（计算机软件与理论专业论文）地震分析预测模型及平台研究与实践.pdf

地震分析预测模型及平台研究与实践 摘要 自1 9 8 8 年前苏联学者g r o n y 发现地震前在( i 0 5 1 2 5um ) 热红外增温异常现 象后，使利用卫星遥感技术捕获震前热异常信息、预测地震成为可能。本文优选美国 国家环境预测中心的多源数据，提出了采用区域差异性混合插值算法思想来实现对数 据进行处理，更好地解决了传统卫星热红外观测过程中受云层干扰、无法连续监测地 表温度变化的问题，实现了对震前异常增温的有效监测；同时利用天体引潮力周期的 计算模型，提取出天体引潮力的周期，解决了在以往研究过程中热红外异常增温多旋 回的问题，在此基础上，开发一个地震前的异常增温分析平台，给出了总体开发方案、 关键技术以及实现方法。 本分析平台采用v i s u a lc + 十来进行开发，在g r a d s ( g r i da n a l y s i sa n dd i s p l a y s y s t e m ) 环境下对多源数据的格式进行提取，然后按照提取的格式来读取数据，在基 于天体引潮力计算模型的前提下，利用提出的区域差异性混合插值算法思想实现了对 数据的优化处理，并对所研究地区的地表温度差采用颜色来显示，以颜色的像素值来 替换温度值，以达到更直观地观测震前异常温度的效果。 考虑到震前异常增温具有其特定的空间分布特征，地震分析预测模型及平台的开 发，实现了经纬线网格的叠加、城市标志位添加，从而实现了对震前异常增温的空间 分析，满足了在宏观上监测特定断层活动的需要，并实现在时域上对震前异常增温的 监测。 使用本平台来对2 0 0 6 年7 月4 日河北文安地震和2 0 0 8 年5 月1 2 日汶川地震作 为实例进行了验证，结果显示：震前异常增温现象明显，且在时域上与天体引潮力变 化对应良好，初步研究与探索表明该平台可满足震前异常增温研究的基本需要。 关键词：异常增温图像；地震预测分析平台；地震预测 t h em e t h o da n dr e s e a r c ho nt h em o d e la n dp l a t f o r mc o n s t r u c ta b o u t t h ee a r t h q u a k ef o r e c a s t a bs t r a c t a f t e rf o r m e rs o v i e tu n i o ns c h o l a r - g r o n yd i s c o v e r e dt h ep h e n o m e n o nt h a ta b n o r m a l t h e r m a li n f r a r e di n c r e m e n t ( 1 0 5 1 2 5 p a n ) b e f o r et h ee a r t h q u a k ei nt h ey e a ro f1 9 8 8 ，i t b e c a m ep o s s i b l et of o r e c a s te a r t h q u a k ew i t hr e m o t es e n s i n gs a t e l l i t et e c h n i q u e u s i n g n a t i o n a lc e n t e r sf o re n v i r o n m e n t a lp r e d i c t i o n sd a t ac o u l de l i m i n a t et h ec l o u d si n f l u e n c e w h i c hr e s u l t sw ec o u l d n to b s e r v et h et e m p e r a t u r e sc h a n g e ，a n di tc o u l do b s e r v et h e a b n o r m a lt e m p e r a t u r e si n c r e m e n te f f e c t i v e l y c o m b i n i n g 、析t ht h ec e l e s t i a lt i d e - g e n e r a t i n g f o r c ec o m p u t i n gm o d e l ，t h i sp a p e rp r o v i d e sam e t h o dt oe x t r a c tt h ep e r i o do ft h ec e l e s t i a l t i d e - g e n e r a t i n gf o r c e ，a n dd e v e l o paa n a l y s i sp l a t f o r mf o ro b s e r v i n gt h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r e sa b n o r m a li n c r e m e n t ，i ta l s op r o v i d e st h ed e v e l