2021年8月26日阿克塞M_(S)5.5地震热红外亮温异常研究

基于相对功率谱方法分析2021年8月26日阿克塞M_(S)5.5地震前红外亮温相对功率谱时空演化特征。结果表明:阿克塞M_(S)5.5地震前震中西侧出现明显亮温相对功率谱增强,增强区域沿阿尔金断裂与柴达木北缘断裂分布,持续大约1个月后消失,地震在异常消失8 d后发生。相对功率谱值呈现上升-下降-再上升-再下降的变化过程,地震在功率谱值回落之后发生。根据震例统计结果显示,2008年以来新疆地区共有15次热红外亮温异常,热红外异常出现后3个月内,在异常区周边及附近250 km范围内发生7组M_(S)≥5.0地震,且异常面积与对应地震震级存在正相关关系。

从卫星红外亮温与大地热流的关系看地震前的热红外异常

一些强地震前地表可产生热异常是人们比较一致的认识,但能否用卫星遥感技术观测到地下热异常则存在很大的分歧.本文试图通过分析热红外亮温与大地热流值的关系,探讨利用卫星遥感技术观测地震热异常的可能性及其存在的一些问题.研究结果表明:(1)在绝大多数情况下,亮温随大地热流值的升高而升高,升高的速率平均为0.057℃/mW·m^(-2).如果地震引起的大地热流异常为100 mW·m^(-2),则有可能产生卫星红外平均亮温约5.7℃的异常.(2)不同地区亮温随大地热流值变化速率不同,即使地震前出现了卫星热红外亮温异常,但不同地区表现也是不同的.(3)在一些地区一些季节,亮温与大地热流值关系不明显,可能是亮温数据受气象因素干扰所致.这说明地震前的热红外亮温异常是复杂的,甚至有时是难于观测到的.

地基热红外亮温遥感云底高度可行性的模拟研究

本文利用Modtran4.0模式比较系统地研究了不同强度(以地面能见度表示)和不同类型气溶胶情况下,晴空和各种云所形成的天空红外亮温Tb(InfraredBrightnessTemperature)随地面观测天顶角的变化,从中发现利用Tb观测来遥感云底高度CBH(CloudBaseHeight)的可行性,以及定量分析气溶胶层的影响.并且根据模拟计算结果,推出了由地面温度和湿度来计算晴天和不同CBH的中低云天天顶Tb的统计算式,以及由观测Tb和地表温、湿值反演CBH的方法.从模式计算和试验的初步结果可以看出:对于低云和中云,地基观测的Tb对CBH的变化有相当的敏感性,因此可以用于CBH的反演.地面气溶胶(能见度和气溶胶类型)对天空背景Tb有明显的影响,必须加以订正.但由于其影响对不同天顶角的贡献有一定的规律性,因此有可能得到较好的订正.

中国大陆卫星红外亮温与海拔高度关系的研究

海拔高度与卫星热红外亮温的关系是尚待深入研究的能反映地球表面热状态的重要信息,也是影响地震热红外异常分析的主要因素之一,文中把海拔高度每增加100m亮温降低的幅度称为亮温梯度,在系统筛选处理卫星热红外遥感数据的基础上,把中国大陆划分为西北、青藏、川滇、东北、华北和华南6个地区分别进行研究,取得了一些初步的结果:1)不同地区、不同月份亮温梯度的总体趋势相似,但又存在细节上的差异;2)各个地区的亮温梯度都小于前人根据气温资料计算得到的气温直减率(0.64℃/(100m)),而且在绝大多数情况下都<0.4℃/(100m),变化范围主要集中在0.15～0.35℃/(100m)之间;3)除青藏地区以外,其它5个地区的亮温梯度总体上表现为夏大冬小的特点。分析认为冬季冷空气的作用、大气对地面辐射的吸收衰减以及地理环境的差异等是影响亮温梯度时空动态的主要因素。

卫星热红外亮温、气温及地温观测的年变变化对比研究

通过对NOAA卫星热红外亮温与野外安装气象观测站接收的气温、地下不同深度地温(0.2,0.5,1.5,2m)进行不同方式的对比研究,分析了卫星热红外亮温、气温、地下不同深度地温的变化特征,探讨了亮温与气温及不同深度地温之间的关系.结果表明:①卫星热红外亮温观测,由于受天气、云层短周期因素变化影响,曲线呈现高频突跳特征,但按最大值拟合出的亮温曲线有较好的年变变化规律;②浅层地温受气温及太阳辐射的影响较大,能够体现出日变化,表现出很好的季节变化规律;③深层地温年变平稳,年变变化与季节相关.但与气温相比,表现出滞后效应,且深度越深,滞后时间越长;④亮温、气温及深度0.2m地温三者之间呈现很好的相关性.亮温、气温、0.2m地温的极值几乎同时段出现,都符合季节变化.分析表明,亮温能够真实地反映地表温度的变化情况,能够为利用卫星热红外亮温提取地震异常信息提供可靠准确证据.本研究结果为理解不同观测属性及其相互关系,以及更好地为地震监测应用提供了基础.

