区域红外亮温背景场建立方法及初步应用

本文主要利用NOAA/AVHRR热红外亮温图像建立活动构造区域亮温背景场的方法, 对背景场建立过程中NOAA图像的几何精校正、 云和干扰噪点、 噪线的去除等关键问题进行了分析, 并提出相应的解决方法。 在此基础上, 利用多年的NOAA卫星资料, 建立了首都圈地区(38°～42°N, 112°～118°E)的旬、 月、 年不同时间尺度上的亮温背景场, 并进行了分析。 结果表明, 首都圈地区的亮温背景场变化主要受季节和地形因素的影响, 时间维上整体表现为夏高冬低的年变特征, 符合季节变化规律; 空间维上总体表现为东南部华北平原区亮温高, 西北部随海拔高程的增加而亮温逐渐降低为特征。     

中国地表亮度温度年变基准场

欲从热红外辐射中找到构造活动与地震活动的信息 ,需要考虑 2个基本问题 ,即大气的影响和地表热红外辐射的稳定场。通过以下方面的工作尝试对上述问题进行了研究 :1 )提出了地表亮度温度及年变基准场的概念。 2 )利用NOAA卫星 2 0年的观测资料 ,文中在获得地表亮温 (LSBT)的基础上 ,借用分离窗方法和小波分析方法 ,提取了中国地表亮温的年变基准场 ,为进一步分析异常场打下了基础。计算表明 ,大气的影响一般在± 1 0K范围内     

卫星热红外遥感在火山活动性监测中的应用

介绍了卫星热红外遥感在国内外火山监测研究中的应用现状,结合热红外遥感在地震中的应用成果,对利用卫星热红外遥感监测火山活动的可行性及方法进行了探讨,提出通过火山区热红外亮温旬变、月变和年变模型扣除地形地貌、岩性、植被等地表环境因素的影响,通过火山区和邻近参照区红外亮温差值运算扣除气象因素影响的火山活动性热红外异常提取方法。并以长白山火山为例,利用1999、2003和2004年的NOAA卫星影像资料,对长白山火山及周围地区的热红外影像特征进行了分析解译,对长白山火山区与外围参照区的红外亮温年变差异进行了统计分析。结果表明:1)长白山火山区的红外亮温分布特征在空间上主要受地形控制,总体表现为以天池为中心,向外围逐渐升高的漏斗状,天池则是低温背景上的明显高温标记。在时间上,长白山火山区红外亮温的演变过程主要受季节变化的影响,具有明显的夏高冬低年变特征。2)相对于1999年,2003和2004年长白山火山区均显示出明显的升温趋势,升温幅度可达2K左右。我们认为这可能是近年来天池火山活动性逐年增强的反映。这也意味着利用卫星热红外遥感监测火山活动性将是行之有效的新途径,也是值得深入研究的课题     

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。     

卫星热红外亮温、气温及地温观测的年变变化对比研究

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, 1.5,2 m)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0.2 m地温三者之间呈现很好的相关性．亮温、气温、0.2 m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．      

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     

地震活动热红外异常的影响因素分析

对地表热红外辐射的基础理论和各类地物的热红外辐射特性进行了简略介绍;对地形地貌、地物类型和气象等非震因素对地表热红外辐射的影响及地表热红外亮温的时空变化特征进行了详细的分析;对各类非震因素的去除方法进行了探讨。初步认为,充分研究活动构造区带在各类非震因素影响下的热红外影像特征,掌握无震条件下的红外亮温时空演化过程,建立红外亮温变化的基准模型及各类非震因素的扣除模型,将有可能较好地排除非震因素的影响,检测出与地震活动有关的热异常。     

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.     