o p m e n t sb l u ep r i n t ，k e y t e c h n o l o g i e sa n dt h em e t h o do fa c t u a l i z i n g t h i sp l a t f o r mi sd e v e l o p e db yv i s u a lc + + l a n g u a g e a f t e re x t r a c t i n gt h ed a t a f o r m a t 、析t 1 1g r a d s ( g r i da n a l y s i sa n dd i s p l a ys y s t e m ) t h e nr e a dt h ed a t aa c c o r d i n gt h ef o r m a tw e g e ta n dd i s p l a yt h et e m p e r a t u r ei nt h ef o r mo fc o l o r , s ow ec a nw a t c ht h ea b n o r m a l t e m p e r a t u r ei n c r e m e n td i r e c t l yf r o mt h ep i c t u r e s t h ea b n o r m a li n c r e m e n to ft e m p e r a t u r eh a si t so w ns p a t i a lc h a r a c t e r s ，s ot h i s p l a t f o r mo v e r l a y st h e 面do fl o n g i t u d ea n dl a t i t u d el i n e so nt h ep i c t u r e sa n da d dt h ec i t y , i n t h i sf o r mw ec o u l dr e a l i z et h es p a t i a la n a l y s i so fa b n o r m a lt e m p e r a t u r e si n c r e m e n ta n d s a t i s f y t h eb a s i c a la c q u i r e m e n to f o b s e r v i n gs p e c i a lf a u l t a g e sm o v e m e n t t h i sp l a t f o r mi su s e dt oa n a l y s i sw e n a na n dw e n c h u a ne a r t h q u a k e ，t h er e s u l t sa r ea s f o l l o w s ：t h ea b n o r m a lt e m p e r a t u r ei n c r e m e n ti so b v i o u s a n di tm a t c h e s 、i t l lt h ec e l e s t i a l t i d e - g e n e r a t i n gf o r c e sc h a n g ei nt h et i m ed o m a i n t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep l a t f o r mc a n s a t i s f yt h e r e s e a r c h sb a s i c a la c q u i r e m e n t k e yw o r d s ：a b n o r m a lt e m p e r a t u r ei n c r e m e n ti m a g e ；i m m i n e n te a r t h q u a k e f o r e c a s t ；e a r t h q u a k ef o r e c a s tp l a t f o r m i i 浙江师范大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机 构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在 论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者签名：阉彼日期： 学位论文使用授权声明 多多 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。 保密的学位论文在解密后遵守此协议。 抛周舡新虢矿隰 6 0 6 乡 浙江师范大学学位论文诚信承诺书 我承诺自觉遵守浙江师范大学研究生学术道德规范管理条 例。我的学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、 观点等，均已明确注明并详细列出有关文献的名称、作者、年份、 刊物名称和出版文献的出版机构、出版地和版次等内容。论文中 未注明的内容为本人的研究成果。 