前驱波还是气压波？——与“汶川MS8.0地震前山西前兆低频前驱波特征分析”作者商榷*

杨小林 杨锦玲 危自根)

1)陕西地震台，西安 710068

2)福建地震台，福州 350003

3)中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，武汉 430071

4)中国地质科学院地质研究所，自然资源部深地动力学重点实验室，北京 100037

引言

前驱波通常是指叠加在背景噪声或正常潮汐变化上，并以毛刺、突跳或瞬时波动等为主的震前异常信号，该现象一般出现在地震前数小时至数天。由于此“震相”具有一定的地震前兆意义[1-3]，因而国内外地震学者对此类现象尤为关注[4-8]。Kanamori和Cipar[4]在美国加州帕萨迪纳台（Pasadena，距震中约10000 km）的贝尼奥夫应变仪记录上，首次发现1960年智利MS8.3地震前15 min出现了前驱波（周期为300—600 s）；之后，又有许多学者借助地震仪、倾斜仪、GPS和井水位等观测手段，捕捉到类似的震前形变异常[1-2,8-10]。随着观测证据的不断积累，人们对前驱波生成机理（如，孕震断层的失稳、蠕滑和粘滑等）的认识也日益深化。但在全球变暖的大背景下，频发的极端天气如卷轴云（morning glory）[11-12]、尘卷风（dust devil）[13]和飑线（squall line）[14]等，所引起的气压突变也同样会造成局部或区域性（近）地表出现疑似前驱波的非构造形变，这就使得前驱波的物理溯源面临巨大挑战。

2008年5月12日，在龙门山断裂带发生的汶川MS8.0强震，给灾区人民造成了巨大的生命和财产损失。汶川地震以后，国内诸多学者也对震前可能存在的前兆信号进行了较为系统的诊断[15-17]。其中，文献[15]指出，在5月11日0—22时，山西地区的5个前兆测项记录的短时波动（优势周期为64—128 min）均为汶川地震的前驱波（图1）。其判据主要有以下两点：①在时间上，这些“前驱波”与汶川地震高度相关；②在变化形态上，也能与前驱波相匹配。但该研究却忽略了一个至关重要的干扰因子，即气压效应，因而，在没有充分消除气压干扰的前提下，便将这些短时波动变化推定为前驱波，是值得进一步商榷的。

鉴于前驱波具有重要的前兆研究价值，本文结合气压记录对文献[15]所用的观测数据进行了回溯诊断。在此基础上，我们又较系统地论证了文献[15]所检测出的震前异常并非前驱波而只是气压波。相关结果，不仅有助于前驱波的合理辨识，同时还能为汶川地震前兆异常的去伪存真等提供参考。

1 质疑和推测

根据已有的观测经验和研究结果来看，雷暴和飑线等强对流天气所造成的短时气压波动（数分钟—数小时），也会导致洞体应变和井水位等出现类似于文献[15]所指出的“前驱波”变化[14,18-20]。但由于侯马台、静乐和朔州井当时没有辅助的地面气象观测要素，所以我们只能对太原和代县台进行重点剖析。从图2可以明显看出，在“前驱波”出现的时段（蓝色虚线方框），气压也同步波动，且二者形态颇为相似。综合以上两点特征，我们有理由推测“前驱波”很可能是源自短时气压波动。

图2 洞体应变NS分量与短时气压波动的对比曲线 （分钟值）。（a） 太原台；（b） 代县台Fig. 2 Comparisons of the NS component of strain （black lines） with the short-period oscillation of barometric pressure （red lines） data with one-minute sampling rate recorded at Taiyuan （a） and Daixian （b）stations，respectively

然而，文献[15]却恰巧忽视了气压因子的干扰，经验性地将这些异常波动视为汶川地震的前驱波，可见，该研究的判据和结论并不坚实。在下文中，我们将对其成因进行详细论证。

2 “前驱波”与气压波的因果关系论证

为进一步证实太原和代县台所记录的“前驱波”为气压波引致，本文采用文献[15]所使用的小波变换方法，来对气压和洞体应变NS分量进行多尺度分解。该步骤的主要目的，是为了探讨二者在时、频域的相关性。

