变化特征，与季节的变化特征大体相符。

研究区内存在两种典型地形，一种是高海拔的青藏高原，一种是盆地等低海拔地区。高海拔的青藏高原地区，红外辐射最高值出现的时间点在5月份(图2中5月蓝框)，而低海拔的四川盆地，红外辐射高值时间点出现在8月份(图2中8月蓝框)，红外辐射高值出现的时间点，两个地区明显不一样。针对上述情况，选取高原地区和低海拔地区各两个点，结合当地气温背景场，进一步分析亮温背景场的年变化特点以及与气温的关系。选取的高原地区两个点为四川甘孜(海拔3 394 m)和西藏那曲(海拔4 508 m)，海拔较低的两个点为四川温江(海拔548 m)和甘肃榆中(海拔1 874 m)，其中温江位于四川盆地内。图3为基于21 a数据计算得到的，四个点的红外辐射亮温和气温年变化背景场时序曲线。四川温江[图3(a)]和甘肃榆中[图3(b)]的红外亮温与气温都存在明显的年变化，亮温和气温的同步性好，红外辐射高值点和低值点出现的时间与气温一致，红外辐射在高值阶段持续时间较长，大约3个月(5月初到8月初)。四川甘孜[图3(c)]和西藏那曲[图3(d)]的红外辐射同样存在明显的高低年变化特征，但与气温的年变化趋势不完全一致，气温的高值点出现在7月底8月初，而辐射的高值点出现在4月底5月初，红外辐射高值点出现的时间较气温提前了约3个月，且甘孜和那曲的红外辐射在高值阶段持续的时间比温江和榆中两个点短。

图3 红外亮温与气温时间序列背景场曲线

通过红外辐射背景场图像和典型抽样点位的数据对比分析可知，红外辐射背景场具有明显的稳定年变化特征，但不同地区的红外辐射变化趋势具有自身的特点，不完全相同。另外，一些地区的红外辐射变化趋势与气温的变化趋势也不完全一致。

3.2 背景场与纬度关系分析

由于一年中太阳光入射角度的变化，地球上不同纬度地区在同一时间受太阳影响后的地表温度不一样，同一地区在不同时间的地表温度也不一样，地表温度是地表红外辐射的一个重要影响因素，本节将从纬度的角度分析红外辐射背景场特征。

选取如图1(b)所示的沿经度100°E和105°E的两个剖面B-B′和C-C′作为研究对象。B-B′剖面穿过了高海拔的青藏高原，穿过了青藏高原以南和以北的低海拔地区，同时还穿过了青藏高原内部水体类型的代表青海湖。C-C′剖面穿过了四川盆地以及盆地南北两端相对高海拔的区域。所选两个剖面既有高海拔的青藏高原，也有低海拔的盆地地区，具有典型代表性。

在B-B′剖面中[图4(a)]，同一地区一年中红外辐射具有明显的季节性年变化特征，剖面1—12月的辐射曲线有规律地高低展布，但不同地区之间的辐射年变化幅度存在差异，从南到北，年变化幅度逐渐增大，图像形态从左往右开口越来越大，成喇叭状；在青海湖位置辐射值显著低于周边地区，图像形态为非常明显的凹形形态，这说明地物类型对红外辐射有很大的影响。C-C′剖面[图4(b)]与B-B′剖面[图4(a)]类似，从南到北，季节性的年变化幅度逐渐增大，尤其是在32°N附近出了四川盆地后往北，年变化幅度加速增大。

图4 红外亮温背景场经度(100°E和105°E)剖面图

两个剖面的特征表明，红外背景场具有明显的纬度特征，越往北，红外辐射的年变化幅度越大。纬度的影响在研究区红外背景场图像(图2)中表现为，在一年中的辐射高值时段6—8月，高纬度地区的辐射值更高，在一年中的辐射低值时段12—次年1月，高纬度地区的辐射值更低。北边辐射年变幅度比南边大，这反映出在年变化过程中，北边红外辐射值上升和下降的速率比南边都要大，在应用过程中需要注意，相同幅度的变化在不同纬度地区代表的意义会有区别。

3.3 背景场与地形关系分析

研究区内地形复杂，既有高低起伏剧烈的青藏高原，也有起伏平缓的盆地，本节将从地形角度分析背景场的特征及其与地形之间的关系。红外背景场与纬度存在关系，为了减少纬度的影响，在分析背景场与地形之间的关系时选取同纬度(30°N)的A-A′剖面(图1)进行研究。