如有违反，本人接受处罚并承担一切责任。 承诺人( 研究生) ：j 司起， 指导教厩 纠。；乡 1 绪论 1 1 背景简介 地震是一种破坏性极大的自然灾害，它是由地球内部介质局部发生急剧的破 裂，产生的震波在一定范围内引起地面振动，而给人类生命和财产带来极大的损 失。在历史上，1 9 7 6 年7 月2 8 日的我国唐山大地震，有近2 4 万人死亡，直接 经济损失高达5 4 亿元；2 0 0 8 年5 月1 2 日我国四川汶川发生的8 0 级大地震，震 感波及1 6 个省、市、自治区，死亡和失踪共8 7 万多人，直接经济损失8 4 5 1 4 亿元，建筑物和基础设施占总损失七成。由地震造成的巨大灾难严重阻碍了国民 经济的发展和人民生活水平的提高。 由于地震成因的多样性，对于短临地震预测研究一直处于摸索阶段：至今还 没有形成一整套有效和准确的预测方法。而在地震预测的研究中，震前地温的异 常变化现象早己为国内人士和国外研究机构所注意【l 】，1 9 8 8 年苏联学者c r r o n y l 2 1 在研究中亚地区的地震时，发现许多中强地震前出现了大面积卫星热红外异常波 动现象，这引起了当时世界上地震界和遥感界学者的极大关注，从发震红外机理、 野外建站观测、震前监测等多个方面开始研究震前红外异常的内部机制【3 一、地 球表面温度场分布情况与地震活动的关系5 司。我国也在此年开始了这方面的研 究，并因此而打开了利地震前的异常增温图像来进行地震预测研究的新思路 7 - 1 1 】。为了探索震前红外异常发生机理，先后有一大批专家和学者进行了相关方 面的研究，取得了一些进展，获得了一些对于地震规律探索性的发现和规律上的 认识。 l 绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 震前红外异常研究发展 地震热现象，古已有之。1 5 0 3 年1 月9 日，江苏松江地震，有“震前有风 如火 的记载。1 9 2 0 年1 2 月1 6 日，宁夏海原地震，有“未震之前数日，四面 天边，变黄如火焰，睛空干燥，人均感觉焦灼干燥”的记载。1 9 7 5 年2 月4 日， 辽宁海城7 3 级大地震之前，虽已是严冬季节，天气却特别暖和，有时能听到雷 声；个别阴坡没有冻土，长青草，有的地方还发现蝴蝶和昆虫；1 月3 1 日出现 高温低压，从2 月2 日起气温连续上升，气压急剧下降，到2 月4 日，日平均气 温出现顶峰，比常年高8 度。另外，2 月3 日上午3 时至1 0 时，震区气温突然 上升，形成一个以海城为中心的急剧升温区，两个小时内海城增温1 2 度，而离 海城较远的大连市增温2 度。1 9 7 3 年2 月6 日四川炉霍发生7 9 级地震，“震前 几小时风尘大作，风向紊乱，上下乱窜”。1 9 7 6 年7 月2 8 日唐山大地震前冬春 之交，华北和东北不少地区果木植株二次开花甚至结果等【1 2 1 。 自从苏联学者在八十年代发现震前存在热辐射增强现象后，国内外科学家随 后开展卫星热红外数据研究震前的热异常现象，期望通过研究这种热异常现象来 读取震前热异常规律和发生机理，据此来预测地震。主要工作如下： 1 9 9 0 年强祖基等在科学通报发表了题为卫星热红外异常临震前 兆的文章，利用气象卫星热红外资料对1 9 8 9 年1 0 月1 0 号、1 9 号山西大同地 震进行了震前热红外异常追踪，总结了震前异常增温的特征和对发生机理进行了 推测【7 1 。 在2 0 世纪9 0 年代初，我国在国家科委、国家自然科学基金委员会和国家地 震局的支持下，基于地震发光、地震地面增温及地震前卫星红外异常现象的观测 与分析，中国地震局综合观测队与中国科学院遥感应用研究所、中国地震局地球 物理研究所，航天部二院2 0 7 所合作，选择以北京地区为主的2 6 种地壳岩石制 作试件，利用s e 5 9 0 型瞬态光谱仪等仪器，进行了岩石的单轴压缩条件下的红 外辐射一系列观测实验，得出了岩石的热红外温度随应力的变化而变化、临破前 快速上升等变化规律。吴立新等在1 9 9 6 , - - 2 0 0 0 年间对多种加载方式下的岩石红外 辐射效应进行了非常有益的研究，并在国际上率先建立遥感岩石力学( r s l w ) 学科，希望将室内试验推广到卫星遥感4 1 。 2 l 绪论 徐秀登等对1 9 8 9 1 9 9 9 年间的多次地震震前的卫星热红外图像分析的基础 上，初步得出红外异常具有如下基本特征：异常增温多在震前2 2 2 天内突然出 现，增温异常一般经历开始峰值平静这几个阶段【1 5 - 1 6 1 。 马瑾提出了利用遥感技术探测活动断层活动的新思路，并在随后的研究中依 据地表热辐射特性及基本原理，分析了地形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，并对各类去除不能 引起地震的因素进行了探索【1 7 。2 0 】。 刘德富等利用卫星对地遥测长波辐射( o l r ) 信息，分析了华北地块o l r 信 息场的空间分布及其变化特征，结合地震活动分布特点进行了短期预测中强地震 判定指标的方法研究，并对该地震预测方法进行了实践检验【2 1 1 。 