活动断裂带的地形地貌差异与红外亮温年变特征的研究

利用NOAA卫星夜间第五通道红外影像和数字高程资料,以青藏高原北部的东昆仑断裂、阿尔金断裂和祁连山-海原断裂为例,定量分析了在地震活动相对平静的年份内活动断裂的地形地貌差异与红外辐射的动态变化.研究结果表明,断裂两盘的垂直升降差异是导致活动断裂红外亮温差异的主要原因,地形与红外亮温保持了良好的负相关性,并且这种负相关性与气温垂直递减率基本统一,这说明提取震前红外辐射异常时首先应考虑剔除区域气候的影响.此外断裂两侧的岩性差异、水系分布以及人文环境等地形地貌因素对断裂带的红外亮温也产生一定作用.对活动断裂进行红外辐射亮温年变形态的研究,能为有效提取震前红外辐射异常积累一些有意义的经验和认识.

2017年九寨沟M_S7.0地震前热红外亮温异常与盆地效应

以中国静止气象卫星亮温数据为数据基础,采用小波变换和功率谱估计方法进行处理分析,并对处理后的数据进行时空扫描。结果表明:(1)在2017年8月8日九寨沟M_S7.0地震前,沿龙门山断裂带存在一条热红外辐射增温带,其热辐射异常主要分布于四川盆地边缘,异常面积最大可达6×104 km2,九寨沟地震即发生在增温区域的边缘;(2)九寨沟地震的相对功率谱时序演化特征显示,2017年7月初相对功率谱幅值迅速升高以后,长时间持续呈高幅值状态,且与过去十年的数据相比相对功率谱较为突出,直到地震后一段时间才恢复;(3)九寨沟地震异常的分布与汶川地震前热辐射异常展布相似,对其它发生在含油气盆地边缘的地震进行综合分析认为,热辐射异常均具有类似盆地形态的特征,反之,这种类似盆地形态的异常与M_S≥6.5地震的对应率为75%;(4)地震盆地效应是位于盆地边缘的、具有不同发震构造的地震表现出相似的热辐射空间展布的主要原因,与地球放气理论机理解释相一致。

2016年3月21日甘肃金塔4.7级地震热红外亮温异常分析

使用中国静止气象卫星FY-2E/G红外遥感亮温产品为基础数据,针对2016年3月21日甘肃金塔4.7级地震前后出现在震中区附近的显著热红外异常,运用小波变换和相对功率谱法进行异常提取和资料分析,结果表明,地震热红外异常范围主要分布在震中以北的大范围区域,震前10天左右出现功率谱增强现象,随着时间推移,异常范围逐渐向北扩大,一直持续到震时,震后14天异常开始收缩并减弱。通过对比同地区相似震例发现,本次地震与2012年5月3日金塔5.4级地震的热异常特征有许多共同点,其中相同的特征周期可为热红外地震前兆特征的归纳提供典型的参考信息,同时可为建立区域热异常统计模型积累可靠的判定依据。

青藏高原东北缘2次地震热红外亮温异常分析

应用静止气象卫星FY-2G的TBB产品为基础数据,针对2017年9月30日四川青川5.4级和2017年10月31日甘肃临潭4.3级地震前后出现在震中区附近的显著热红外异常,运用小波变换和相对功率谱法进行异常提取和资料分析。结果表明:青川地震热红外异常范围主要分布在震中东南区域,震前4个月左右出现功率谱增强现象,持续2个月左右。临潭地震热红外异常范围主要分布在震中的西南方向,震前20 d左右出现异常增强现象,随时间推移,异常范围逐渐向西南扩大,震前14 d异常开始收缩并减弱,异常持续30 d左右。通过对比2次震例,发现热异常特征有许多共同点,其中相同的特征周期可为中强地震前兆特征的归纳提供重要参考信息。

