2011, Vol. 54
2010年2 月27 日智利发生8.8 级地震，震中位于南纬35.8°，西经72.7°(据中国地震台网)，震源深度大约35km, 处于纳斯卡板块和南美板块交汇的消减带上.主震之后还发生了大量余震，截止到4月1 日共发生5 级以上余震70 多个，最大余震6.9级(据美国地质调查局).主震和4级以上余震分布见图 1，根据余震分布判断地表破裂超过600km长，130km 宽.
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图 1 2010年智利MS8.8级地震的构造位置 Fig. 1 Tectonic setting of CHILE MS8.8 earthquake |
智利地处板块俯冲边界，西临太平洋海沟，东倚板块碰撞形成的安第斯山脉，是全世界火山地震活动最活跃的地区之一，所处地区板块运动十分强烈，太平洋的纳斯卡板块正以每年8cm 的速度俯冲至南美洲板块西部边缘以下，导致智利中部地区地震活动相当频繁，全球每年记录到的地震有21%发生在智利[1]，其强震活动强度堪称世界之最，这里发生过人类历史上最大的地震---1960 年9.5 级地震[2]，近年智利强震也相当多，1973 以来发生7 级以上强震13次，此次地震产生的破裂带将历史地震破裂带连接起来.另外智利火山也很多，大小火山有上百个.在这样一个安第斯型俯冲带上，强震的孕育会不会导致热异常呢，与2004年印度尼西亚地震海啸前的热异常有什么异同，这是一个值得深入探讨的问题.
地震孕育的过程中震源与外界不断发生物质和能量的交换，其中热能的交换是能量交换的最重要形式.地表热能绝大部分通过辐射、感热和潜热等方式释放.热辐射和潜热交换是主要的能量释放方式，二者在全球的能量释放中分别占41%和45%.地震前热辐射升温的现象已经被气象台站和卫星遥感观测到[3~10].震前地表潜热通量异常是在最近十年才被发现的，Singh[11]和Dey[12]等利用卫星遥感资料研究强震前后的潜热通量变化，注意到沿海地区强震前普遍存在潜热通量异常.陈梅花、邓志辉等[13]发现2004年印度尼西亚9 级地震前出现了显著的潜热通量异常，另外，他们还发现不仅沿海地震前会出现潜热通量异常，在内陆地区，如果震中附近有较多的水体或富含水分的土壤，地震前也可能出现潜热通量异常，如2005 年11 月26 日九江5.7 级地震[14]和2008年5月12日汶川8.1级地震[15].
本文将尝试应用主要由卫星数据反演得到的地表温度和潜热通量资料，探索智利8.8 级地震前后震中周围(西经60°~80°，南纬24°~52°范围内)地表潜热通量的时空变化及可能的潜热通量异常与地表温度变化的关系.
2 资料来源地表温度资料和潜热通量资料由美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP)提供，他们采用了当今最先进的全球资料同化系统，建立了完善的数据库，对各种观测资料(地面、船舶、无线电探空、测风气球、飞机、卫星等)进行质量控制和同化处理，获得了一套完整的诊断资料集[16]，时间从1948年开始直到现在，其中1979 年以后在诊断系统中开始大量应用卫星数据，所以本研究仅选用1980~2010年区间共30年的数据.
3 地震前后潜热通量分布 3.1 空间分布为了深入分析地震前后潜热通量的动态变化，本文对研究区2010年1 月至3 月潜热通量进行了逐日逐点时空扫描分析.扫描以1天为步长，7天为一时段(即窗长)，首先求出研究区内各像点7 天的潜热通量平均值，得到潜热通量的7天均值分布图.潜热通量受到地域、季节、季风、潮汐等因素的影响，相对于震前异常信息而言，这些因素对潜热通量的影响是一个背景噪声.在研究过程中为了尽量降低背景噪声的干扰，作者根据1980年至2009年共30年的资料，分别计算了对应时段各像点的潜热通量多年平均值并加上1 倍标准差，作为相应时段的背景值，各像点的潜热通量平均值与对应时段背景值相减，得到潜热通量均值相对于背景值的增量(ΔSLHF)分布图(图 2).系统分析结果表明，智利8.8 级地震前后出现了三次显著的潜热通量异常，第一次是地震前1 个月(1 月21 日至1 月27 日)，第二次是主震前的2 月21 日至2 月27 日，第三次是强余震前的3月9日至3月15日.