国外主要的工作有：1 9 1 3 年英国纪录就有了震前温度异常的记录【l 】，在随后 的工作中，t r o m n 用大量卫星热红外影象对中亚地区进行了研究，得出的结论是 热红外异常的活动性与中亚地震活动带之间具有统计上的相关性，异常增温可达 到几度的量级，异常形态为线状【2 2 之3 1 。o u z o u n o v 和f r e o u d 等使用m o d i s 数据 研究了某些地震前的热红外异常现象2 睨6 1 ，并开展了相应的实验来进行室内研 究。 但是，由于震前异常增温与发震地形、震源深度、以及大气对流有密切关系， 且红外波不能穿透云层，利用红外卫星来观测红外异常受天气影响较大，这就使 得预测无法正常进行；另外，震前如果存在大面积的气象背景增温，就会掩盖由 于板块活动引起的异常增温，或者将正常天气增温误认为异常增温，形成错报。 而通过利用美国n c e p 中心发布的多源数据作为临震预测的数据来源，就能消除 云层的影响，而同时结合天体引潮力计算的周期来选择背景温度，就能提取异常 温度，从而避免正常天气增温的影响。 与此同时，对于在地震发震过程的研究中震前天体引潮力的诱因认识上，也 有一定的进展，有很多的研究地震本身只是地球内部运动的一种力学过程，然而 地球并不是一个孤立的天体，它受宇宙中各种因素的影响，日月引潮力作为其中 一种力学因素，不仅对整个地球的运动产生影响，对局部地壳运动也会产生影响， 虽然地震的力源来自地球内部，但是当震源周围岩石中的构造应力达到临界状态 时，外界因素的影响在一定条件下会引起系统的突变而发生地震，基于这样的物 理思想，国内外天文地震研究者们在日月引潮力对地震的影响问题上一直兴趣不 3 l 绪论 减，不同作者从不同的角度用不同的方法或不同的地震样本，得到不同的结论， 存在较大的争议，争议的焦点早期主要在地震的发生事件是否受天文潮汐的影 响，后来多集中于地震与天文潮汐究竟存在什么样的关系。 地球在月亮和太阳的起潮力作用下，将在地心和月心或日心的两个连线方向 拉伸，在与它们垂直的相应的两个平面内压缩。地球对起潮力的这种响应称为地 球的固体潮，固体潮除了使地球的自转角速度，地球的大地位发生变化外，还在 地球内部形成潮汐应变和潮汐应力。这种应力变化虽然很小，也能引起地球发生 形变，但是能否诱发地震，有不同的观点，从力学观点来看是完全有可能加速破 裂过程而触发地震的。 然而，由于地震孕震和发生过程本身是一个相当复杂的问题，从已有的研究 来看，关于潮汐应力对地震的触发作用问题，并没有得出一致的结论。尤其是如 何认识天体潮汐应力的变化在地震构造活动、不同孕震、发震阶段的能量积累和 释放全过程中所起的作用，以及如何将天体引潮力作为外因与卫星红外异常增温 内因结合预测地震，目前相关方面研究依然有限。 1 2 2 地震分析软件系统发展 2 0 0 1 年8 月，中国地震局地壳应力研究所陆远忠等研制完成了基于g i s 的 地震分析预报软件系统。并在2 0 0 2 年出版了基于g i s 的地震分析预报软件系 统一书，在书中详细说明了地震预报软件系统的各项功能、使用方法，讲述了 地震学预报方法及地震前兆各种分析预报方法的基本原理，介绍了各类地图投影 及图形矢量化的方法【2 7 】。 该系统以w i n d o w s9 8 、m a p l n f o6 0r t m t i m e 为研制平台，实现地震活动、 地震前兆资料、地质构造条件、地球物理环境及其他空间信息的综合分析；其特 点是集成了m a p l n f o 的一些主要功能，实现地图制作和基本操作功能：提供了丰 富的地图数据库，建立了地震预报所需的各类基础数据库、震例库、知识库；能 对多种数据库( s q ls e r v e r 、s y b a s e ) 及多种格式的大规模文件数据进行可视化 的编辑、管理和分析。 但同时也由于红外无法穿透云层、异常增温面积过大，异常时间不确定等原 因存在如下问题：( 1 ) 红外不能有效穿透云层，就获得云层下地表温度，同时也 有可能地震引起的增温过程和气象增温叠加，直接的卫星图像无法识别。( 2 ) 单 4 1 绪论 纯的) 卫星红外图像反映的红外增温面积过大，而震中位于弱异常区或异常区边 缘甚至远离异常区，导致无法有效获得发震位置。( 3 ) 所观测周期过长，以及周 期内多旋回特点带来的时间不确定性，造成大量漏报或误报。 1 3 地理信息系统简介 地理信息系统简称g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，它是指为收集、 管理、操作、分析和显示空间数据的计算机软、硬件系统【2 8 圆】。 地理信息系统是以地理坐标为基础的信息系统，具有强大的处理空间数据的 能力，如地图数字化、矢量和图像的浏览查询、基于空间数据的分析、三维模拟、 虚拟现实、地图输出等。从g i s 系统应用角度，可进一步定义为：g i s 由计算机 系统、地理数据以及用户组成，使用计算机技术实现对地理数据的集成、存储、 检索、操作和分析，经过这些处理后，生成并输出各种信息，从而来实现对各种 综合地理空间信息的处理和分析。 同一般信息系统相比，地理信息系统主要有以下特征：( 1 ) 地理信息系统在 分析处理问题中使用了空间数据库，对于地理现象采用了新的分析方法。