2011年3 月11 日，在日本的东北部宫城县附近海域，发生9.0级地震.此大地震引起10m 多高的大海啸，在日本的东北海岸造成巨大的损失和严重的人员伤亡.那么大地震发生前的一段时间内，地球物理场是否存在前兆异常?这是需要研究的科学问题.随着卫星遥感技术的发展，人类对卫星热红外遥感信息与地震关系的研究越来越多，通过震例研究，研究人员认为，大地震发生前一般会伴随不同程度的卫星热红外异常^[1-5].那么日本大地震前是否也存在热红外异常?该异常有什么样的时空特征?这是本文要研究的主要问题.我们利用长波辐射资料研究日本大地震发生前的热变化过程，同时结合GPS分析日本海域地壳运动特征^[6-10]，以期探索大地震发生前可能存在的综合前兆异常.

日本海域东邻广阔的西太平洋海域，与内陆相比，海洋上空受水汽影响较大，如何排除云层的干扰成为长波辐射资料分析中最重要的一步(图 1).本文利用美国国家海洋大气局(NOAA)提供的长波辐射数据(1°×1°)，利用2006年5月1日至2011年5月29日的夜间资料，对日本大地震周边大范围区域(20°N -50°N，130°N -165°N)的格点时间序列(1°×1°)进行分析.

图 1

Fig. 1

图 1 OLR时间序列示例 Fig. 1 Example of OLR time serie

聚类分析指将物理或抽象对象的集合分组成为由类似的对象组成的多个类的分析过程.它是一种重要的人类行为.聚类分析的目标就是在相似的基础上收集数据来分类^{[11, 12]}.K均值聚类算法由MacQueen于1967年提出，是目前应用最广泛的聚类分析方法之一.其工作过程如下:首先从n个数据对象任意选择k个对象作为初始聚类中心，对于所剩下其它对象，则根据它们与这些聚类中心的相似度(距离)，分别将它们分配给与其最相似的(聚类中心所代表的)聚类.然后再计算每个所获新聚类的聚类中心(该聚类中所有对象的均值)，并且不断重复这一过程直到标准测度函数开始收敛为止.

分析日本大地震附近区域的OLR 时，首先要分析数据的特征.本文对研究区每个格点的时间序列进行了K均值聚类分析，分别进行了2、3、4、5、6、7个等级的分类，通过silhouette平均值的定量方式来比较不同分类的聚类结果，silhouette平均值越大，说明聚类效果越好，图 2a表明把数据分成2 类的silhouette平均值最大，是最合理的.把研究区所有网格点的OLR 时间序列按照聚类分析方法分成两类，190~260 W·m^-2成为OLR 时间序列分成2类的分界线(图 2b).以往研究表明，海洋上空在云量为零的情况下，实测的大气长波辐射通量在200~320 W·m^-2之间变化，其中出现240 W·m^-2的次数最多^[13].在本文的K均值聚类分析中，第一类数据可能为云量较少或为0 的情况，第二类数据可能为云量比较多的情况.同时马利华等^[14]通过对全球OLR 季节性分析显示，海洋地区OLR 季节性波动明显低于陆地，大部分海洋地区的OLR 季节性波动的幅度在10 W·m^-2左右.图 2c显示第一类数据的季节变化是非常明显的，其波动的幅度也在10 W·m^-2左右.

图 2

Fig. 2

图 2 (a)聚类统计；（b)分成两类的界线；（c)聚类分析分成两类的示例 Fig. 2 (a) Clustering statistics； (b) The border of two categories； (c) Example of two types by cluster analysis

云层对长波辐射时间序列的干扰主要在下边界(低温)，而对其上边界(高温)的影响较弱，故取时间序列的上包络线，能有效避开海洋上空大量云层的影响，但包络线在时间序列的端点存在严重的边缘效应.图 3 表明上包络线的低值区范围为:200~260 W·m^-2，与K均值聚类分析得出的结论非常一致.上述分析表明，在包括日本海域的西太平洋地区，对长波辐射序列进行的二类K均值聚类分析中，得到的第一类数据能比较有效地代表云量较少或为0的情况.

图 3

Fig. 3

图 3 上包络线的示例 Fig. 3 The envelope example

本文进一步对K均值聚类分析结果的第一类数据进行小波多分辨分析，得到每个格点长波辐射的低频趋势线，通过对趋势线的波峰分析发现，很多网格点在2010年8月为最高波峰(图 4).为了进一步分离这些特殊的网格点，本文设置参数κ，从空间上对这些变化异常的区域进行提取.若整个时段的最高波峰值落在2010年8月份，则这个网格点的κ值存在，最高波峰值为Z；否则网格点的κ 值为空.具体公式如下:

图 4

Fig. 4

图 4 日本海沟高温条带的趋势线 Fig. 4 Trend of high temperature band in Japan trench

经过进一步的小波空间滤波分析，得到了研究区的κ 值分布图像(图 5).κ 值图像显示，从日本海沟中北段开始，在2010年8月出现一个自北向南逐渐增强的季节性高温条带，该条带一直向南延伸到伊豆-小笠原海沟.在日本大地震附近的研究区域，这个高温条带是唯一的.为了进一步证实此现象，本文对更大区域太平洋上空的κ 值进行了分析，同样发现了这个唯一的高温条带.

图 5

Fig. 5

图 5 κ值空间分布 Fig. 5 Space distribution of κ

上述分析表明，2010年8月在大范围的西太平洋海域，出现一个自北向南逐渐增强的季节性高温条带，该条带从日本海沟中北段开始，一直向南延伸到伊豆-小笠原海沟.

进一步通过复小波变换对地壳运动分析表明，位于日本岛紧邻日本海沟的GPS站点(tskb，见图 5)相对于太平洋板块的垂直运动自2010年8月份开始，其周年、半周年的季节性运动近乎消失(图 6)，这种现象表明日本海沟一带的地壳垂直运动也出现异常现象.

图 6

Fig. 6

图 6 日本海沟相对太平洋板块的垂直运动 (a)时间序列；（b )时间序列的复小波变换系数. Fig. 6 Vertical movement of Japan trench relative to the Pacific plate (a) Time series; (b) Complex wavelet transform coefficients of time series.

在大地震发生前半年时间，在日本海沟一带几乎同时出现热异常和地壳垂直运动异常，这种现象的出现不是偶然的，是否表明大地震发生前地球物理场出现了异常?此外，大地震前短期阶段(半年时间)出现的热异常条带是否与地震有关?这些问题有待进一步深入探索

对两位匿名审稿人提出的中肯意见，表示深深的谢意!