Time-frequency analysis of the influence of Japan MW9.1 earthquake on regional thermal radiation background field
-
摘要: 一次特大地震会对震中及附近区域热辐射背景场造成较大影响。应用中国静止气象卫星风云二号系列（FY-2C/2E/2F/2G）的亮温资料，通过时频相对功率谱法对2007—2016年（30°N—45°N，135°E—150°E）范围的时频数据进行全时空全频段扫描，得到了2011年3月11日日本MW9.1特大地震的热辐射异常，该异常特征明显且与地震发震构造对应较好。应用时频分析方法分析MW9.1地震对上述扫描区域热辐射背景场的影响，得出2011年的热辐射异常出现时间长、范围大且与其它年份不同，进而得到影响过程的3个阶段（出现—最大—消失）。同时对多尺度相对功率谱处理地震热辐射异常的异同和优缺点进行了对比研究，结果显示6阶小波变换尺度部分经不同窗长的相对傅里叶功率谱处理能更加有效地识别和提取地震热辐射异常信息，研究区域10年间共出现6次热辐射异常，其中两次与2011年地震对应，3次与该区域其它地震对应，仅1次无地震对应。Abstract: A major earthquake has a greater impact on the thermal radiation background field in and around the epicenter. The black body temperature （TBB） data in the region of （30°N—45°N, 135°E—150°E） from 2007 to 2016 which is from the Chinese stationary weather satellite series （FY-2C/2E/2F/2G） was processed using time-frequency relative power spectrum （T-F RPS for short） with full-time and full-band, and we got the thermal radiation anomalies. The result shows that the characteristics of thermal radiation anomalies are obvious and well corresponding to the seismogenic structure of the Japan MW9.1 earthquake on March 11, 2011. In addition, we used the time-frequency analysis method to analyze the influence of the MW9.1 earthquake on the thermal radiation background in the above region. It was found that a long-term thermal radiation anomaly in the region in 2011, which was inconsistent with other years, displayed as three phases from appearance to maximum and then to disappearance. Meanwhile, we compared the similarities and differences of seismic thermal radiation anomalies processed by multi-scale relative power spectrum. It is indicated that the relative Fourier power spectrum with the 6th-order wavelet transform is more effectively with different window lengths to extract and recognize the thermal radiation anomalies. A total of six thermal radiation anomalies occurred in ten years, among which twice occurred in 2011 and three anomalies corresponded to the earthquakes in other years of this area, and the remaining one anomaly had no earthquake to correspond to.
-
-
![]()
图 1 2011年3月11日日本MW9.1地震热辐射异常的时空演化
（小波因子：6阶尺度；傅里叶变换窗长：512天；特征周期：256天）
Figure 1. Spatio-temporal evolution of thermal radiation anomaly caused by the Japan MW9.1 earthquake
（Wavelet factor：6th order scale；Fourier transform window length：512 days；characteristic period：256 days）
![]()
图 2 2011年3月11日日本MW9.1地震热辐射背景场的时空演化
（小波因子：2−7阶带通滤波；傅里叶变换窗长：64天；特征周期：64天）
Figure 2. Spatio-temporal evolution of thermal radiation background field caused by the Japan MW9.1 earthquake
（Wavelet factor：2nd−7th order scale bandpass filtering；Fourier transform window length：64 days；characteristic period：64 days）
![]()
图 3 不同尺度地震热辐射异常特征
图（a）—（f） 的小波因子均为6阶尺度，傅里叶变换窗长分别为512，128，256，256，512和256天，特征周期分别为170，128，128，256，170和128天
Figure 3. Characteristics of thermal radiation anomalies in different scales
In Figs. （a）−（f）， wavelet factors forare all 6th order scale，Fourier transform window lengths are 512，128，256，256，512 and 256 days，respectively，and characteristic periods are 170，128，128，256，170 and 128 days，respectively