( 2 ) 地 理信息系统强调空间决策和分析，通过利用空间模型来分析空间数据和属性，地 理信息系统的成功主要依赖于空间决策模型的研究与设计【3 0 3 1 】。 地理信息系统是建立在计算机信息处理系统上的对地理信息进行处理的，其 综合性决定了该信息处理系统具有很强的宏观处理优势，以下简要介绍地理信息 系统的主要应用方面。 ( 1 ) 测绘与地图制图 地理信息系统技术最初起源于机助制图。近年来，3 s 技术即地理信息系统 ( g i s ) 技术与遥感( r s ) 、全球定位系统( g p s ) 技术在测绘界的推广应用， 为测绘与地图制图带来了一场巨大的转机和新的发展方向。 ( 2 ) 城乡规划 地理信息系统的数据库管理将涉及资源开发、环境破坏、人口管理、交通系 统等多个地理变量和大量数据归并到统一系统中，最后进行城市与区域多目标的 开发和规划，这些规划功能的实现，是以地理信息系统的搜索方法加以保证的。 ( 3 ) 灾害预警 5 l 绪论 地理信息系统借助监测数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾 情监测和洪水淹没损失的估算，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。 ( 4 ) 策略分析 地理信息系统利用拥有的数据库系统，通过一系列策略模型的构建和比较分 析，为国家宏观决策提供依据。例如系统支持下的土地承载力的研究，可以解决 土地资源与人口容量的规划。 总之，地理信息系统正越来越成为综合领域中必不可少的应用工具，相信它 的不断成熟与完善将为社会的进步与社会经济发展作出巨大的贡献。 1 4 天体引潮力计算模型 地震是由在地球内部运动过程中所积累能量的爆发导致的，所起的主要因素 由地球内部运动造成，然而地球并不是一个单一的天体系统，它自身在自转的同 时也受到其周围的各个其他天体的影响，天文潮汐力就是一种影响地震发生的主 要外部因素。过去的研究大都集中在对日月相位与地震发震对应的统计研究上， 后来是将引力与发震点关系着手研究，但都是研究应力引潮力大小对发震的触发 作用。 本文将天体引潮力的周期与地震发震时间对应起来，来解决预测地震发震时 间上的难题和本文在后面要用到的背景增温图像提取时背景温度图像的时间问 题，下面先介绍传统的计算方法。 1 4 1 天体引潮力的计算 天体引潮力为天体对地球某一部分的引力和对地球内一点尸任的引力的矢 量和。以月球为例，如图1 1 所示： 6 l 绪论 ( 确蠢p一 一百厂： 1 粼y 埘 jq 。铲 岖芗 d 图1 1 地球内部任意一点p 受到月亮的引潮力 横坐标轴上的d 表示地球的质心，表示月亮的质心，厂，表示地心和月心 之间的距离，p 。为o u 方向的单位矢量a 由于尸点的离心力q m ( p ) 与月亮对地一c , 0 9 引力厶( 尸) 大小相等并且方向相 反，即 丽= 一厶( 耻一七等i 则天体对地球上任意一点尸产生的引潮力乙( 尸) 丽= 丽+ 丽= 七等i 一后等i ， 万而为月亮在地球内部任意一点p 产生的引力，则： 丽= 尼等i 2 ， 在地球周围运行的天体中，月亮距离地球最近，对地球产生的引潮力也最大； 虽然太阳距离较远，但是太阳的质量s 要比月亮的质量m 大得多，对地球产生 的引潮力也必须计算在内。同理，可得到太阳对地球上任意一点p ( r ) 产生的引 潮力( 尸) ： t a p ) = g j ( p ) + z ( p ) ( 1 3 ) 由于其它天体在地球内部产生的引潮力要比月亮和太阳在地球内部产生的 引潮力小几个数量级则可忽略不计，一般只考虑月亮和太阳的引潮力和f ( 尸) ，即 地球周围天体对地球产生的潮汐矢量和则可用月亮和太l a 在p 点产生的引潮力 矢量来表示： l 绪论 t ( p ) = t m ( 尸) + t ( 户) ( 1 4 ) 由式( 1 1 ) 所示月亮在地球内部任意一尸产生的引潮力，m ( 尸) 是由月亮在p 点的引力场厶( 尸) 和惯性离心力场g 胂( p ) 两部分组成。在具体分析月亮在地球内 部产生的引潮力时，多数情况下利用引潮力位要比利用起潮力方便。因而月亮在 p 点的引力厶( 尸) 可以用它在p 点产生的引力位( 户) 的梯度来表示，即： 厶( 尸) = v 玑( 尸) ( 1 5 ) 而地球内部的惯性离心力口。( p ) 也可以用p 点的梯度来表示 g 。( 尸) = v q 脚( p ) ( 1 6 ) 标量函数( p ) 可称地球在月亮引力场内的平均加速运动在p 点产生的惯 性离心力位。用既( 尸) 表示引力位叱( 尸) 和惯性离心力位如( 尸) 的和，即： 既( 尸) = ( p ) + g 小( 尸) ( 1 7 ) 则有： 乙( p ) = v ( p ) ( 1 8 ) 既( 尸) 称为月亮在地球内部任意一点尸产生的引潮力位，是个标量函数，而 引潮力乙( 尸) 是p 点的矢量函数。 将月亮在尸点引力位u m ( p ) 展成二的级数，有： 厶 u 舻m 等( ( c o s z = ) ( 1 9 ) 其中e n ( c o s 乙) 为c o s 乙的以阶勒让德多项式。 