天山中东段中强地震与地面气温的关系研究
第41卷第3期 2021年7月
地 震
E A R T H Q U A K E
Vol. 41. No. 3
Jul., 2021
cbi: 10. 12196 j. issn. 1000-3274.2021.03. 014
天山中东段中强地震与地面气温的关系研究
卢显1，耿飞2，张晓东3，孙珂孟庆岩％闰伟1
(1.中国地震台网中心•北京100_045; .2.南京信息工程大学江苏南京2100_44; 3.中国地震局
地震预测研究所•北京100036; 4.中属科学院空天信息创新研究院.北京100094)
摘要：通过对中国国家级地面气象站的每日最低地面气温数据进行预处理，应用K值偏移指数
方法对i除研究区域多年背景信息及历史地芘影响的地而气温数据进行H••常特怔提取.获得
天山中东段每日地面气温特征变化信息，构建该区域2015—2017年的每日地面气温特征信息
库，研究其时空变化规律，并进行回溯性地震检验，得到地而气温高值异常时段的有震对应概
率.以及中强以丨•.地谋前)Ti的地面气温变化规律。本研究对新躺地K的地误顶测_A有一定的参
考意义。
关键词：丨家气象站：地面气温：偏移指数：天山中东段：地店
中图分类号：P315. 7 文献标识码：A文章编号：〗000-327.1(2021 )03-0192-10
引言
地震灾害是中国面临的重大自然灾害之一。中国大阽大部分地区位于地震烈度V I度以 上区域.50%的国土位于\丨|度以上地震高烈度区域。天山山脉叫起尚乌拉尔111.经过中国 新疆中部及甘肃叫部进人蒙古国.走向NWW.全长约3000多km。天山位于准噶尔盆地、塔里木盆地之间.东部被吐哈盆地所限制，是中国内陆地震活动最为强烈的地区之一，许 多地球科学工作者对天山及相邻地区开展过研究:1〃。2015 -2017年，新疆地区的5级以 上地震多发生在天山中东段地区；因此.针
对该区域开展相关的地震监测研究，具有非常 重要的意义。另外.针对地震这一复杂的地壳运动过程.地谟监测有多种前兆观测手段，如地下井水温、水位、伸缩仪等。监测地下井水温需要建立深井测站，目前除一些人口稠 密地区外，深井测站的分布不均匀.难以满足探测地震活动的U,：要。地面气温研究利用中 国成熟的地面气象站基础•其数据更新及时.可以弥补深井探测的不足。目前，中国国家 级气象台站存2472个.本文研究区域共有21个气象观测台站.分布较为均匀（图1).能 够有效地反映研究区域的地面气温变化情况。W此.利川地[flf气温数据构建每日温度特征 信息库.开展每H地面气温变化特征提取跟踪研究.并进行H溯性地震对应检验.可以为
>收稿日期：2020-08-1.U修改回日期：202卜01-12
基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（.11704062)：国家車：点研发计划项H(2019YF(；1509202, 2017YFC15 00502-05. 2016Y F E0122200)：中国地震局震情跟踪定向丄作任务项目（2021010509)作者简介：卢显（1985-)•女.山东聊城人.博士，高级工程师.主要从事.11星遥感应用和地震预报研究。
3期 卢显等：天山中东段中强地震与地面气温的关系研究 193
天山地区地震监测预测提供一定的参考依据6
利用气象数据的地震预测研究开展较 早，唐山地震前地温突升现象就是典型的 浅层地温突升震例:•除唐山地震外.1969年7月18日渤海大地震前3天地温 也出现了突升现象。王林瑛等「6]曾使用河 北北部和辽宁东部26个气象站近17年的 浅层地温观测资料对1976年7月28日唐 山Ms 7. 8地震和1975年2月4日海城
iW s 7. 3地震进行研究，发现震前均有升温
现象。张治洮7：发现在1990年4月26日 青海共和0地震前地面温度也有升高 的现象。闵文彬等[8]通过对汶川特大地震 前后的地面温度变化进行分析，发现2008 年5月除降水日外.重灾区日平均地面气 温比近30年的日平均气温高。陈顺云等^在鲜水河断裂带建立了无线地温遥测台 网，在2013年4月20日芦山Ms7. 0地震
前后，发现康定地温与台站周围小震活动具有良好的对应关系。Zoran 11利用MODIS
(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)与 AVH RR(Advanced Very High Reso- lution Radiometer)的LST(Land Surface Temperature)数据以及当地的平均气温数据对罗
