中国大陆地震卫星热红外异常的亮温背景场研究

论文摘要

物体的亮度温度是指辐射出与观测物体相等的辐射能量的黑体温度。卫星红外亮温是利用星载传感器收集、记录地物的热辐射强度数据,根据黑体辐射的定律计算得到的亮度温度。自1988年前苏联的B.И.ΓΟΡΗЫЙ等人首先发现了地震前卫星热红外异常以后,国内外许多学者分别在这一领域进行了大量的研究探索。目前很多学者都是利用增温来提取震前红外异常,但是卫星红外亮温是地表诸因素热辐射的综合反映,它受到季节、高程、纬度和植被等诸多非构造因素的影响,在正常（无震）情况下亮温也是不均匀分布的,仅凭遥感图像上亮温的高低无法确定是否存在异常,更难分清构造异常与非构造异常。异常的判定必须建立在了解正常背景的基础上。因此,研究正常情况下亮温的变化规律,即亮温背景场动态,是必要和迫切的。目前对卫星红外亮温背景场的研究多是围绕个别震例,为了提取地震前红外异常的需要而进行的。不同的作者、针对不同的地震,为了达到提取和突出热异常的目的,可能使用非常不同的红外亮温背景场,对其物理含义、时空变化规律和影响因素不甚了解,导致异常分析结果非常混乱,难于给出正确的评价。产生上述混乱的原因之一是目前对卫星红外亮温背景场进行系统研究还很少。人们对地震红外异常研究已有十多年了,已经积累了一定的震例和资料,也发现了大量的问题,现在应该是深入研究背景场的时候了。针对以上问题,本文对中国大陆地区卫星红外亮温背景场及其影响因素进行了比较系统的研究,主要包括以下三方面的内容:一、中国大陆卫星红外亮温背景场的分布规律研究本文以2000年7月至2001年6月每天下半夜GMS-5卫星观测图像为资料,分别计算每月最大值和平均值作为中国大陆当月红外亮温背景场,并将二者进行对比分析。分析结果表明:每月中国大陆红外亮温背景场的分布主要受高程和纬度的控制,纬度越大亮温越小,地面高程越高亮温越低,但不同月份亮温变化特点又存在差异。在冬季1月份亮温等值线总体上呈东西向展布,亮温值南高北低,主要受纬度控制;从1月到7月,亮温等值线逐渐由东西向转为南北向展布,即由纬度控制为主转为高程控制为主;在夏季68月份主要受地面高程控制,同时受到纬度的影响,青藏高原亮温最低,其它地方较高;由7月到第二年1月,亮温等值线逐渐由南北向转为东西向展布,即由高程控制为主转为纬度控制为主。这一结果说明,在进行卫星热红外地震异常图像识别时,夏季要尽量避免由于高程因素导致亮温异常分布的错觉,冬季要多考虑纬度因素对亮温分布的影响。对每月最大值和平均值的差值进行分析可知,夏季7月份与冬季1月份相比,绝大多数地区,特别是新疆、华南和川滇地区,差值显著增加,说明夏季的多云多雨天气对红外亮温产生了很大的影响,在夏季进行卫星热红外地震异常分析时,使用平均值做背景要更加慎重。二、中国大陆卫星红外亮温与地面高程的关系研究本研究在前文每月亮温最大值背景场分析的基础上,根据活动地块和亮温分布的特点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,分别研究了各个地区红外亮温与地面高程的关系,并与前人对气温直减率的研究结果进行对比,讨论了亮温背景场的其他影响因素和异常识别应注意的问题。本文把地面高程每增加100m亮温降低的幅度称为亮温梯度,系统研究结果表明:（1）各个地区亮温梯度全部都小于前人根据气温资料计算得到的气温直减率（0.64oC/100m）,而且在绝大多数情况都小于0.4oC/100m,变化范围主要集中在0.15-0.35oC/100m之间,也小于前人对我国气温直减率的研究结果（0.35-0.53oC/100m）。亮温梯度小于气温直减率的原因可能是由于大气对地面辐射的吸收衰减所致,下部辐射经过的大气层厚度大于上部辐射经过的大气层厚度,吸收衰减较多,导致亮温梯度减小。这一结果说明,卫星红外亮温与地面温度是有差异的,大气对卫星红外亮温的影响是很大的,进行卫星热红外地震异常分析时不能忽略大气因素的影响。（2）绝大多数地区亮温梯度总体上表现为夏大冬小的特点。这是因为我国大部分地区冬季都受到冷空气影响的结果。这说明,在进行卫星热红外遥感图像分析时,风也是影响热异常的重要因素。