1 研究背景

地震预报准确率可能预示着预报的哲学思想出了问题，因为破坏性地震在地下10 km或更深的地壳中孕育和发生，所以把目光聚焦在地壳内，而忽视了地壳之上外部空间的影响。Vance（2018）提出天空中的地震，天地同震理念。问题随之产生：天上的电离层和地下的岩石圈同步震动，中间层大气层没留下痕迹？卫星高光谱可以监测大气层中气体浓度的变化。于是，便有了卫星高光谱气体溯源模型建立的想法和思路。

按照球化学途径，从气体由震源断层逸出，热量以气体为载体，到大气动力输送、物理过程（热力学）、化学过程（光化学）和气体组分的氧化还原反应，以观测事实为基础，建立溯源追踪的运动学轨迹模型。为简化问题难度，暂时搁置电离层的溯源，只集中于大气层到地面的追溯轨迹。

2 研究内容、理论基础和研究方法 2.1 研究内容

溯源就是寻找震源气体地表逸出地点，途径是通过空间对地观测数据来描述事件的运行轨迹，即对象、时间域、空间域和地理几何表达，以及在地理空间中计算属性值（地震前兆异常）的空间相关性，关键问题是拿到的观测数据是样本还是样本总体，见图 1。

在构建关于某一具体问题的数理模型基础上，形成空间数据矩阵，并采用空间相关性的量化方法，以具体震例去反过来验证和检验模型的质量、数据的质量（数据的一致性+数据的完整性：涉及数据缺失问题、空间插值以及具体模型的边界权重矩阵和数据完整性），见图 2。

2.2 基础理论

气体上升的物理化学动力过程：①动力学过程：大气动力学过程（全过程）；②光化学过程（平流层以上，与纬度相关，平均10.8 km）：背景电离层形成和形态的基础——涉及电离、复合模式及反应速率；③热力学过程（涉及地质构造和地震震源机制类型，不是所有类型都有热力输送过程）：涉及辐射吸收和焦耳加热、带电粒子与中性成分的热交换；④电磁学过程：描述电离成分沿磁力线的运动规律（到达电离层后出现）。

2.3 研究方法 2.3.1 按垂直高度分层追溯。

（1）空基——TEC异常源的追溯方法：①电离层物理反演后向轨迹追踪技术；②TEC峰值质点运动轨迹的数值拟合仿真：涡旋运动的三维坐标方程拟合源区+坐标转换（极坐标—直角坐标—地理坐标）；③磁力线偏转改正

（2）天基大气层内断层逸出气体浓度峰值轨迹的溯源方法：①大气物理反演后向轨迹追踪技术；②卫星高光谱记录气体浓度峰值（8日值—4日值—日值），质点运动轨迹的数值模拟：涡旋运动的三维极坐标方程拟合源区+坐标转换（极坐标—直角坐标—地理坐标）。

（3）地基壳内地表的溯源方法：①近地表100 m高层处卫星高光谱气体通量最大区域在地表的投影；②地表岩石介质孔隙率渗透率最大值。

2.3.2 模型框架：垂直多分层+水平多尺度+近源区的多时间尺度。

（1）整体框架结构：电离层5°×5°TEC变化。本课题为保证物理过程连续性，只涉及概念，超过课题任务范围，且在下一个课题中实现，溯源区Ω_T（λ_T, φ_T, H_T）仅限于大气层平流层的源区。

卫星2.5°×2.5°根据大气层中异常气体的空间位置，使用Hysplit软件进行后向轨迹追踪，得到地面溯源区Ω₁（λ₁, φ₁, H₁）。

（2）路径中分段痕迹：分层次（7层）、分尺度（3个尺度）：①高光谱AIRS 2级数据1.0°×1.0°——得到地面溯源区Ω₂（λ₂, φ₂, H₂）；②高光谱AIRS 3级数据0.5°×0.5°（低于中纬度，相当于45 km×45 km）——得到地面溯源区Ω₃（λ₃, φ₃, H₃），并检查Ω₂与Ω₃的误差率，找出系统矫正方向；③中光谱MODIS地表 10 m AOD 45 km×45 km——得到地面溯源区Ω₄（λ₄, φ₄, H₄）。

