2019, Vol. 39
地震后常伴有气象异常，对次生灾害的诱发与救援工作产生一定影响[1]。当前地震预报工作复杂且受技术条件所限，不能准确预报地震的发生[2-3]，因此在当前预测技术尚不成熟的情况下，有必要对地震诱发的次生灾害进行分析。而震后次生灾害的发生多与气象要素的异常变化相关。如Han[4]、石俊等[5]分别以重庆地区4次地震和汶川地震为例，分析临震前5项气象要素指标异常；唐川[6]对震后降雨诱发滑坡泥石流灾害开展预测分析。
本文以东日本大地震为主要研究对象，同时结合汶川地震与玉树地震，分析震后主震区周边区域的水汽异常变化，包括主震区地震前后MODIS水汽(PWV)、无线电探空水汽序列等。鉴于对流层延迟(ZTD)与水汽的高相关性，本文分析地震前后GNSS测站ZTD时间序列的变化，并与实际降水情况比较验证，以期对震后灾区救援工作提供指导。
1 研究区概况与数据来源主要研究区为2011-03-11(年积日70)东日本9.0级地震(38.1°N, 142.6°E)主震区及其周围具有IGS站点的相关区域。同时对发生在2008-05-12(年积日133)的汶川8.0级地震与2010-04-14(年积日104)的玉树7.1级地震主震区开展相关分析。
研究数据包括：
1) MODIS数据。可通过NASA网站下载MODIS的MOD05水汽产品获得研究所需水汽数据(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/)，时间跨度为2011-03-01~03-31，为日值数据，单位mm。
2) 探空数据(包括温度与水汽)。为怀俄明大学天气数据网站提供的数据，每天2个观测值，来自距离东日本地震、汶川地震、玉树地震主震区较近的探空站点。
3) GNSS ZTD数据。为IGS站点观测数据，IGS网站提供的ZTD数据采样率为5 min 1个值，数据时间为2011-03-01~03-31，包括日本的IGS站点USUD、TSK2、MTKA、KSMV。
4) 降水数据。为天气预报网站提供的日值降水数据，单位mm。
图 1为3次地震研究涉及的探空水汽和GNSS ZTD数据对应的测站分布。
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图 1 数据点分布 Fig. 1 Distribution of data points |
提取东日本地震震中区的MOIDS水汽值，分析地震前后震中的水汽变化(图 2)。
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图 2 MODIS水汽时间序列 Fig. 2 MODIS PWV time sequence |
由图 2可看出，地震发生前2 d水汽有一个上升过程，但变化量不大；水汽值在地震发生后3 d没有明显的异常变化；在第4日(年积日74)陡然上升，最高达到20 mm；达到峰值后开始下降。查询历史天气可知，年积日74当天地震主震区附近区域发生强降水，日降水量达到44.5 mm。
2.2 探空数据水汽分析受云量、反演模型等影响，MODIS水汽精度不高，其变化可用作定性分析。为得到更精确的地震后主震区水汽变化情况，选择东日本、汶川、玉树3次地震震中区附近的探空数据开展探空水汽序列变化分析(图 3、4)。
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图 3 日本探空数据水汽变化时间序列 Fig. 3 PWV time series of sounding data of Japan |
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图 4 汶川、玉树探空数据水汽变化时间序列 Fig. 4 PWV time series of sounding data of Wenchuan and Yushu |
由图 3(a)可知，探空站点Sapporo在地震发生后水汽大致呈逐渐上升趋势，然后突然下降。该变化对应地区发生强降水，分析其原因是地震发生后释放巨大能量引起空气中水汽运动。由于距离震源远近不同、传输距离不等，造成降水发生时间先后不同。
由图 4(a)可知，探空站点Garze在汶川地震发生后水汽变化波动较大，经历短暂下降后，迅速上升达到第1个峰值后又下降，之后发生降雨，呈一定反复性。由图 4(b)可知，探空站点Yushu的水汽变化如下：玉树地震发生后水汽先上升后下降，发生降水，而后逐渐上升达到峰值后陡然下降，再次发生降水。其原因为探空站点距离震源较近，地震发生后水汽突然积聚并发生降水，而后由于余震影响，距离震源较近的站点释放能量，促进水汽碰撞聚积，达到临界值后发生陡然下降，再次降水。
2.3 ZTD数据分析由于MODIS水汽数据与探空数据均为日值数据，采样率较低，因此对数据采样率更高的GNSS水汽(ZTD)序列进行更深入的分析，进一步探究地震前后水汽的变化情况。由于GNSS水汽与GNSS ZTD之间呈显著正相关特性(相关性达97%以上[7])，故用GNSS ZTD数据代替GNSS水汽时间序列进行研究。东日本地震震中与4个IGS站距离分别为355.2 km(USUD)、331.3 km(MTKA)、274.3 km(TSK2)、260.2 km(KSMV)[8]。图 5为4个IGS测站GNSS ZTD时间序列。
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图 5 IGS站点GNSS ZTD时间序列 Fig. 5 Time series of IGS GNSS ZTD |
由图 5可知，地震后初期ZTD整体变化并无较大差异；震后第5天，ZTD值在不断升高达到峰值后陡然下降。其原因是IGS站距离震源中心较远，地震后释放巨大能量加速空气中水分子运动，同时地震引发海啸中的水分子进入到空气中，伴随着地震后灰尘的剧烈运动，与空气中的水分子结合，不断积聚，达到临界值后下降形成降水。之后5 d内，ZTD值逐渐升高，在年积日为80时达到峰值，而后迅速下降逐渐趋于正常。其原因是在之前降水过程发生后，由于余震的发生，仍然有巨大能量不断积聚传递，促使空气中水分子不断碰撞运动，在地震后第10天达到极限，发生降水，之后余震强度逐渐减小，释放的能量不足以引起距离较远的IGS站的ZTD发生异常变化，逐渐趋于正常。同时由于4个IGS站点相近，对ZTD变化影响差异较小。
3 结语通过对东日本地震、汶川地震和玉树地震前后多种观测资料(MODIS、探空、GNSS)的水汽、ZTD时间序列的变化分析，得到以下结论：
1) 地震后，震源区及其附近区域水汽会出现异常，水汽不断运动积聚，达到峰值后发生降水。
2) 地震后，距离震源较近地区水汽异常变化呈现较明显的反复性，且周期较短；距离震源较远地区，水汽异常变化波动较小，反复性不明显。
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