表 1 2007年1月至2016年12月研究区MW＞7.0地震参数
Table 1 Parameters of MW＞7.0 earthquakes in the studied area from January 2007 to December 2016
发震时刻
年-月-日东经/° 北纬/° 震源深度/km MW 2009−08−09 137.94 33.17 292 7.1 2011−03−09 142.84 38.44 32 7.3 2011−03−11 142.37 38.30 29 9.1 2011−03−11 141.11 36.28 43 7.9 2011−03−11 144.59 38.06 19 7.7 2011−04−07 141.59 38.28 42 7.1 2012−12−07 143.95 37.89 31 7.3 2013−10−25 144.66 37.16 35 7.1 注：数据引自USGS地震目录 （USGS，2013）。 
下载: 导出CSV
表 2 地震热辐射异常对应表
Table 2 Corresponding table of earthquake thermal radiation anomalies
发震时刻
年-月-日东经/° 北纬/° 震源深度/km MW 异常对应图 2009−08−09 137.94 33.17 292 7.1 图3a，b 2011−03−09 142.84 38.44 32 7.3 2011−03−11 142.37 38.30 29 9.1 图3d，e 2011−03−11 141.11 36.28 43 7.9 图3d，e 2011−03−11 144.59 38.06 19 7.7 图3d，e 2011−04−07 141.59 38.28 42 7.1 图3d，e 2012−12−07 143.95 37.89 31 7.3 图3f 2013−10−25 144.66 37.16 35 7.1 图2e
下载: 导出CSV
-
陈顺云, 马瑾, 刘培洵, 刘力强, 陈国强. 2004. 中国地表亮度温度年变基准场[J]. 地震地质, 26（3）: 528-538. Chen S Y, Ma J, Liu P X, Liu L Q, Chen G Q. 2004. Normal annual variation field of land surface temperature in China[J]. Seismology and Geology, 26（3）: 528-538 （in Chinese）.
陈顺云, 马瑾, 刘培洵, 刘力强. 2009. 中国大陆地表温度年变基准场研究[J]. 地球物理学报, 52（9）: 2273-2281. Chen S Y, Ma J, Liu P X, Liu L Q. 2009. A study on the normal annual variation field of land surface temperature in China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 52（9）: 2273-2281 （in Chinese）.
郭晓, 张元生, 钟美娇, 沈文荣, 魏从信. 2010. 提取地震热异常信息的功率谱相对变化法及震例分析[J]. 地球物理学报, 53（11）: 2688-2695. Guo X, Zhang Y S, Zhong M J, Shen W R, Wei C X. 2010. Variation characteristics of OLR for the Wenchuan earthquake[J]. Chinese Journal of Geophysics, 53（11）: 2688-2695 （in Chinese）.
郭晓, 张元生, 魏从信, 钟美娇, 张璇. 2013. 芦山MS7.0地震长波辐射异常现象[J]. 地震学报, 35（5）: 731-737. Guo X, Zhang Y S, Wei C X, Zhong M J, Zhang X. 2013. OLR anomalies for the Lushan MS7.0 earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica, 35（5）: 731-737 （in Chinese）.
郭晓, 张元生, 魏从信, 钟美娇. 2014. 2008年于田MS7.3和2010年玉树MS7.1两次地震前中波红外遥感异常研究[J]. 地震学报, 36（2）: 175-183. Guo X, Zhang Y S, Wei C X, Zhong M J. 2014. Anomalies of middle infrared brightness before 2008 Yutian MS7.3 and 2010 Yushu MS7.1 earthquakes[J]. Acta Seismologica Sinica, 36（2）: 175-183 （in Chinese）.
刘海燕, 田钢, 石战结. 2015. 几种时频分析方法的比较和实际应用[J]. CT理论与应用研究, 24（2）: 199-208. Liu H Y, Tian G, Shi Z J. 2015. The comparison of time-frequency analysis methods and their applications[J]. CT Theory and Applications, 2015, 24（2）: 199-208 （in Chinese）.
卢振权, 吴必豪, 强祖基, 杜乐天. 2005. 中国近海海域卫星热红外亮温增温异常探讨[J]. 现代地质, 19（1）: 74-82. Lu Z Q, Wu B H, Qiang Z J, Du L T. 2005. Brightness temperature anomalies in satellite-based thermal infrared remote sensing along the offshore China seas[J]. Geoscience, 19（1）: 74-82 （in Chinese）.
马瑾, 陈顺云, 刘培洵, 汪一鹏, 刘力强. 2006. 用卫星热红外信息研究关联断层活动的时空变化—以南北地震构造带为例[J]. 地球物理学报, 49（3）: 816-823. Ma J, Chen S Y, Liu P X, Wang Y P, Liu L Q. 2006. Temporal-spatial variations of associated faulting inferred from satellite infrared information: A case study of the N-S seismo-tectonic zone in China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 49（3）: 816-823 （in Chinese）.
