2017, Vol. 37
卫星热红外遥感通常是通过反演计算得到的地面温度跟踪地球内部的热信息变化，具有覆盖面广、信息量大、数据精准性高、可捕捉地震前后的热红外异常变化等优点[1]。通过分析卫星红外遥感信息时间与空间的变化信息，可以识别和分析已存在的断层构造情况，提取地震前兆信息，是短临预测预报地震的有效方法之一[2-11]。
根据中国地震台网测定，2016-08-24缅甸(21°N，94.67°E)发生MS 6.9地震，震源深度90 km。由于长期受到欧亚板块和印度洋板块的强烈碰撞和挤压，研究区域构造活动剧烈，地震活动频繁。本文应用小波变换和功率谱估计法，对静止卫星热红外亮温资料进行大范围扫描和局部处理，以提取此次地震前的热红外异常信息，获得地震的热红外异常分布特征图像，并分析地震异常特征与地震参数的相关性，为利用中强震热异常进行地震预测预报和应用研究提供更多、更精准的震例素材和判定依据。
1 资料来源和数据处理本研究采用中国静止气象卫星FY-2E/G的红外遥感亮温产品数据，由兰州地球物理国家野外科学观测研究站和中国气象局国家卫星气象中心提供。两颗卫星均定点于赤道上空，距地面高度35 000 km，观测范围覆盖中国及周边区域。FY系列卫星具有观测精度高、覆盖面积广、地点的可比性和时间的一致性等优点，非常适用于地震的预测与预报[12-13]。
采用小波变换[14-15]和相对傅氏功率谱法[7]对选取的震前亮温数据进行处理，应用小波变换得到在时间域正负相间的亮温相对变化波形数据[11]。为了比较地震前后热辐射变化的功率谱与其他时段的功率谱，并揭示信号中周期和波谱峰值的异常信息，首先采用功率谱法获得各像元时频特性的功率谱数据; 其次，为了更好地反映地震前后的功率谱变化，对每一像元的所有功率谱进行相对处理，即先计算各像元点在时频域内每一频率幅值的平均值，再用各频率的平均值除以其对应频率幅值; 最后，进行全时空和全频段扫描，提取明显的热异常信息，从而进一步判断可能的发震区域并分析前兆异常变化特征。
2 资料处理结果分析 2.1 地震热红外异常特征对热红外异常区域扫描得到的大范围异常进行跟踪发现，特征周期为16 d的功率信息增强图像中出现明显的异常区域(图 1中下部红色区域)，其中大面积的高值区显示在缅甸境内。为了深入观察和分析地震发生前热红外亮温异常的演化过程，文中设定时频相对功率谱变化空间数据分析的范围为19°~29°N、90°~105°E，通过局部扫描即可获得相对功率谱时空演化图(图 1)。图 1中可以看到显著的震前热红外异常变化，其迁徙及演化趋势如图 2所示。可以看出，热红外亮温异常自2016-04中下旬开始零星出现在震中区以北方向，异常范围随时间推移不断扩大，呈不规则的片状分布；2016-06-02左右异常区面积达到极大值后逐渐缩小；7月初热异常现象基本消失。热异常的空间分布变化经历从初始显现到加强增温而后急速衰减的过程，异常区域相对集中，且持续时间相对较长。震中始终位于热异常高值区南部的边缘部位，且在异常逐渐衰减的过程中，热异常的衰减速率最快，比异常最集中区域的北部地区提前消失。通过分析该次地震的时空演化过程发现，异常变化形态相对突出，异常辐射强度较大，发震位置在异常最集中区域的边缘。该处理结果与以往大多数震例相符[6, 12-13, 16]，因此可认定本次热红外异常与缅甸6.9级地震是有关联的。
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图 1 缅甸6.9级地震前60 d左右功率谱值 Fig. 1 Power spectrum value of 60 days before Burma MS 6.9 earthquake |
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图 2 缅甸6.9级地震前热红外相对功率谱时空演化 Fig. 2 The temperal-spatial evolution maps of thermal infrared anomalies before Burma MS 6.9 earthquake using relative power spectrum |
热红外异常区的平均谱值时序曲线不仅能直观地反映异常增温区的整体变化情况，而且能观察亮温异常的持续时间及相对变化率的实际具体情况，可以有效识别和判定地震热红外异常。
根据该区域3 a多亮温数据的平均谱值时序曲线(图 3)可知：1)此次地震震前特征功率谱幅值大于4倍的持续时间在50 d以上，时间特征相对突出；2)此次热异常特征周期为16 d，相对变化率达16倍以上(2016-06-02)；3)2016-04初至发震时刻，平均谱值陡增，发震时刻恰好在异常峰值下降至正常值范围的阶段。通过以往震例结果以及相关判定经验考虑，此次地震较长的热异常反映期可能与震中地区应力的积累与调整有关。
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图 3 异常区平均谱值时序曲线(19°~29°N，90°~105°E) Fig. 3 Time-series curves of infrared effective observation period in this area(19°~29°N, 90°~105°E) |
综合上述分析结果可知：1)热异常变化区域范围整体呈现“显现-扩大-缩小-消失”的过程；2)地震并没有出现在异常最大的区域，而是在热异常集中区的边缘；3)在时间演化过程中，热红外异常现象在震前存在一次明显的变化；4)热红外前兆异常与孕震过程具有明显相关性，异常形态特征、演化过程及时序曲线都具有很强的代表性，与以往地震热红外震例相一致[9, 12-13, 16]，展现了热红外遥感技术在发震地点和发震时间预测方面的优势。但利用红外遥感技术预测地震强度还未得到有效的直接对应依据，红外异常与地震孕育的关系也没有确定合理的解释，加之地震活动相当复杂，卫星热红外遥感技术受到各种环境因素的限制，有待进一步研究。
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