马尼亚较强地震进行计算研究，发现在地震前存在温度升高的现象。Z h an g 等:11-利用M()-
D I S 地表温度数据计算了 2013年11月22日松源地震的地温.发现在地震前地温升高异常
现象。Bellaoui 等W 利用M O D IS 的L S T 图像和地震附近气象站气温监测数据进行对比综 合分析•证实地表温度可以作为震前异常的重要监测手段。
目前，利用遥感卫星开展地震前后热异常的研究已经取得较好的成果.地面气温数据 研究可以为遥感热监测结果提供检验和验证，属于多源数据、多区域天地耦合性综合研究 中的一种.可以加强遥感地震探索的定量化分析。
本文基于中国国家级地面气象站的每日最低地面气温数据分析天山中东段的地面气温 变化情况.探讨天山中东段中强以上地震发震与地面气温之间的关系。
1研究区域及数据资料
地表是大气圈和岩石圈能量交换的地带.其温度受地下上升热流和太阳辐射的共同作 用。在孕震过程中.地壳深处热流的变化可能影响到地面温度。中国气象站的温度测项. 大都包括温度计置于离地面1. 5 m 高的温度、0 m 地温、地下深度依次为5 cm 、10 cm 、 15 cm 、20 c m 和40 c m 的浅层地温等。本文所选用的地面气温数据是基于中国国家气象信 息中心整编的国家级地面气象站基本气象要素资料中的距地面1. 5m 高度处的温度。利用 薄盘样条法并结合相关资料（分辨率为〇. 05°X 0. 05°)重釆样处理后得到的中国0. 5°X 0. 5° 的数字高程模型，再进行空间插值，建立]961年1月以来的日值温度数据资料一
中国地
图1
新疆地区国家气象台观测站分布
Fig. 1
National meteorological stations in Xinjiang,
China
191地 震11 #
82。E
ifTC 温日值〇. 5° X  0. 5°格点化数据
集1。气象站地面气温数据资料的存储 格式为A R C G I S 标准格式，保留
1
位小
数.经纬度单位为度.格点数据的气温 1 丫1.位为摄氏度。综合考虑去除太阳辐射 影响的;S 求以及稳定性双重因素.本文 选取了 2000—2017年共18年的凌晨每
lliti 低温度数据做背景值计算进行研究。
另外.为了降低研究时段内历史地震对 温度波动的影响.本文在背景值计算中 上-除广18年研究期内所有iW s >5. 0地 旗的发谟月原始数据。
对2015年1月1日至2017年12月 31 I 丨大山中东段Ms >5. 0地震（图2)与 地1(11'气温变化之间的关系进行详细分析，研究区域为40°N 〜46°N , 81°E 〜89°E 。天山中东段在2015—2017年内曾多次发
生5级以丨：地震，是新疆中强以丨•.地震的主要活动K 域•也是断裂构造活动非常强烈的地
40。
图2
天山中东段201「) j2_0.17年M s5. 0以丨•.地震分布Fig. 2 M s^5. 0 carthcjuakes in the central and
eastern of Tianslian fro m  2015 to 2017
K 之一，丨。
2研究方法
首先进行数据的下载和预处理工作。下载研究时段内的每日最低地面气温数据.通过 插值和平滑处理后.截取研究区域内的
温度数据作为研究数据。将预处理后的地时A X 温数 据按时NU 1类进行计算。地面上同一地点历年同时期的溫度虽不尽相同，但由于季V /的变 化.温度只能在一定的范围内波动1 ；因此.背景伉"T 以通过同一点多年同时相地而气温 的平均值和标准差来描述。根据不同年份的地面气温相对于背景值的偏移量，即m J •进行异 常判別。
M —点多年同时相地面气温的平均值和标准差."丨以川来描述研究区域地而气f i 的正 常动态背景。基于气象站数据进行地面气温特征提取.具体采用K 值偏移指数方法11 •这
种方法能够反映当日温度监测值相对于历年同时期背景温度的偏移量，此偏移M 能够作为 异常的表征M 。
f 先求出研究区某点位置U w )处在第？天.V 年内的温度平均值。设N 为b ]•用数据年
限.若+去除历史地震发震月的原始数据，N 应取值18.即共18年的背景数据。实际.V  为上•除研究时段内Ms >5.0地虞发震月后，可用的数据年限。T ,(_r , _y ,〖）为研究区域某点 位置(•< . >〇处在第'年的第/天的温度观测值，7'(.r , > 为研究区某点位置(u )处在第
/天/V 年内的温度平均值，即历年丨"1期地面平均温度值。作为研究的背景数据，7'(_r .
/)
可由下式求得。
,、
T, (.r, v ，/) + 7\. (.r, y,
/) + ••• 4- T, (.r,
v.
t )
1
^
.