庞锐, 刘百红, 孙成龙. 2013. 时频分析技术在地震勘探中的应用综述[J]. 岩性油气藏, 25（3）: 92-96, 101. Pang R, Liu B H, Sun C L. 2013. Review on time-frequency analysis technique and its application in seismic exploration[J]. Lithologic Reservoirs, 25（3）: 92-96, 101 （in Chinese）.
强祖基, 徐秀登, 赁常恭. 1990. 卫星热辐射异常—临震前兆[J]. 科学通报, 35（17）: 1324-1327. Qiang Z J, Xu X D, Lin C G. 1990. Satellite thermal radiation anomaly: Impending earthquake precursor[J]. Chinese Science Bulletin, 35(17): 1324-1327 （in Chinese）.
强祖基, 赁常恭, 李玲芝, 徐旻, 戈风沙, 柳涛, 赵勇, 郭满红. 1998. 卫星热红外图像亮温异常—短临震兆[J]. 中国科学（D辑）, 28（6）: 564-573. Qiang Z J, Lin C G, Li L Z, Xu M, Ge F S, Liu T, Zhao Y, Guo M H. 1999. Satellitic thermal infrared brightness temperature anomaly image: Short-term and impending earthquake precursors[J]. Science in China, 42（3）: 313-324.
王涛, 孟凡顺, 李洋森, 蓝星. 2013. 不同时频分析方法的精度比较及应用[J]. 海洋地质前沿, 29（3）: 60-64. Wang T, Meng F S, Li Y S, Lan X. 2013. The comparison of time-frequency analysis methods and their application[J]. Marine Geology Frontiers, 29（3）: 60-64 （in Chinese）.
魏从信, 张元生, 惠少兴. 2011. 2009年8月11日安达曼群岛MS7.5地震热红外变化[J]. 地震研究, 34（2）: 153-157. Wei C X, Zhang Y S, Hui S X. 2011. Thermal-infrared variation of MS7.5 Andaman Islands earthquake on August 11, 2009[J]. Journal of Seismological Research, 34（2）: 153-157 （in Chinese）.
魏从信, 张元生, 郭晓, 秦满忠, 宁亚灵, 高见. 2013. 玉树7.1级地震热红外与长波辐射异常[J]. 地球物理学进展, 28（5）: 2444-2452. Wei C X, Zhang Y S, Guo X, Qin M Z, Ning Y L, Gao J. 2013. Thermal infrared and long-wave radiation anomalies of Yushu MS7.1 earthquake[J]. Progress in Geophysics, 28（5）: 2444-2452 （in Chinese）.
魏从信, 张元生, 郭晓. 2014. 中国大陆及邻近海域的中强地震热红外异常研究[J]. 红外, 35（10）: 35-40. Wei C X, Zhang Y S, Guo X. 2014. Study of thermal infrared anomalies of moderately strong earthquakes in mainland and adjacent sea of China[J]. Infrared, 35（10）: 35-40 （in Chinese）.
张猛刚, 洪忠, 窦玉坛, 崔晓杰. 2013. 时频分析在苏里格地区含气性检测中的应用[J]. 岩性油气藏, 25（5）: 76-80, 85. Zhang M G, Hong Z, Dou Y T, Cui X J. 2013. Application of time-frequency analysis technology to the gas detection in Sulige area[J]. Lithologic Reservoirs, 25（5）: 76-80, 85 （in Chinese）.
张璇, 张元生, 魏从信, 田秀丰, 冯红武. 2013a. 云南彝良5.7级地震前卫星热红外异常[J]. 地震工程学报, 35（1）: 171-176. Zhang X, Zhang Y S, Wei C X, Tian X F, Feng H W. 2013a. Thermal infrared anomaly prior to Yiliang of Yunnan MS5.7 earthquake[J]. China Earthquake Engineering Journal, 35（1）: 171-176 （in Chinese）.
张璇, 张元生, 魏从信, 田秀丰, 汤倩, 高见. 2013b. 四川芦山7.0级地震卫星热红外异常解析[J]. 地震工程学报, 35（2）: 272-277. Zhang X, Zhang Y S, Wei C X, Tian X F, Tang Q, Gao J. 2013b. Analysis of thermal infrared anomaly before the Lushan MS7.0 earthquake[J]. China Earthquake Engineering Journal, 35（2）: 272-277 （in Chinese）.