（3）近源区的多时间尺度。

3 研究结果 3.1 溯源流程

气体源区（在地表的投影区域）即未来震中：①Hysplit溯源到地面区域Ω₁；②OLR和地表土壤测温给出地下气涡地表投影区Ω₂，取其交集部分Ω₁₊₂；③在Ω₁₊₂基础上，高光谱数据溯源到地面区域Ω₃；④欧星TROPOMI给出的近地表 10 m高度XCH₄浓度中心地表投影区Ω₄；⑤MODIS数据溯源到地面区域Ω₅（AOD）；⑥源区岩石裂缝优势方向和地表跨断层气实测异常区域Ω₆；⑦岩石孔隙度和气体渗透率最大区域Ω₇；⑧近地表气旋数值模拟中心点区域Ω₈；⑨资源整合——合成Ω₀：在合成过程中寻找各区域交集，消除矛盾比。

$ \Omega_1 \cap \Omega_2 \cap \Omega_3 \cap \Omega_4 \cap \Omega_5 \cap \Omega_6 \cap \Omega_7 \cap \Omega_8=\Omega_0 $

(1)

3.2 溯源误差来源

按照马玉芬（2015）统计：不同分辨率的驱动数据对轨迹计算结果影响显著，分辨率误差对轨迹计算误差的贡献远大于积分过程中截断近似等带来的积分误差。

3.3 溯源模型精度评价

中国最大县5 000 km²，最小县域25 km²，在行政管理者的角度，预报在一个县域或2县交界才具有减灾实效，即目标为5 km×5 km的溯源精度。

3.3.1 实用性评估。

首先在大气层平流层高度层面上发现一个CO₂高浓度的异常区域，以一多边形异常区域Ω₁表达，取其中心点位经纬度，输入Hysplit溯源程序，输出文件给出溯源区域中心点，即2.5°×2.5°的中心点位经纬度、水平轨迹线、垂直剖面轨迹线，即Hysplit溯源到地面区域Ω₁，误差量为驱动数据分辨率，一般为2.5°×2.5°，或分辨率1°×1°。

选择发生在海洋、盆地、高原的3个典型震例进行应用效果检验。震例信息如下：2008年汶川M_S8.0地震、2011年日本宫城县M_W 9.0地震、2021青海玛多M_S7.4地震；海拔从负值到4 000 m以上。海拔越高，气流越紊乱，追踪溯源工作难度增加。

3.3.2 OLR和地表土壤测温给出地下气涡地表投影区Ω₂。

气体作为热量的载体，二者同根同源，具有时空同步性，因此OLR与AIRS同一空间分辨率（2.5°×2.5°）数据可以相互印证，并取其交集部分Ω₁₊₂，进一步证明，异常来自震中，与非地震因素无关，交集信息量有助于提升定位精度。

3.3.3 高光谱数据溯源到地面区域Ω₃。

AIRS的3级数据产品可达45×45 km²，即2 025 km²。在Ω₁₊₂基础上空，高光谱数据溯源到地面区域Ω₃。把Airs数据从日值、4日值、8日值变为1、2、3、4、5、6、7、8日滑动值，8个时间尺度即8个时间窗口，不同时间尺度检测异常的出现，有更多细节展现。

在每个时间窗口下，以时间序列输出一系列图件，每张图输出一个浓度最大值围成的中心点经纬度坐标Ω_i（在数据处理过程中发现，也可能一张图上有几个这种中心点，选择最大一个区域的中心点）。若干个Ω_i按时间序列在经纬坐标下形成一条曲线，即溯源轨迹的平面表达。溯源轨迹线有近场和远场的差异，强化细节就会看到差异：

中国地震局地震预测研究所崔月菊研究员：地震前3个月或1.5个月前出现气体异常。那么卫星高光谱气体浓度最大点的连线拟合的曲线方程比较准确。但临震状态的气体稳定性不好，在源区上空多若隐若现的气旋上升过程控制。因此，远场中长期的轨迹线较为可靠，而近场临震就是圆的渐开线方程曲线。因此，要以临震时的高光谱数据处理渐开线方程曲线，曲线中心坐标的拟合结果即真正的源区。立体上表现为螺旋线，平面表现为渐开线。