基于LST年趋势背景场的地震热异常提取算法

地震发生前普遍存在的热红外辐射异常现象,是当前评估区域发震危险性的重要参数之一。然而,并非所有的地表红外异常都与构造活动或地震有关,如何排除非构造因素对地表热红外辐射的影响,从强噪声背景中提取微弱信号,是当前利用热红外遥感技术研究构造活动的难点。地表温度(LST)背景场是热异常提取的基础,而以往研究中所建立的背景场不能有效反映当年气候变化对其的影响,造成热异常提取精度受限。为此,文中在提取热异常的过程中对背景场进行了改进,结合地表温度时间序列的周期性特征,引入谐波分析,采用傅里叶逼近的方法拟合地表温度离散时序,从中提取其年趋势,建立1个动态的、同时包含局地信息和年际特征的、更加可靠的地表温度背景场;将其引入RST模型,基于"kσ"准则识别地震热异常信息;最终采用异常方向、异常强度和距离指数这3个指标对异常结果进行分析,验证算法的有效性。利用MODIS地表温度产品,基于所提算法对2008年汶川地震进行了再研究,结果表明:1)汶川地震前存在明显的热异常,沿龙门山断裂呈带状分布,持续时间较长;2)发震期无明显的异常现象;3)震后热异常的发生具有循环往复性,但异常幅度和影响范围明显缩小。与传统的空间温度均值RST算法异常提取结果相比,文中方法所提取的热异常在空间分布上与活动断裂带更为吻合,对异常的产生消散过程刻画更加细致,表明以地表温度年趋势作为地震构造热异常提取的背景场更加可靠。     

利用FY-2C资料研究于田7．4级地震前的红外增温异常

利用兰州卫星热红外接收站的风云二号静止卫星资料,经过去云等数据处理,选取热红外数据最佳的北京时间夜间11时至第2天凌晨4时之间的数据作为数据源,对2008年3月21日新疆于田7.4级地震进行了热红外资料的时空分析.研究结果表明,震前1个月内出现明显的亮温异常,最大幅度达18.51°,异常沿断层走向呈带状分布,沿康西瓦断层亮温异常长度可达200多公里,沿阿尔金断层亮温异常可达1 000多公里.     

日本MW9.1地震对区域热辐射背景场影响的时频分析

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M_W9.1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M_W9.1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。      

2010年西藏聂荣MS5.7和MS5.5地震前后热红外异常分析

选取2010年3月24日西藏聂荣M_S5.7和M_S5.5地震前后的中国FY-2E静止气象卫星热红外遥感亮温和长波辐射数据, 对红外辐射数据采用阈值法进行去云预处理, 基于Morlet小波方法计算地震前后的红外辐射功率谱变化, 探讨地震前后红外辐射异常演变规律及特征。 研究结果显示, 西藏聂荣地震前出现了亮温和长波辐射异常增强现象, 并且其异常持续时间和主要异常区域基本一致, 但亮温的异常幅度大于长波辐射的异常幅度。 本研究对于该区域利用热红外遥感数据进行地震研究具有重要的参考价值和意义。     

计算震磁背景场的数学方法

如何计算地磁场 (或地磁剩余场 )及其长期变化的趋势变化 ,是提取震磁异常的关键。文章简要介绍了计算震磁背景场的数学方法 :多项式方法、球冠谐和分析方法、矩谐分析方法和曲面样条函数方法     

A STUDY ON THE ALGORITHM FOR EXTRACTING EARTHQUAKE THERMAL INFRARED ANOMALIES BASED ON THE YEARLY TREND OF LST

There are thermal infrared anomalies(TIA)before earthquake, and TIA has become one of the important parameters for assessing regional earthquake risk. However, not all of the surface infrared anomalies are related to tectonic activities or earthquakes. How to eliminate the influence of non-structural factors and extract the weak signals from strong disturbances is the key and difficult point for tectonic activities studies based on the thermal infrared remote sensing techniques. Land surface temperature(LST)background field is the basis for thermal infrared anomalies extraction. However, the established background fields in previous researches cannot eliminate the influence of climate changes, so the accuracy of thermal anomaly extraction is limited. Now an improved method is proposed. Combined with the periodic character of LST time series, harmonic analysis is lead into the process of LST background field establishment. Specifically, the yearly trend of LST is fitted based on Fourier Approximation method. As a new background field, the yearly trend is dynamic, includes the local and the yearly information. Then, based on the rule of "kσ", the earthquake anomalies, calculated by RST with the yearly trend of LST, can be extracted. At last, the effectiveness of the algorithm can be tested by the quantitative analysis of anomalies with anomaly area statistics, anomaly intensity statistics and distance index statistics. The Wenchuan earthquake was discussed again based on the proposed algorithm with MODIS land temperature products in 2008. The results show that, there were obvious pre-earthquake thermal anomalies along the Longmen Mountains faults with a longer time; but there were no anomalies when the earthquake happened; and the post-earthquake thermal anomalies occurred with much smaller amplitudes and scopes. Compared with the results derived from the traditional RST which is based on the spatial average of LST values, the TIA extracted by the new RST, which is based on the yearly trend of LST, is more fit with the active faults, and the process of the anomalies occurring and removing can be described in more detail. Therefore, as the background field to extract earthquake anomalies, the yearly trend of LST is more reliable.     