张元生, 沈文荣, 徐辉. 2002. 新青8.1级地震前卫星热红外异常[J]. 西北地震学报, 24（1）: 1-4. Zhang Y S, Shen W R, Xu H. 2002. Satellite thermal infrared anomaly before the Xinjiang-Qinghai border MS8.1 earthquake[J]. Northwestern Seismological Journal, 24（1）: 1-4 （in Chinese）.
张元生, 郭晓, 张小美, 李明永. 2004. 应用静止卫星热红外遥感亮温资料反演地表温度的方法研究[J]. 西北地震学报, 26（2）: 113-117. Zhang Y S, Guo X, Zhang X M, Li M Y. 2004. Study on the inversion method of land surface temperature by applying IR bright temperature data of still satellite[J]. Northwestern Seismological Journal, 26（2）: 113-117 （in Chinese）.
张元生, 郭晓, 魏从信, 沈文荣, 惠少兴. 2011. 日本9级和缅甸7.2级地震热辐射表现特征[J]. 地球物理学报, 54（10）: 2575-2580. Zhang Y S, Guo X, Wei C X, Shen W R, Hui S X. 2011. The characteristics of seismic thermal radiation of Japan MS9.0 and Myanmar MS7.2 earthquake[J]. Chinese Journal of Geophysics, 54（10）: 2575-2580 （in Chinese）.
Gorny V I, Salman A G, Tronin A A, Shilin B B. 1988. The earth outgoing IR radiation as an indicator of seismic activity[J]. Proc Acad Sci USSR, 30（1）: 67-69.
Qiang Z J, Xu X D, Dian C G. 1991a. Thermal infrared anomaly precursor of impending earthquakes[J]. Chinese Science Bulletin, 36（4）: 319-323.
Qiang Z J, Xu X D, Dian C G. 1991b. Impending-earthquake satellite thermal infrared and ground temperature increase anomalies[J]. Chinese Science Bulletin, 36（22）: 1894-1900.
Qiang Z J, Xu X D, Dian C G. 1991c. Thermal infrared anomalies under the non-temperature-increment background and the mechanism discussion[J]. Chinese Science Bulletin, 36（22）: 1901-1906.
Qiang Z J, Kong L C, Zheng L Z, Guo M H, Wang G P, Zhao Y. 1997. An experimental study on temperature increasing mechanism of satellitic thermal-infrared[J]. Acta Seismologica Sinina, 10（2）: 247-252.
USGS. 2013. M9.1: Near the east coast of Honshu, Japan[EB/OL]. [2013−03−11]. https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/official20110311054624120_30#region-info.
Wei C X, Zhang Y S, Gui X, Hui S X, Qin M Z, Zhang Y. 2013. Thermal infrared anomalies of several strong earthquakes[J]. Sci World J, 2013: 208407. doi: 10.1155/2013/208407.
Xu X D, Xu X M, Ma S D, Luo Y. 1995. Preliminary inquiry into the causes of anomaly increase of air temperature by an impending earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica, 8（1）: 149-154.
Zhang Y S, Guo X, Zhong M J, Shen W R, Li W, He B. 2010. Wenchuan earthquake: Brightness temperature changes from satellite infrared information[J]. Chinese Science Bulletin, 55（18）: 1917-1924.
-
期刊类型引用(4)
1. 张丽峰，孙玺皓，马茹莹，赵玉红，胡维云. 2018年青海称多M_S5.3地震前热红外亮温异常分析及预测回顾. 地震工程学报. 2023(01): 153-160 . 
百度学术
2. 刘善军，纪美仪，宋丽美，魏恋欢. 基于改进两步差法的玛多M_S7.4地震微波异常研究. 地震学报. 2023(02): 328-340 . 本站查看
3. 孟亚飞，孟庆岩，张颖，周世健，刘文宝. 基于夜间多时相遥感数据的热异常与地震的相关性. 地震学报. 2021(01): 124-135 . 本站查看
4. 孟亚飞，孟庆岩，周世健，张颖. 基于卫星数据稳健分析技术统计分析新疆地区热异常与地震的关系. 地震学报. 2020(02): 205-215+245 . 本站查看
其他类型引用(4)
计量
- 文章访问数: 1757
- HTML全文浏览量: 1126
- PDF下载量: 70
- 被引次数: 8