汶川M_S8.0地震震例：临震时期（7天左右）气体浓度最大点组成的图像是以初始破裂点汶川（震中）为圆心，以圆的渐开线的路径向2个最大破裂点北川行进，再绕到映秀向西南逐渐消失，完成一个周期即1个完整电热涡旋，震前04-23—05-04、05-05—05-09、05-10—05-13形成3个周期的涡旋，余震震中为圆心展开另一次渐开线轨迹。异常中心在源区风场方向上，震中在岩石裂隙的优势方向上，汶川地震气体出现在东北方向，东北风，异常吹向西南。以震中为中心，如何识别与气象背景无关的地下升起的高光谱气旋是溯源的最后阶段。

3.3.4 欧星TROPOMI给出的近地表 10 m高度XCH₄（甲烷的柱总量）浓度中心地表投影区Ω₄（7 km×7 km分辨率）。

地震断层逸出气体首先释放CH₄，其还原反应产生CO，CO氧化反应产生CO₂，而CO₂光化学作用变为O₃，同时释放出大量的电子、离子进入电离层。所以，初始断层气CH₄对溯源影响重大。

应用方法：Sudhanshu Pandey（2019）使用TROPOMI XCH₄数据在俄亥俄州井喷测量结果表明：北美东部地图显示，井喷区域为（79°—82°W，39°—41°N），在井喷事件期间、之前和之后，围绕井喷区域的TROPOMIXCH₄图像，与来自ECMWF 6小时气象预报场地表以上10 m处的风矢量耦合。卫星测量平台通过定期扫描提供了一种有前途的方法，2018年俄亥俄州天然气井井喷甲烷排放的大气测量值证明卫星测量的这种能力。这给本模型溯源识别初始断层逸出气体组分，提供了具有高分辨率的有效途径。

需要注意的是，欧星TROPOMI给出的近地表 10 m高度XCH4（甲烷柱总量）浓度中心地表投影区Ω₄（7 km×7 km分辨率），一定要在源区内扣除油田、湿地、矿山、大型垃圾场的排放背景值，因为CH₄是天然气、煤层气、沼气的主要成分。

3.3.5 MODIS数据溯源到地面区域Ω₅（AOD）。

高光谱受地表起伏影响，层面数值为海拔1 000—10 000 m，平流层高度平均10.8 km，因此从远地表到平流层是高光谱记录轨迹阶段。中光谱AOD近地表 10 m左右（10—100 m，是比高，而不是海拔），二者配合使用各自弥补不足。

（1）2008年汶川M_S8.0地震中卫星图像清晰显示，震前1天和震前4天，大气AOD显著增强，早于负电离层扰动和正电离层扰动，比包括空气在内的其他大气异常提前1天或准同步。同时，2008年5月5日气溶胶AOD异常同步OLR长波辐射变化和相对湿度下降。

（2）AOD垂直投影到地面进行溯源：汶川地震发震断层主破裂（NE向）长280 km，按勾股定理200 km×200 km像素空间内的气体逸出事件，而AIRS二级数据一个像元是1°×1°，近似为100 km×100 km，则汶川震中区域可以包含2个像元信息；3级数据为45 km×45 km—50 km×50 km，汶川震中区域可以包含16个像元（2⁸）的信息。

使用中等分辨率MODIS数据计算的AOD，是近地表 10 m左右的高度层实测结果。物理前提是，卫星高光谱数据量可足够追踪8级地震破裂的气体逸出信息（即没有磁暴等情况干扰和缺数据的情况）。在以Hysplit给出的可能源区Ω₁内和AIRS得到的源区Ω₃，以AOD给出的近地表区域直接投影，得到估算的源区Ω₅。