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图 2 智利地震前潜热通量增量分布 Fig. 2 Spatial distribution of ASLHF in the research area |
图 2a是第一次异常时段(震前1个月)的潜热增量分布，这次异常分布范围很小，局限于震中及其东南很小区域，但异常幅值很大，最大增量超过100 W/m2，其他地区潜热通量增量以负值为主，最大增量不超过40 W/m2.图 2b 是第二次异常时段(主震前一周)的潜热增量分布，这次异常出现在海里，呈北西向分布，指向俯冲带.最大增量超过60 W/m2.其他地区潜热通量增量也是以负值为主.图 2c是第三次异常时段(强余震前一周)的潜热增量分布，这次异常区也主要出现在海域，与第二次异常区的位置大体一致，稍稍向北偏转，呈北北西向分布.异常幅值超过60 W/m2.此外，在俯冲带最北段也出现了潜热通量增量高值区，沿俯冲带呈条带状展布.
3.2 时间过程由上文的潜热通量增量时空演化分析发现地震前陆区及俯冲带附近海域都出现了显著的潜热通量异常，为了进一步研究异常的演化过程，本文分别在震中东南陆区和震中西南俯冲带附近海域各取一个观察点，然后，分别作出各观察点在2010年1~3月的的潜热通量日值曲线(见图 3 中的粗实线)，它是从2010年1月1日至2010年3月31日三个月内观察点的潜热通量随时间的变化曲线.考虑到地点和季节性变化对潜热通量的影响，图中添加了两条参考曲线:一条是平均值曲线(见图 3中的细实线)，它是1980~2009年(共30 年)每年1~3 月各天的潜热通量的平均值，该曲线代表了各像素点每天的潜热通量的基本背景；另一条是最大值参考曲线(见图 3中的虚线)，它是由上述30 年同日潜热通量平均值与其1.5倍标准差之和，它被认为是该像素点在正常情况下各天潜热通量受噪音干扰所能达到的最大幅值[12].
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图 3 2010年1~3月震中附近两个观察点潜热通量动态曲线粗实线:日均值；细实线:30年平均值；虚线:最大参考值. (a)陆上观察点；(b)海上观察点 Fig. 3 Curve of the SLHF of two reference points near the epicenter from Jan.1 to Mar.31，2010.Thick solid line:Daily mean value； thin solid line:Average value of 30a； dashed line:Referencemaximum value. (a)The reference point over land； (b)The reference point in the sea |
图 3a和图 3b分别是2010年1~3月震中附近陆区和海域两观察点潜热通量动态曲线，对比上述两个地区的多年平均值曲线(细实线)可以发现，震中附近陆区表面的潜热通量多年平均值总体上较海洋表面低(图 3a)，都在50 W/m2 以下，且变化和缓，从1月到3月呈下降趋势；而震中附近海洋表面潜热通量多年平均值多在50~100 W/m2 之间波动，变化稍大(图 3b).
从上述两个观察点1月到3月份的潜热通量变化曲线看，地震前后它们都出现了潜热通量异常.陆区潜热通量具有很好的年变规律，夏高冬低，但变化幅度不大，每年12 月潜热通量达到最大，1 月份开始逐渐下降，6月份最低.从1月21日开始，原本逐渐下降的潜热通量突然上升，上升幅度达到80 W/m2左右，远远超出最大参考值，这种状态持续7 天，1月27日潜热通量恢复到正常状态(图 3a).海域潜热通量年变幅度也不大，夏秋较冬春季节高，单点突跳多，持续变化少.通过对智利地震前后潜热通量时空演变进一步研究发现，震中附近海表潜热通量在地震前后出现过2次显著变化(图 3b)，第一次发生在2月21日至2月27 日，潜热通量超出多年平均值加上1.5倍标准差，持续7天，刚好是主震前的7天.第二次发生在3月9 日至3 月13 日，持续5 天超出最大参考值，可能是强余震的异常表现.3月11日发生2个7级余震，3月15日又发生两个6级以上强余震，一个为6.1级，另一个是6.7级.
从上述分析可以发现:①智利8.8级地震前后，出现了3次较明显的潜热通量异常，异常时段潜热通量超过平均值与其1.5 倍标准差之和；② 相似于2004年印度尼西亚地震海啸前潜热通量的异常演化特征，异常从弧后向俯冲带迁移[13]，此次智利8.8级地震前潜热通量异常最早出现在弧后火山活动强烈地区(大型火山分布见图 1)，范围小但异常强度大，然后迁移到海域俯冲带附近；③震中附近海域在临震和强余震前都出现了潜热通量异常，主震前异常的范围广，强度大，余震前则范围缩小，强度减弱.
4 地震前后潜热通量异常与地表温度变化的关系已有的研究结果表明，地震前潜热通量异常是震前热异常的一种，它与震前其他热异常的产生既有联系又有区别.地表温度是描述地表热状态最常用的参量，所以本文进一步研究了地震前后潜热通量与地表温度的关系.为了分析对比，本文使用的方法类似于上文计算地表潜热通量增量的方法分别计算了与上述3个潜热通量异常时段相对应的地表温度增量的空间分布，得到地表温度增量(ΔT)分布图(图 4).