吉林松原地区地震前热红外亮温异常研究

使用小波变换和功率谱估计法,利用中国静止气象卫星亮温数据研究2017年以来松原地区3次M_(S)>4.5地震前的热红外异常。结果表明,2017-07-23 M_(S)4.9和2018-05-28 M_(S)5.7地震前的异常都是沿依兰-伊通断裂和密山-敦化断裂走向逐渐扩展的,即异常存在于松辽盆地的东部边缘,地震震中不在异常区内;2019-05-18 M_(S)5.1地震前异常不明显,可能是由于盆地内二氧化碳和甲烷等温室气体在前2次地震前后已得到最大量的释放。

2012年新疆洛浦M_S6.0地震前卫星热红外亮温时空演变特征分析

本文处理了新疆洛浦M_S6.0地震前后卫星热红外亮温(TBB)数据,对异常信息的时空演变进行分析,并考虑了天气因素的影响。研究发现,震前亮温异常主要分布在震中西北方向,高值区位于震中以西巴楚县附近,异常呈条带状分布,其西北-东南走向与附近断裂带方向一致;异常出现在洛浦地震前14天,共2次,时间上经历较强-弱-强-弱的变化过程,第1次异常持续时间较短,第2次异常持续长达4天,之后迅速衰减并消失,亮温异常值增幅十分明显。结果表明,新疆洛浦地震前存在明显的红外亮温异常现象,亮温变化与洛浦地震发震似具有较好的相关性。

2020年新疆于田M_(S)6.4地震前热红外亮温异常研究

获取了2020年4—7月新疆于田M_(S)6.4地震区周边约400km范围内连续的中国气象卫星FY-2G遥感热红外资料,选取北京时间凌晨1:00~5:00时的分钟值数据,经过小波变换和功率谱估计法进行处理,得到研究区地震前后相对功率谱异常演化过程,对比分析了2019年相同频率同期的相对功率谱幅值,并讨论了异常时间演化过程及异常空间分布特征的可能原因。结果表明:从2020年4月初开始相对功率谱在塔里木盆地南缘出现零星高值异常,显著特征周期为13d;随后,异常面积沿着盆地边缘断裂逐渐扩大并向阿尔金南缘断裂区域扩展。4月下旬异常区域进一步扩大并形成跨发震断裂的异常带,异常在2020年5月下旬和6月初达到峰值;随着地震的临近,异常区域开始收缩,异常幅度也开始减小,至地震发生时震中区附近异常已经消失;对比分析2019年同期同频率研究区的相对功率谱值后,认为此次热红外亮温异常可能是地震前的短临异常现象。

震前卫星红外亮温异常时空演化特征分析

主要利用统计方法建立红外亮温背景场及异常检测模型,来提取2012年华北地区的红外亮温异常信息,并对2012年唐山4.8级地震和宝坻4.0级地震前的异常演化过程进行分析研究。结果表明:背景场方面,红外亮温的多年月背景场具有夏高冬低的年变特征,符合季节变化规律,红外亮温与高程呈负相关关系;基于历年同期亮温偏移指数K值方面,2012年5月28日唐山4.8级地震震前在唐山断裂带以南存在明显强烈的K值异常,在震前8小时达到最大约3.3。6月18日宝坻4.0级地震在震前也存在红外亮温异常现象,但是较弱。

松原地区地震前热红外亮温异常特征研究

2017年以来松原地区先后发生了两次较大地震,分别为2017年7月23日4.9级地震和2018年7月23日5.7级地震。两次地震发生在松辽断陷盆地中央沉降带内,位于北东向松原(扶余)-肇东断裂带和北西向第二松花江断裂带交汇部位。震中区断(坳)陷盆地基底之上的中生代沉积层厚约4 000m。上部第四系沉积层在震中区厚度约80m。深部地质构造单元位于松辽平原上地幔隆起区NNE向中央隆起带的东部斜坡带上。

100～400 K真空红外亮温标准黑体辐射源研制

介绍了中国计量科学研究院研制的100～400 K真空红外亮温标准黑体辐射源的工作原理、结构、性能测试方法及测试结果。黑体辐射源通过液氮制冷与3温区控制实现了100～400 K范围内的温度控制。在真空环境下,测试了其在温度范围100～400 K轴向温度均匀性、底部温度稳定性等技术指标,结果表明均匀性优于0. 120K,控温稳定性优于0. 020 K/20 min;在室温大气环境下,利用基于控制环境辐射的发射率测量方法测量了黑体空腔发射率,空腔法向发射率为0. 9998。采用基于蒙特卡罗黑体发射率仿真计算方法分析轴向温度均匀性对空腔发射率的影响,分析了标准黑体辐射源的不确定度来源,在8～16μm波长亮度温度的合成标准不确定度优于0. 030 K。