（3）典型案例：Qin等（2014）利用Terra和Aqua的MODIS数据，与此次地震相关的大气气溶胶光学深度（AOD）变化，结果表明，震前异常分别比空间天气报告的电离层负扰动和正扰动提前7天、4天、1天，比报告的气温、长波辐射和相对湿度等其他大气异常提前1天或准同步。在龙门山断裂沿线AOD明显增强，且局限于局部区域，与断裂活动和地表破裂密切相关，与岩石圈—大气—电离层耦合过程有关汶川地震前兆异常。以AOD给出的近地表区域直接投影，得到估算的源区Ω₃，与震中吻合，分辨率可达250 m×250 m。但是，该方法的缺点是，易受云的遮挡而无法获得数据。

3.3.6 地下岩石裂缝的优势方向测定和地表断层气实测异常区域Ω₆。

（1）地下岩石裂缝的优势方向测定。张国苓等（2021）认为：场地岩体可能发生了共轭剪裂，收窄变化则说明场地裂隙由发育阶段转变为长大阶段，裂隙长度增大、连通性增强、排列逐渐有序。地电场方位角法可以给出地下岩石裂缝的优势方向。

（2）将Ω₄区7 km×7 km分辨率转化为Ω₆区5 km×5 km分辨率。在49 km²区域增加一个像素点（分开一定距离）即可达到25 km²的分辨率。像素充填方法如下：在Ω₁区域内进行断层气测量。在区域内加入4个2.5 km×2.5 km的网格，按信息量I扫描过滤，找到I_max，即最大信息量的格子，继续进行断层逸出气体观测，成图，给出7日内最终判定Ω₀。

3.3.7 近地表气体通量最大区域与岩石孔隙度和气体渗透率最大区域Ω₇。

在近地表气体通量最大区域，网格2 km×2 km密度进行采样，在实验室内测定岩石孔隙度。渗透率是决定断层带内流体活动的关键因素，在断层上下两盘工作剖面上进行岩石采样和渗透率测试，圈定岩石孔隙度和渗透率测试数据最大区域。

3.3.8

借助卫星高光谱图像，确立近地表 10 m气体通量最大区域及气旋数值模拟中心点区域Ω₈，计算源区中心经纬度坐标。

3.3.9

资源整合——合成：在合成过程中寻找各区域交集，消除矛盾，以矛盾比为指标，进行组网平差计算，求最合理解，根据式（1），最终给出源区Ω₀。

4 讨论 4.1 以TEC异常启动模型运作

7级以上强震TEC浓度有异常显示，因此TEC异常作为溯源模型的启动点，TEC超过本底值40倍（日本阪神地震震例），则立即启动卫星高光谱气体溯源模型的9大工作流程，最终给出7日时间尺度内，空间分辨率5 km×5 km区域内强震震源的源区。

4.2 1.0版细节补充

这里展示预报的哲学思想，是前人成果与研究组合式应用，给出流程框架。随着空间对地观测和数据处理科学技术水平的提升，震例不断丰富，算法细节将不断改进和补充。

4.3 模型开放实验室

建议以公众号和个人账号的形式，开放实验室会员制，欢迎广大地震预报爱好者和科学工作者踊跃参与，添加案例，讨论算法，贡献源代码，提供哲学思路。

4.4 实际应用的关键环节

确保卫星数据的实时或准实时性是实际应用的关键环节。在美国AQUA卫星AIRS和MODIS中的AOD，以及欧星TROPOMI中近地表的XCH4（甲烷柱总量）建立卫星高光谱气体溯源1.0版本的基础上，引入我国自主知识产权的高分5和高分6号卫星数据，同时尽量使用中国气象局的大气和气象数据，尤其是近地表风场数据，适当引入我国风云系列卫星FY-2、FY-3、FY-4的数据，确保模型应用时可以取得实时或准实时数据。

4.5 追本求源三部曲

《高光谱气体溯源模型》、《TEC溯源模型》、《空间地震信息溯源模型》，而《空间地震信息溯源模型》是前两个模型的整合与融合。

2003年，我国科学家空间监测地震电磁波的研究工作。2018年2月2日，“张衡一号”地震电磁监测科学试验卫星成功发射，记录全球50个7级以上地震，为后续研究“TEC溯源模型”和“空间地震信息溯源模型”打下了坚实的基础。