上式即为： 岬m 钟辩rn 帕乙) 其中乙是月亮x c p 点的地心天顶距。 式1 1 0 的第一项只与地心和月心之间的距离有关，它与形( p ) = 既( p ) + 形( 户) 点在地球内部的位置径矢，无关，l i x c r 来讲，它是常数项，舍去此常数 项，则月亮在地球内部任意一点p 产生的引潮力位是： 8 l 绪论 ( p ) = 七等薹( 考) “只( c 。s 乙) ， ( 1 1 1 ) 睨( 尸) = 七等( 寺) 2 忍( c 。s 乙) + ( 考) b ( c 。s 乙) ) ( 1 1 2 ) ，胛 ，肘 。 彬( p ) 一s z ( r - - ) n = 2 ”( c 。s 乙) ( 1 1 3 ) l s ls ( 尸) ：七丝( 与： 昱( c 。s z 埘) + ( r - - - ) g ( c 。s z 胛) ) + ks - - ( l ) z 昱( c 。s 乙) ( 1 1 5 ) 、 。 w ：后m l ，r 2i ( 3 ( a ix s i n 【妒+ ax c o s 【缈】) 2 一圭) + ( 詈) 圭( 5 ( a ix s i n 伊】| 1 i + 呸x c o s q ， ) 2 - 3 ( a i s i n m + 吒c o s 【妒】) )j ( 1 1 6 ) + 七墅 9 l 绪论 哆酊 八 八八i vv 图1 2 天体引潮力变化图形示例 1 4 2 天体引潮力在地震分类上的用途 = 融妻 = 1 i ( 1 1 7 ) i j = 面n 2p + 2 ，旯+ c 珂+ ，】c 7 e 2 叫) 既 1 1 2 o 帕2 p m p 垒尘l 铲一c 兄+ ， + | 咝n 燃( n 产等一螋学业l 等i 1 ) ，2疗2 ja 秒。 墅生三铲一c 五+ ， + 陋型! 竺! 丝了r 2 一坠翌堡唑坐| c o t o a w , , n ( n - 1 ) ，2 2 l a p l o p 生掣 = 以 盯 l 绪论 咿坐掣p c 等叫等 仃柙= 二一p 卜了一1 ) 昔 二m h r o 乇 q 丑2 仃加= 0 20 2 0 = 0 其中，m = 2 ( 2 n 2 + 4 n + 3 ) a + 2 ( n 2 + ，z + 1 ) ，p 为球平均密度，r 是地球的平 均半径，名、为弹性介质的系数。随后，将常用的球坐标系转换为震源直角坐 标系，并将日、月潮汐引力在地球内的应力张量相加，如下： f = k 形k 7 ( 1 1 8 ) - 丸岛疋 名= f 日+ f 月= l 屯i ( 1 1 9 ) 【屯如屯j l c o s as i n a0 i k 5 l - 一s ：；l 彳c 薯彳? j 1 2 。) 然后由震源直角坐标系转换为地震应力主轴坐标系，得到天体引潮力沿发震构造 的主压、主张应力轴上产生的附加构造应力昂、a t 。 a ，2 ( - c o s v s n 【q 1 _ 。s q 】s n 【y ? 2 万x x + ( ，c o s 【q 】c 。s 【y 】 ( 1 21 ) 一s i n h s i n q s i n v ) 16 咿+ c o s h is i n v 16 霞 砧= ( - c o s 纠s 掣h + s i n q ，s i n v ) ，2 8 = 一( c 。s 阶。s 【h 】s i n q ( 1 2 2 ) + c o s q s i n v ) i6w + c o s h zc o s v z6 。 在公式( 3 2 1 ) 、( 3 2 2 ) 中，q 、v 、h 为坐标变换的旋转角度，可由震源参 数关系推导得【3 3 1 ，8 x x 、6 w 、6 忍为震源直角坐标系下日、月潮汐应力分量。 根据发震过程中天体引潮力对发震构造的作用方位变化与构造活动场( p 、t ) 的组合配置关系，可将天体引潮力附加构造应力昂、西对断层作用分为五种所示： 1 绪论 气 图1 3 天体引潮力附加构造应力对发震断层的作用分类 ( 1 ) 增压型促滑：卯、打皆与p 、t 轴同向即( 卯 0 ，加o ) 。( 图1 3 ( a ) ) 。 ( 2 ) 减压型促滑：卯、卯皆与p 、t 轴反向即( 0 p 0 ，砑 0 ，卯 0 ) 。( 图 1 3 ( c ) ) 。 ( 4 ) 减压增张型促滑：卯与p 轴反向，钾与t 轴同向即( 卯 o ) ( 图 1 3 ( d ) ) 。 ( 5 ) 无促滑作用：卯、卯与中轴平行。( 图1 3 ( e ) ) 。 通过以上分析，将天体引潮力对发震断层的诱发作用由传统的增压、减压扩 展分为三类：( 1 ) 增压型附加构造应力，增大断层面的正压力和剪切应力，促进 断层应力状态达到破裂滑动的强度而发震；( 2 ) 减压型附加构造应力，在降低断 层面的正压力的同时，降低了断层面的破裂滑动强度，使断层失稳，提前释放已 有的构造应变能而诱发地震；( 3 ) 增压减张和减压增张的综合型，通常为改变单 侧岩石应力大小，打破原有的平衡，释放岩石中已有的构造应变能，诱发地震。 1 5 理论和实际意义 地震预测是公认的科学难题，任何有创意的新方向研究对人类社会的带来深 远的意义，本文拟实现的总目标是将利用n c e p 资料来进行震前异常增温的研究 和利用天体引潮力计算模型来提取背景温度的选择时间，本文对地震预测科学研 1 2 l 绪论 究具有一定的推动作用，同时也具有深远的社会政治经济意义。