2015年7月3日皮山M_S6.5地震热红外亮温异常分析

为了尽量减少地震造成的灾害损失,国内外许多研究人员积极开展地震前兆观测研究,并对地震预测进行探索。自前苏联科学家Gorny等人(1988)发现1984年加兹利地震震前卫星热红外辐射值异常后,震前卫星热红外异常研究得到了迅速发展,成为地震学界和遥感学界共同关心的研究热点,并取得了大量的成果。

基于红外亮温法的对流云云顶高度反演研究

基于Himawari-8的可见光和红外扫描辐射计(AHI)数据,采用红外亮温法对2019年6~8月目标区域(20°N~30°N,100°E~120°E)的对流云云顶高度进行了计算。首先通过阈值法挑选出对流云区;然后基于红外亮温法,利用Himawari-8的11.2μm通道数据与ERA5再分析资料中的温度气压层数据进行了云顶高度反演;最后将反演云顶高度H与全球降水观测计划(Global Precipitation Measurement,GPM)产品数据进行了对比。结果显示,基于红外亮温法的Himawari-8数据反演对流云云顶高度与GPM产品数据一致,具有很好的相关性。相关系数为0.9,均方根偏差为0.29,平均偏差为0.48,纬向的离散分布优于经向,具有较强的适用性。

浙江省及其邻区红外亮温异常与地震关系

选取2006—2013年的FY2风云2号气象卫星热红外亮温夜间数据,采用相对功率谱法进行全时空分析,获得优势频率和幅值。研究每一个频率点的相对功率谱随时间和空间的变化,与浙江省及其邻区17个ML5.0以上地震的三要素关系进行分析,得到如下结果:9个地震前出现热红外亮温相对功率谱异常,前三个特征周期的对应率比后三个特征周期高;在时间上,异常多出现在震前数日至数月,并且较多发生在异常达到最大值后和异常恢复后,少部分发生在异常达到最大值前;空间上,异常的表现为由弱-强-弱-消失的过程,异常形态多为从零星异常演化成团块状或与断裂带走向较为一致的条带状。异常时间、异常幅度、异常开始到地震发生的时间等特征与地震无明显关系。

有云环境下卫星红外波段亮温资料直接同化的进展及挑战

云与高影响天气有着密切的联系,卫星红外波段提供了大量的云区的观测信息,然而云参数的初始误差以及云对辐射过程的非线性影响造成的观测算子模拟误差偏大,并且误差呈非高斯分布给云区卫星红外资料直接同化带来困难。文章针对有云环境下卫星红外波段亮温资料直接同化的关键技术问题,回顾和总结了近二十年来国内外在同化方法、辐射传输模式、控制变量、背景误差、云检测、观测误差设置、质量控制及偏差订正等方面的研究进展。已有成果表明卫星资料直接同化的趋势是在晴空区同化技术基础上进一步补充云雨的信息,完善相应的技术,从而实现“全天候”的卫星资料直接同化。文章指出云区卫星红外资料直接同化在如何构造与云参数相关的控制变量及其背景误差、如何消除云对观测和观测算子的非线性影响等方面面临挑战。随着观测技术、同化技术、模式技术的共同发展,卫星红外资料必然在数值预报领域发挥更大的作用。

红外亮温和云参数信息对降水识别能力的研究

利用卫星可见光/红外资料遥感降水有其独特的优势,依据该资料反演获得的云光学厚度和云滴有效半径被证明能够对降水判别产生明显效应。以现有两种降水云识别方案为基础,进一步考察云顶红外亮温信息的价值,探索了红外亮温、云光学厚度及云滴有效半径综合信息对降水事件的指示能力。选取2006和2007年夏季热带测雨卫星(TRMM)可见光/红外辐射计(VIRS)和测雨雷达(PR)的融合观测资料,以PR探测为真值,采用3种二元预报评价因子对识别结果进行了评估,并与现有降水云识别方案进行了比较。研究表明:由于引入了云顶红外亮温信息,降水云识别能力比仅采用光学厚度和有效半径的方案明显提高。无论陆地还是海洋区域,新增红外亮温信息之后,能够更有效地识别弱降水,出现降水误判和漏判的区域面积比现有方案更小。特别是在洋面上,降水云识别比率达79%,而同时对非降水云的误判率仅为8%,相应其CSI、ETS和HSS因子值明显提升。以此为基础建立的IPCTC方案适用于常见星载多通道可见光/红外探测仪,可应用于卫星实时降水监测。