Probable satellite thermal infrared anomaly before the Zhangbei M s=6.2 earthquake on January 10, 1998

This paper used the thermal infrared data of the satellite NOAA-AAVHRR of the north part of North China (113°～119° E, 38°～42° N), and processed the remote sensing data through radiation adjustment, geometric adjustment and so on by the software ＂The Monitoring and Fast Process System of Earthquake Precursor Thermal Infrared Anomaly＂, inversed the earth surface temperature. Some disturbances effect had been excluded, and thermal infrared temperature anomaly had been extracted by the picture difference method. The Zhangbei MS=6.2 earthquake is used as the example in the paper, so that in the paper thermal infrared characteristics on time-space before earthquake and the relationship between the anomaly and the earthquake prediction have been summarized.Within more than ten days before the Zhangbei earthquake, the thermal infrared anomaly had emerged widely along Zhangjiakou-Bohai seismic belt, and the anomalous region seemed like a belt and it is also consistent with the tectonic background there; the anomaly expanded from the outside toward the earthquake focus, but the focus lay at the edge of the thermal infrared region. So it is possible to explore a new anomaly observation method for earthquake prediction by observing and studying the satellite thermal infrared anomaly before big earthquakes happen.     

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。     

川滇地区长波辐射场变化与地震活动关系研究

2007年6月3日宁洱6.3级地震发生之前, 在川滇地区(20°～35°N, 95°～110°E)出现了一次显著的OLR短期和临震的异常增强现象。 对该区多年来OLR场的连续变化分析表明, 这种增强现象在强震多发年与平静年有明显的差异, 其中在地震多发年OLR数值场不仅为正距平, 而且震前短期大多增强幅度大; 而在地震平静年OLR数值场变化则多为负距平且波动小。 上述结果对今后应用卫星遥感长波辐射信息跟踪监视和预测强震有启示性意义。     

2018年2月台湾花莲震群热红外遥感亮温异常分析

应用中国静止气象卫星FY-2G的TBB产品为基础数据,针对2018年2月上旬台湾花莲附近海域震群前出现在震中及附近区域的显著热红外异常,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：花莲震群热红外异常范围主要分布在震中SW区域,震前约8个月出现功率谱增强现象,随时间推移,异常范围延纵谷断裂带逐渐扩大,持续近2个月,最大异常幅度超过14。     

2013年甘肃岷县漳县6.6级地震前热红外异常分析

应用中国静止气象卫星FY-2E红外遥感资料对2013年甘肃岷县漳县6.6级地震前的热红外异常信息进行研究,结果表明：由地震黑体辐射热异常时空演化图分析知,中强地震前,往往会有较大范围的热异常演变,热异常大面积沿断层分布,震中位置往往位于边界或热异常变化最大处.对比实时的长波辐射涡度场变化,能更好的对应未来地震的发震区域,涡度异常经常分布在震中边界.     

亚失稳阶段雁列断层热场演化的实验研究

寻找地震前兆是国内外地震预报的难点.在实验室开展岩石变形实验,观测相关物理量的演化特征和规律,是前兆探索中重要的基础工作.本文对压性雁列断层进行变形实验,根据应力时间曲线将具有前兆意义的变形阶段分为强偏离线性阶段、亚失稳阶段和失稳阶段,利用红外热像仪记录各个阶段的热场变化,特别是亚失稳阶段的热场表现.研究结果显示:强偏离线性阶段,岩桥区挤压升温;亚失稳阶段,断层带增温,且高温点扩展连通,断层带内侧卸载降温,断层带上的协同化增温和断层带内侧(包含岩桥区)的协同化降温是失稳前的重要信号;失稳阶段,应力释放,标本整体降温,只有断层带因摩擦升温.总之,亚失稳阶段的热场具有明显特征,利于识别出亚失稳态;不同变形阶段、不同构造部位温度变化不同,在寻找与构造活动相关的热异常时,应考虑变形所处的阶段及异常所处的构造部位.