空天院城市環境遙感團隊地震紅外遙感研究取得進展

近日,中國科學院空天信息創新研究院遙感衛星應用國家工程實驗室孟慶岩研究員團隊,在地震紅外遙感、地震熱異常前兆研究方面取得進展。相關成果以「震前熱異常空間異質提取模型:在中國大陸的應用(Spatially
variable model for extracting TIR anomalies before earthquakes:
Application to Chinese Mainland)」為題,近日在

線發表在領域頂刊《Remote Sensing of Environment》。

隨著衛星遙感技術發展,人們開始利用熱紅外遙感觀測數據及其反演參量對地震前後的熱變化進行檢測與分析,並在大量地震中發現了震前熱紅外或地溫異常升高現象。例如,利用NCEP多層氣溫數據,研究者提取了2014年6.2級魯甸地震的三維熱異常時空變化,研究結果表明,熱異常與震中引潮力變化存在緊密聯系,其發生於地下或近地表,以熱對流形式在底層大氣擴散,呈現出「下大上小」的金字塔垂直結構。

空天院城市環境遙感團隊地震紅外遙感研究取得進展

圖1 魯甸三維熱異常強度隨引潮力變化趨勢

針對於熱異常的機理展開了諸多研究,其中包括「應力致熱說」、「氣熱說」、「P-holes 理論」等。研究者針對於汶川地震的熱異常和甲烷異常之間的關系展開分析,發現甲烷異常在時間上明顯滯後於熱異常,其不大可能是導致地震熱異常的主要原因,而受引潮力調制的地應力變化則很有可能是造成熱異常的直接原因,並給出了熱異常、甲烷異常、引潮力和地應力潛在的物理關系,如下圖所示。

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圖2 引潮力、地應力、熱異常與甲烷異常物理關系

有學者嘗試利用展開長時間統計研究。例如利用Robust Satellite Techniques (RST) 算法對中國四川地區的熱異常進行提取和分析,結果表明該地區的熱紅外異常對於地震的預測性能十分有限。與此同時,國外團隊在希臘地區利用熱紅外異常進行地震預測取得了較好效果。但對該研究進行復演和再分析後發現,混淆了警報預測成功率(PPV)和事件漏報率(FNR)。地震的時空叢聚性和過大的時空預警窗口使得該組熱異常在希臘地區的警報實際上與隨機猜測無異。地震紅外異常研究並沒有通過統計意義上的嚴格檢驗,仍缺乏強有力統計證據證明震前熱異常的存在。

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圖3 希臘地區先驗機率分布

本研究則為熱異常的存在性提出了新的強有力的統計證據。利用NOAA提供的長波輻射數據,結合一種新的3D Molchan diagram,研究者對中國大陸地區的熱異常與近6000個的四級以上地震,進行了為期11年的長時間統計研究。研究證明了地震熱異常與四級以上地震存在顯著的時空相關性。新提出的「加熱核過濾器」(heating core)可有效剔除非震熱異常影響,極大提高地震熱異常信噪比。在基於歷史地震數據的模擬預測實驗中,模型取得了較好的預測結果,具有很好的業務化前景,目前正研究進一步提高其時空預測精度。研究中提出的基於歷史地震頻率和熱異常前兆的混合地震機率預測模型,促進了前兆二元預測向機率預測的有效轉化。

該研究成果為前兆與地震的相關性、基於前兆的地震預測模型研究提供了詳細的技術流程、定量化評估方法和完整的研究範式,可有效遷移到其他前兆研究中,為基於前兆的地震預測業務化提供了原始模型,有助於突破前兆研究的技術與方法瓶頸,並推動地震前兆研究的發展。

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圖4 全局一致參數組訓練結果,紅色為最優參數組

該研究得到國家重點研發計劃「基於地殼形變場、溫度場、流體場耦合的地震監測技術研究」項目的資助。

來源:cnBeta