论文的研究意义 有以下几点： ( 1 ) 进一步验证了震前增温这一现象 目前，对地震前大气增温这一现象，依然还得不到广泛的认可，通过此研究， 能够进一步验证震前增温这一现象和推广对这一理论的认识，加深对震前增温异 常的认识。 ( 2 ) 开辟新的地震监测和预测方法 完善地震监测手段，把地震预测由常规的地面观测和卫星云图监测为主推进 到利用现代遥感技术，以卫星遥感测、天体引潮力计算和计算机分析决策为主的 新阶段，实现地空结合立体监视，地球内应力和天体外引力共同作用、多学科交 叉相互验证补充中短临紧密衔接步步追踪的地震监视预测思路，为今后突破地震 短临预测难关开辟蹊径。 ( 3 ) 加速计算机信息系统在地震预测中的应用 在目前的地震预测中，计算机的应用比较少，没有形成系统的方法，且大多 数的地理研究的计算机应用集中在g i s 、遥感图像处理方面和数字地形方面，本 文开始了在将计算机系统和地震预测研究相结合方面的探索，此次研究对加速计 算机在地震预测中的应用起了推动作用。 1 6 论文构成 本文共分五章，结构如下： 第一章，主要介绍了课题背景、地震前热异常研究和地震分析软件的发展状 况，地理信息系统的概念，天体引潮力计算模型以及本文研究的意义。 第二章，介绍了数据格式，提出了区域差异性混合算法来对数据进行处理。 第三章，详细描述了平台开发整体方案以及具体实现。 第四章，应用本系统分析了两个震例，并对分析结果进行了阐述。 第五章，总结了本文的主要工作并对对未来工作进行了展望。 1 3 2 1 数据来源 2 数据处理方法选择及优化 为了尽可能消减干扰因子的作用，提高空间分辨率，更准确反映震前温度变 化，对该多信息源综合处理方法，主要是对美国国家环境预报中心提供的数据 ( g l o b a lr a w i n s o n d ed a t a c o a d ss u r f a c em a r i n ed a t a a i r c r a f td a t a s u r f a c el a n ds y n o p t i cd a t a s a t e l l i t es o u n d e rd a t a s s m is u r f a c e 谢n d s p e e d s ) 以及传统气象观测温度资料、地面长波辐射( o r l ) 观测资料、静止 气象卫星观测资料进行多元复合处理。 选取多源资料作为地震预测参考的主要原因有：由于在某些特定时段和地区 由于震前存在大量的对流云系，红外波不能穿透云层，而现有技术也不能去掉云 层来提取所需数据，导致无法得到地面增温异常的现象，使得震前异常监测无法 进行；同时，震前如果存在大面积的气象背景增温，就会掩盖由于构造活动引起 的异常增温，还会导致漏报。与此同时，本文中的短临地震预测分析主要是通过 分析板块构造运动来从宏观上预测地震可能发生的区域和断裂带，该资料能够满 足分析上的宏观需求，而且该资料在每天的四个时次发布，能满足分析的时间要 求；同时，该数据提供在不同高度层的温度分布，有利于在不同地形环境下进行 异常温度提取，能够满足复杂地形的需求，比如海平面的异常温度提取在接近海 平面，而大陆异常温度的提取则在海拔较高的部位。因此，相比较其他数据，更 能满足本文中研究的需求。因此，在本论文中采用了该资料。 对该多源数据进行处理后，数据集中的逐日高空资料子集( d s 0 9 0 0 ) 是一 个容量巨大的数据集，当前资料的起始与1 9 5 8 年1 月1 日0 0 时。以某个时间的 地面实测温度资料为基础，再辅以同一时间所有可用的观测资料，消除观测系统 更新带来的影响，使资料尽可能准确n c e p 资料具有资料分析时间尺度长、空间 范围广、全球标准统一、不受云层干扰等特点，是最具综合性、全球性的气象再 1 4 2 数据处理方法选择及优化 分析资料( k a l n a y e ，k a n a m i t s u m ，k i s t l e r r ，e t a l 1 9 9 6 ) 。 数据格式为g r i b ( g r i di nb i n a r y ) ，能够直接访问( d i r e c ta c c e s sb i n a r y ) ， 一个网格点上( 即一个确定的经纬度高度和时刻) 可以有任意多个物理变量，可 以将其看成一个大数组，其排放顺序为先x ( 经度) 、y ( 纬度) 、z ( 高度层数) 然后是各种物理变量，最后是时次。 2 2 空间插值技术 离散数据是指位置分布不规则的数据。在气象以及其他地理抽样调查等领 域，由于受观测技术和观测点的限制，无法得到所有地理位置上的观测值，获取 到的是离散数据，如图2 1 所示。在本文中所用到的美国国家环境预测中心所测 定的数据就是离散数据。离散数据的平面二维地理空间定位由不规则分布的离散 样点平面坐标实现，第三维为高程和属性值j 。空间插值是指通过己知的数据点 或己知的己划为各个相对小一些的区域内的数据点，计算出相关的其他未知点或 相关区域内的所有点的方法【3 5 。6 1 。