、
(1)唐山地震是哪一年哪月
3期卢显等：天山中东段中强地震与地面气温的关系研究 195
再求出研究区域某点位置y)处在第？天N年内的标准差ff(x，>标准差是方 差的算数平方根，能够反映一个数据集的离散程度。<r(：r. _v，f)的计算公式为
心，>y-{) ~T(j-,3<,/)]2(2)
上述两个参数可用来描述研究区域地面气温变化的正常动态背景… K被定义为地面气 温偏移指数，表征不同时间地面气温相对于背景值的偏移量，K的表达式为
K=T,(x.y,t) —T(x, y,t)⑶
(j(xj y» t)
3结果与分析
对2015年1月1日至2017年12月31日的每日气象站地面气温数据进行K值偏移指 数提取研究及分析，共得到天山中东段区域地面气温计算结果900多个，构建了该地区的 地面气温特征变化信息集。基于日地面气温计算结果，对研究区域的中强以上地震前后地 面气温变化、地面气温异常时段与中强以上地震的对应关系进行统计分析。
3.1天山中东段中强以上地震前后地面气温变化
对天山中东段中强以上地震前后的地面气温变化进行特征分析，分别从异常在震前几 天出现、异常时段、持续时间等方面分析其时间变化规律。选取Ms5.0以上地震进行研 究，天山中东段在研究时段内共有7以上地震（表1)，分别对地震前后的地面气 温变化进行分析，结果发现这7例地震中.有5例地震在发震前后40 d内出现了明显的地 面气温增强现象。没有出现地面气温变化的两例地震分别为2015年2月22日的塔城沙湾 Ms5.0地震和2017年9月16日的阿克苏库车Ms5. 7地震。异常变化的时间尺度来看，这 5次地震前后地面气温异常的变化规律不尽相同，但都是在地震前40 d内出现地面气温增
表12015年1月1日至2017年12月3丨日天山中东段Ms5.0以上地震地面气温变化Table 1The LST change of Ms^5. 0 earthquakes in the central and eastern of
Tianshan from 2015 to 2017
序
地震震中震前几天异
地面气温异常时段/d
异常持续震源深度
号北纬八°)东经/r i常出现/d时间/d/k m
1
2015年2月22日
塔城沙湾M s5.0地震
44. 1485. 6710
2015-02-12—
2015-02-13
24
2
2015年6月25日
吐鲁番托克逊M s5. 4地震
41. 6788.360
2015-06-25一
2015-06-27
39
3
2016年1月14日
巴音郭楞轮台M s5. 3地震
42. 1984. 1238
2015-12-07—
缺原始数据至2016-猶-10
5
4
2016年2月11日
伊犁新源M s5.0地震
43. 5582. 5512无异常8
5
2016年12月8日
呼图壁M s6.2地震
43. 8386.355
2016-12-03-
2016-12-16
146
6
2017年8月9日
博尔塔拉精河M s6.6地震
44. 2782. 8932
2017-07-08 —
2017-07-11
411
7
2017年9月16日
阿克苏库车M s5.7地震
42. 1183. 43无异常
196地 篇11雈
强现象。其中，增温持续时间从2〜11 d不等.说明气象站地面气温异常变化与红外辐射 片常变化结果略有差异.以往红外辐射异常变化大部分具打沣常出现逐渐增强发谨 逐渐减弱异常消失的规律，时7(象站地面气温有时会在震前突然出现持续几天的大面积 增温异常现象。空间分布上看，地震前出现的地面气温异常区域范围大小不一，但地震多 发生/K异常区域内部或者附近.异常区域基本都沿着天山地震断裂带展布，集中分布在天 山断裂带中东段及邻近区域，说明地面气温增温现象与断裂带构造及其应力变化具有一定 的相关性。
以2017年8月9日精河M s6.6地震为例.2017年6月10日至7月7日研究区范围内 没有任何异常，7月8日在震中西南出现小面积的地面气温增强现象，7月9日增温面积变 大，并且蒗盖了精河iWs6.6地震震中及附近区域.高温异常持续到7月10日•之后研究区 域的地面气温恢复正常（图3)，8月9日发生iWs6.6地震。
图3 2017_年8月9丨1精河M s6. 6地_前地面1温变化
Fig. 3 The I.ST change of August 9'1'. 2017 Jin^lu- M s6. 6 earthquake
为r更有效地分析研究K地谋前后地面气温的变化情况•取2017年8 9丨〗精河Ms6.6地谟震中附近点m°N,82°K)的地面气温K值i卜算结果进行长时间序列研究（图4)，结果显示，2017年6月1H至2017年12月31日期间，唯一超过阈值线的异常发生在 2017年7月9日左翁，8月9 FHH研究区域内发生吣6. 6地震，与图3地面气温变化~■致。
3.2天山中东段地面气温异常时段研究
结介天山中东段Ms5.0以丨：地谟.对该区域的地面气温沣常有效对应率进行f统i 分析.研究发现Ms5.0以丨•.地皮地而气温异常的相关性较好。表2展示了 2015年1月1丨丨至2017年12月31日.研究K域出现的所有地面气温异常时段.共有10段地丨〖|丨气温异

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