随着CO₂等温室气体在大气中浓度的逐年攀升，达成“碳达峰”“碳中和”的“双碳”目标是中国对国际社会的郑重承诺，为落实“双碳”战略部署，有必要构建一张精密监测网，对温室气体进行科学监测和评估。

4.6 时间分辨率的重要性

气体是热量的载体，具有同源性和时空一致性。因此，在溯源模型中，对溯源结果二者可以相互检验、相互印证。TEC并非皆由地震震源气体的光化学作用形成，断层破碎带的放气作用不可能是长期行为。调整时间尺度和不同侧面，以不同视角会有新的发现。如：2011年日本M_W 9.0地震：放气8个月（日本宏源海清2010年8月发现TEC异常，2011年3月11日宫城县M_W 9.0地震）；汶川M_S8.0地震：放气8/32 = 0.25 mon = 7.5 d；青海玛尼M_S7.4地震：放气7.5/32 = 0.23 d = 5.625 h。

4.7 地下的源具有时空迁移性

中国地震局地震预测研究所陈志研究员根据海原断裂带Rn浓度分布、震间地表渗透率分布及CO₂浓度分布，对1921年海源8½级地震发震断裂的研究发现，震间断层应力积累导致的渗透率非均匀分布，可能是断层气串珠状分布的原因，即气体充斥着地下岩石孔隙度高和断层破碎带气体隙渗透率大的地区，并伴随着震源断层尖点脉冲破裂的迁移。表明源具有串珠状移动特征。也就是说，溯源时要有时空的动态追踪概念。

4.8 引入FY-4卫星数据，聚焦源区，抓住短临预报

溯源模型的定位精度取决于所用卫星资料和对接的地面观测资料精度，而不是模型所能决定的。所谓定位精度即溯源结果的空间分辨率。引入FY-4卫星数据，聚焦源区，抓住短临预报。

4.8.1 增加溯源区垂直浓度信息。

为弥补AIRS卫星数据垂直分辨率的不足，增加对于溯源区的垂直信息，引入FY-4卫星数据。作为新一代静止轨道定量遥感气象卫星，FY-4卫星的功能和性能实现了跨越式发展，可见光空间分辨率0.5 km，配置有912个光谱探测通道的干涉式大气垂直探测仪，光谱分辨率0.8—1 cm，可在垂直方向上对大气结构实现高精度定量探测。FY-4卫星实现了大气温度和湿度参数的垂直结构观测，提高了探测精度，改进了垂直分辨率，将在国际上首次实现地球静止轨道的大气高光谱垂直探测，并与成像辐射计共平台，可联合进行大气多通道成像观测和高光谱垂直探测，垂直探测性能指标已达到在研的欧洲性能指标。

4.8.2 实现每小时图像追踪。

引入风云4号卫星遥感数据，实现震前7日内发现气体前兆异常，利用地面数据接收站和超算中心每秒万亿次的算力，在溯源区以小时为单位给出源区光学影像、水平影像和八方位垂直剖面影像。

风云4号B星是我国新一代静止轨道气象卫星，时空分辨率为1 min、250 m，具备快速监测能力，1 000 km×1 000 km成像3 min，还有卫星数据传输时间，也能保证每15 min给出一张目标区域的图像，保证溯源目标的识别和追踪。

4.8.3 震例回溯。

2017年9月25日，风云4号投入使用，标志着中国静止轨道气象卫星观测系统实现了更新换代。汶川地震2008年5月12日，无法使用风云4号卫星数据进行基于本模型的回溯，但未来可将卫星数据引入模型，提高图像的垂直分辨率，并增加短临异常时段内的凝视功能。

5 结语

英国和俄罗斯的科学家提出要发射一种可以更好地跟踪大气异常的卫星，中国正在推进一项基于电离层电磁干扰的天基预测计划（Vance，2018）。考虑到电离层的复杂性，加之地震的复杂性，大气层传输过程的复杂性，地下监测的复杂性，卫星数据的实时和准实时性，可能需要几十年的努力，才能真正做出具有减灾实效的模型。