通过插值，可以估计某一网格点处缺失的观测 数据，以提高数据密度；可以使数据网格化，把非规则分布的空间数据内插为规 则分布的空间数据，如图2 2 所示。 根据不同的标准，有多种不同的分类方法，依据空间插值的基本假设和数学 本质将空间内插分类为：几何方法、统计方法、空间统计方法、函数方法。随机 模拟空间插值是一类常用的重要算法，主要包括：距离倒数乘方法、克里金法、 最小曲率法、多元回归法、三角网线形插值法、自然邻点插值法、最近邻点插 值法等1 3 7 - 3 8 1 。 1 5 2 数据处理方法选择及优化 图2 1 离散数据图2 2 规则分布数据 2 2 1 距离倒数乘方法 距离倒数乘方法是一个加权平均插值法，可以进行确切的或者圆滑的方式插 值。方次参数控制着权系数如何随着离开一个格网结点距离的增加而下降。对于 一个较大的方次，较近的数据点被给定一个较高的权重份额，对于一个较小的方 次，权重比较均匀地分配给各数据点。计算一个格网结点时给予一个特定数据点 的权值与指定方次的从结点到观测点的该结点被赋予距离倒数成比例。当计算一 个格网结点时，配给的权重是一个分数，所有权重的总和等于1 0 。当一个观测 点与一个格网结点重合时，该观测点被给予一个实际为1 0 的权重，所有其它观 测点被给予一个几乎为0 o 的权重。换言之，该结点被赋给与观测点一致的值， 这就是一个准确插值【3 9 1 。 2 2 2 克里金插值法 克里金插值法( k r i g i n g ) 又称空间自协方差最佳插值法，它是以法国人d q k r i g e 的名字命名的一种最优内插法。克里金插值法不仅考虑观测点和被估计点 的相对位置而且还考虑了各观测点之间的相对关系。 克里金法分为两步：第一步是对空间场进行分析，即在充分了解场的性质的 前提下，提出变差函数模型；第二步是在该模型的基础上进行克里金计算。计算 变差函数是克里金插值法的核心问题。由于变差函数既可以反映变量的空间结构 特性，又可以反应变量的随机分布特性，所以利用克里金方法进行空间数据插值 往往可以取得理想的效果。另外，通过设计变差函数，克里金方法很容易实现局 1 6 2 数据处理方法选择及优化 部加权插值，这样就克服了一般距离加权插值方法插值结果的不稳定性。 克里金法是一种方差最小的空间插值技术，并且是在空间结构分析的基础上 进行插值，因此充分利用了数据空间场的性质，在插值过程中可以反映空间场的 各向异性，并且充分利用数据点之间的空间相关性。该方法的缺点是费时和浪费 计算资源。 2 2 3 三角网插值法 三角网插值法使用最佳的d e l a u n a y 三角形，连接数据点后形成三角形网络， 如图2 3 所示。 图2 3d e l a u n a y 三角网 d e l a u n a y 三角网具有如下特性： 在由点集所形成的d e l a u n a y 网中，其中数据点形成的三角形的外接圆都 不包含点集中的其它任何数据点； 在组建网络时，总是选择最邻近的点形成三角形并且不与约束线段相交； 在由数据点所能形成的三角网中，d e l a u n a y 网中三角形中的内角最小值 是最大的： 不论从区域何处开始构网，最终都将得到唯一的结果，即构网具有唯一 性。 三角网插值法充分利用了已知点的信息，反映的主要是数据点与其邻近点 之间的拓扑连接关系。由于该方法内插曲面各处的斜率变化都被充分集中到各个 三角形的顶和边，以至有的等值线呈现出不令人满意的锯齿状。在地质勘探初期， 对各种变量的等值线图的光滑性的要求相对低一些，因此，三角网插值法是具有 1 7 2 数据处理方法选择及优化 应用价值的。 2 2 4 趋势面拟合法 趋势面拟合技术是一种较常用的整体插值方法，根据有限的观测数据拟合 曲面，进行内插。它的基本思想是用函数代表的面来拟合现象特征的趋势变化。 多项式回归分析是描述长距离渐变特征的最简单方法。多项式回归的基本思想是 用多项式表示线或面按最小二乘法原理对数据点进行拟合，线或面多项式的选取 取决于数据是一维还是二维。对于二维空间拟合时，如果数据点的空间坐标x 和y 为独立变量，而表征特征值的z 坐标为因变量，则其一二元回归函数为： z = a o + a l x + a 2 y ( 一次多项式回归)( 公式2 1 ) z = d 0 + 口l x + a 2 y + a 3 x 2 + a 4 x y + a s y 2 ( 二次多项式回归)( 公式2 2 ) 上述公式中，a o ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，a 4 ，a 5 为多项式系数。当n 个采样点上观 测值z 和估计值的误差平方和最小时，即： n 2 t = l ( z 一z ，) = m 洫 ( 公栅) 则认为回归方程与被拟合的线或面达到了最佳配准，由此计算出多项式系 数。回归函数的次数并非越高越好，一般次数为2 或3 就可以了。次数高的多项 式能够很好的逼近观测点，但会使计算复杂，而且在内插、外推的效果上会降低 分离趋势的作用，使整体趋势分离，降低趋势规律的反映。趋势面拟合技术不仅 可以应用于整体空间的独立点内插，而且可以揭示区域中不同于总趋势的最大偏 离部分。 2 2 5 最近邻点插值法 最近邻点插值法