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图 4 智利地震前后地表温度增量(ΔT)分布 Fig. 4 Spatial distribution of AT in the research area |
图 4(a、b、c)分别为地震前后3 个时段地表温度增量(ΔT)分布，其中图 4a为第一时段(主震一个月前7天)地表温度增量分布，这一时段研究区的地表温度以负增量为主，而在震中及其东北部地区地表温度却出现了很大异常，其最大地表温度增量超过5℃.这些异常区与板块边界及主余震震中位置具有很好的一致性.图 4b为第二时段(主震前7天)地表温度增量分布，这一时段，整个研究区除了北部和西南角极小范围是正增量外，其余地区都为负增量，说明这一时段地表温度都比背景值低.图 4c为第三时段(强余震前7 天)地表温度增量分布，这一时段研究区也是以负增量为主，只在北部俯冲带附近及西南角出现了小范围正增量.
上述研究表明，智利8.8级地震潜热通量异常的第一时段，震中附近陆区表面也出现了显著的地表温度异常.进一步分析还发现，潜热通量异常与地表温度异常并非完全重合，与一些陆内地震类似，具有空间上互补的特征[14].在潜热通量异常的第二、三时段，整个研究区都没有出现明显的地表温度异常现象.
为了深入揭示潜热通量异常与地表温度异常的关系，在对应于潜热通量分析的震中附近陆区和海洋表面的两个观察点，作者也分析了其地表温度的时间过程.
图 5a是2010年1~3月震中附近陆上观察点地表温度动态曲线，图中粗实线表示2010年1月1日至3月31日地表温度的变化，细实线为多年平均值曲线，虚线是最大参考值曲线(计算方法同潜热通量).由于震中位于南美洲中南部，1~3月在智利属于夏季，多年平均地表温度为20℃ 左右，2010 年1~3月的地表温度大多在平均值上下波动，但1 月21地表温度突然从20℃ 左右上升到27℃，这种高温状态维持到1月27日，持续7天超过最大参考值.
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图 5 2010年1~3月震中附近两个观察点地表温度动态曲线粗实线:日均值；细实线:30年平均值；虚线:最大参考值. (a)陆上观察点；(b)海上观察点 Fig. 5 Curve of the surface temperature of two reference points near the epicenter from Jan.1 to Mar.31，2010thick so lid line:Surface temperature； thin soli d li ne:Average value of 30a； dashed 1 ine:Reference maximum value, (a)The reference point over land； (b)The reference point in the sea |
图 5b 是2010年1~3月震中附近海表观察点海表温度动态曲线.震中附近海表温度夏秋高，冬春低，每年2 月达到最高，之后开始下降，9 月降至最低.从图 5b可以看到，1~3月震中附近海表温度都在多年平均值附近波动，且多在多年平均值以下，地震前后都没出现海表温度异常现象.
上述分析说明，陆上热异常出现在震前1个月，同时表现出潜热通量异常与地表温度异常，二者在空间上互补，时间上一致；海域热异常出现在主震和强余震前的几天内，只表现出潜热通量异常，未见地表温度异常，可能是海域水的热容量较大，不易出现红外温度异常所致.说明热辐射与潜热既有联系，又有区别，研究热红外异常不能代替研究潜热通量异常.
5 结论与讨论综上所述，可以得出如下几点认识:
(1) 2010年2 月27 日智利8.8 级地震及其强余震前出现了三次明显的潜热通量异常.第一次潜热通量异常出现于主震1 个月前，主要分布在震中及其东南的陆区，范围小，异常强度大.第二次潜热通量异常出现在主震前7 天，异常区分布在震中西南的海域，呈北西向分布，指向俯冲带.第三次潜热通量异常出现在强余震前，异常区分布在震中西南的海域及北段俯冲带上.
(2) 相似于2004年印度尼西亚地震海啸前潜热通量的异常演化特征，异常从弧后向俯冲带迁移[13]，此次智利8.8级地震前潜热通量异常最早出现在弧后火山活动强烈地区，范围小但异常强度大，然后迁移到海域俯冲带附近，可能反映了临震前的变形过程.
(3) 当陆区出现潜热通量异常时，也发生了地表温度异常，它们在时间上相伴，空间上互补，但在海域出现潜热通量异常时，却未见海表温度异常，可能是海域水的热容量较大，不易出现红外温度异常所致.
致谢美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心提供了地表温度和潜热通量数据，在此表示感谢.
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