（3）不同的地区、不同月份亮温梯度总体趋势相似,但又存在细节上的差异。三、中国大陆卫星红外亮温与大地热流的关系研究大地热流是地球内部热能传输至地表的一种现象,它是地球内部热作用过程最直接的地表显示,其中蕴含着丰富的地质、地球物理和地球动力学信息。大地热流值是单位时间内由地球内部通过单位地球表面散失的热量。本文试图通过分析热红外亮温与热流值的关系,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。为了尽量消除高程、纬度、植被等复杂地理因素的影响,研究中以前文计算得到的每月亮温最大值为基础,把一年中相邻月份的亮温差值作为分析对象,分别统计各构造分区内（西北、青藏、川滇、东北、华北和华南）各大地热流值区域（40-50、50-60、60-70、70-80和80-90mW/m2）的月亮温差值的平均值,研究月亮温差值与热流值的关系。研究结果表明:（1）不同地区月亮温差值不同,东北地区最大,西北、华北、青藏、华南、川滇依次减小,反映出不同地区季节性温差的不同,北方大于南方,温湿的川滇地区温差最小。（2）大多数地区月亮温差值总体上随热流值的升高而降低。热流值大的地区,亮温受气温变化影响小,温差变小;而热流值小的地区,亮温受气温变化影响大,温差则相对增大。（3）只要地震引起的热异常足够强,范围足够大,天空晴朗,卫星红外传感器是有可能观测到的,如果地震引起的大地热流值异常增量超过100 mW?m-2,有可能产生卫星红外亮温超过3℃的异常。通过上述研究工作,论文主要取得了以下几个方面的进展:（1）系统研究了中国大陆卫星红外亮温背景场的时空变化规律,发现高程和纬度在不同季节对亮温控制和影响作用是不同的。（2）首次提出了亮温梯度的概念。亮温梯度定量描述了亮温与高程之间的关系。本文对中国大陆不同地区的亮温梯度进行了系统的研究,发现各个地区亮温梯度都小于气温直减率,并且总体上具有夏大冬小的特点。（3）首次研究了亮温与大地热流的关系,初步论证了卫星红外遥感是有可能观测到范围大、热流高的地震热异常,并且给出了大地热流值增加100 mW?m-2可能产生红外增温超过3℃的半定量结果。最后,本文对研究中存在的一些问题进行了分析讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 遥感及其特点
• 1.2 应用卫星遥感技术研究地震前的热异常
• 1.3 卫星红外亮温背景场的研究
• 1.4 存在的问题
• 1.5 研究内容
• 第二章 卫星遥感热辐射的原理
• 2.1 热辐射原理
• 2.1.1 黑体辐射
• 2.1.2 真实物体的辐射
• 2.1.3 亮度温度
• 2.2 卫星热红外遥感
• 2.2.1 大气效应与大气窗口
• 2.2.2 热红外遥感的波段选择
• 2.2.3 卫星热红外图像的特点与解译
• 2.2.3.1 热红外图像的特点
• 2.2.3.2 热红外图像成像时段的选择
• 2.2.3.3 热图像的解译
• 第三章 中国大陆卫星红外亮温背景场
• 3.1 研究资料
• 3.1.1 气象卫星简介
• 3.1.2 GMS-5
• 3.2 研究方法及结果
• 3.3 结论及讨论
• 第四章 中国大陆卫星红外亮温与地面高程的关系
• 4.1 研究资料及方法
• 4.2 研究结果
• 4.2.1 亮温分布
• 4.2.2 亮温梯度
• 4.3 结论与讨论
• 第五章 中国大陆卫星红外亮温与大地热流的关系
• 5.1 中国大陆热流分布规律
• 5.2 研究思路及方法
• 5.3 月亮温差值与大地热流的关系
• 5.3.1 不同地区月亮温差值的时间分布
• 5.3.2 月亮温差值与大地热流关系
• 5.4 结论与讨论
• 第六章 主要结论及存在的问题
• 6.1 主要结论
• 6.1.1 中国大陆卫星红外亮温背景场的分布特征
• 6.1.2 中国大陆卫星红外亮温与地面高程的关系
• 6.1.3 中国大陆卫星红外亮温与大地热流的关系
• 6.2 存在的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介