由于文献[15]并未阐明所用的小波基及阶数，但考虑到气压和洞体应变信号短时波动的非平稳性，本研究选用了6阶Daubechies小波基（db6）以提取更为真实的突变信号[21]。至于分解的层数，则按照文献[15]的处理方式进行6层分解。图3展示了小波分解的结果，再结合“前驱波”出现的时段（表1）[15]，可以明显地看出当周期≥16 min时，洞体应变NS分量确实在汶川地震前出现了显著的短时波动变化。但一个有趣的现象是，在相同的频段（周期≥16 min），太原和代县台的气压波动幅度和形态均与洞体应变大致吻合；其中，太原台所记录的“前驱波”与同时段气压波的相关系数最高高达0.89。但需要指出的是，在第3层二者几乎不相关（相关系数仅为0.05），这主要是由于高频段（周期：8—16 min）下的仪器噪声和背景噪声等导致信噪比偏低所致。而相比于太原台的第4—6层，代县台的相关系数就明显减小（介于0.30—0.49）。究其原因，主要是气压波和“前驱波”之间存在着相位差（图3b）。其物理机制可能主要是由于代县台位于山区（图1a），因此，在地形效应或水平气压梯度力的复杂影响下[18]，洞体应变难以即时响应相对高频的气压波（周期：16—128 min）。

表1 小波分解所提取的“前驱波”信号特征[15]及其与气压波的相关系数Table 1 The characteristics of “precursory waves” extracted by wavelet transform[15]，and its correlation coefficients with atmospheric waves

图1 汶川MS8.0地震前山西地区观测到“前驱波”的台站分布 （a） 及具体测项 （分钟值）；（b） 侯马台；（c） 太原台；（d） 代县台；（e） 静乐井；（f） 朔州井Fig. 1（a） Spatial distributions of the five stations （black triangles） in Shanxi Province in which the “precursory waves”（marked with red dashed rectangles） observed; Minute value curves of NS component of strain at Houma （b），Taiyuan（c），Daixian （d） starions; Minute value curves of water level in Jingle （e），and Shuozhou （f）wells. The 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake is marked with dashed red vertical line

图3 洞体应变NS分量和气压的小波分析结果，绿色垂直虚线界定了“前驱波”出现的时段[15]Fig. 3 Decomposition of the signals of the NS component of strain （black lines） and barometric pressure （red lines） for Taiyuan（a） and Daixian （b） stations into six levels （d1 to d6） using wavelet transform. The starting time and ending time of the precursory waves are marked with dashed green vertical lines[15]

基于以上相关性和动力机制初探的结果，我们大致可以将太原和代县台所记录的“前驱波”确诊为短时气压扰动。

3 气压波干扰实例举证

在日常观测中，太原和代县台洞体应变NS分量对短时气压波动的响应也极为明显。图4分别给出了这两个台所记录到的一些典型的气压干扰（注：原始气压去掉线性趋势后的波动变化）个例。从中不难看出，气压波动所引起的洞体应变变化形态与文献[15]所列举的“前驱波”形态较为类似。因此，这些观测实证也进一步证明汶川地震前山西地区所记录到的“前驱波”并非该地震所致。

图4 太原 （a，b） 和代县台 （c，d） 洞体应变NS分量对短时气压波动的响应实例 （蓝色虚线框所标）Fig. 4 Evidence of atmospheric pressure-induced strain changes （marked by the dashed blue rectangle） for Taiyuan （a，b） and Daixian （c，d） stations ，respectively

4 结论

针对太原和代县台所出现的“前驱波”短临异常[15]，本文对其进行了较为系统的回溯和归因分析。结果表明，当周期为16—128 min时，短时气压波动与“前驱波”具有较高的相关性。因此，无论是依据观测实践还是小波分析的结果，都可以将文献[15]所认为的“前驱波”推定为气压波。其中，需要说明的是，代县台的洞体应变超前响应短周期气压波约10 min，这可能是由于代县台所在区域的地形多变，气压场较复杂所致[18,22]。

需要指出的是，本文也只是借助了信号处理的方法，半定量地诊断了山西地区“前驱波”与气压干扰的相关性，相关认识尚存不足。今后，还需要借助更多的观测个例和地—气耦合等动力学模型，来揭示高频气压波动所产生的局部或区域地壳形变的时空演化特征。

尽管前驱波对预测预报业务具有重要的先兆价值，但目前更为重要的是要客观诊断地震前短临异常变化的动力学机制，只有如此，方能对前兆信号的合理甄别和科学提取等有所助益。此外，也希望本文能对相关的前驱波研究工作提供些许参考。

致谢

审稿专家提出了诸多宝贵建议，对稿件质量的提升帮助很大，作者在此谨表诚挚谢意。