如图1所示，A-A′剖面横跨青藏高原和四川盆地，以经度102.5°E附近为分界线(图5红虚线)，西边为青藏高原，东边为四川盆地。在青藏高原内部[图5(b)]，从90°E附近到95°E附近(B-C段)海拔逐渐升高，在位置C(95°E，30°N)附近耸立着两座超过7 000 m的著名山峰南迦巴瓦峰(95.0°E，29.6°N，海拔7 782 m)和加拉白垒峰(95.0°E，29.8°N，海拔7 294 m)，从95°E附近往东至102.5°E附近(C-D段)，海拔高度逐渐降低。从102.5°E附近往东1度多的范围内(D-E段)，海拔高度发生剧烈变化，从海拔4 000 m以上的高原地区快速下降近3 000 m过渡到四川盆地，在四川盆地内部(E-F段)，地形起伏变小，四川盆地边缘往东(F-G段)，海拔高度再次上升，然后缓慢下降(G-H段)(表1)。剖面线上相应的红外辐射变化[图5(a)]，B-C段趋势下降，C-D段趋势上升，D-E段趋势上升，E-F段变化平稳，F-G段趋势下降，G-H段趋势上升(表1)。

图5 红外亮温背景场与高程的纬度(30°N)剖面图

对比表1中A-A′剖面上高程和红外辐射的变化可看出，红外辐射受高程影响，红外辐射与高程之

表1 A-A′剖面高程与红外辐射变化统计表

间为负相关关系。另外，剖面上红外辐射[图5(a)]整体呈现出两种截然不同的特点，西边高原部分波动剧烈，幅度大，东边盆地部分波动平缓，幅度小，这说明高原地形的大幅度剧烈变化对红外辐射影响很大。从表1中分段的高程和红外趋势变化规律可推测，图5(a)中高原地区辐射值大幅度波动变化的地方很可能就是高程变化非常剧烈的地方。

4 结论与讨论

以青藏高原东部为研究对象，从不同方面分析了卫星红外辐射背景场特征，得出以下几点结论和认识。

(1)红外背景场受季节影响，具有年变化季节特征，但不同地区的年变化趋势不完全一样。有些地区红外和气温的变化趋势大体一致，有些地区不完全一致，在高原地区两者的不一致性体现得更明显。

(2)红外背景场受纬度影响，具有纬度特征。低纬度地区的辐射年变幅度小，高纬度地区的年变幅度大，从南往北，辐射年变化幅度逐渐增大。

(3)红外背景场受地形影响，具有地形特征。红外辐射值与海拔高度总体成负相关关系，海拔升高，红外辐射值降低，海拔降低，红外辐射值上升。在地形变化剧烈的青藏高原地区红外辐射变化非常剧烈，在地形变化平缓的盆地地区红外辐射变化平缓。

季节、纬度、地形以及地物类型对红外辐射均有影响，图2的红外辐射月背景场是同时受到这几个因素综合影响的结果，并且在不同的地区，这几个因素对红外辐射背景场的影响程度也有差异，比如盆地地区，地形起伏对辐射场影响小，纬度和季节影响大。多种因素对红外辐射场的综合影响导致的最终结果就是，不同地区的辐射背景场绝对值差异非常大，只利用实际监测的辐射值很难提取出有意义的异常变化。在红外辐射地震异常提取前，可对实际红外辐射观测值做距平处理将辐射背景场予以扣除，以此来降低上述几个因素对辐射值的背景性影响。需要特别注意的是，由于高纬度地区的红外辐射年变幅度比低纬度地区大得多(图4)，做距平处理后的红外辐射残差值，受纬度的影响仍很严重，高纬度地区的残差绝对值总体会偏大，低纬度地区的残差绝对值总体会偏小。对于纬度跨度较大的辐射距平空间图像，高纬度地区往往表现出，在辐射上升时段经常出现高值异常，在下降时段经常出现低值异常，如果没认识到这是纬度的影响，会导致识别出很多不真实的异常变化。针对纬度对辐射距平值的影响，可进一步对距平值做归一化处理计算距平百分率得到相对变化幅度来加以消除。