被动微波遥感应用于地震监测的关键问题研究

Seismic Thermal radiation anomalies phenomena has been concerned worldwide in earthquake academia. Scientists have carried out a lot of research work using satellite infrared technology in the recent thirty years. And now thermal infrared has become one method of seismic monitoring. The rock mechanics experimental results show that the radiation will enhance in microwave band besides infrared band. Compared with the infrared remote sensing, microwave remote sensing can penetrate clouds, which make it have greater potential in seismic monitoring. But the research on seismic microwave radiation anomalies is very lack, many key problems of its application in earthquake monitoring is not be solved. According to the physical characteristics of the passive microwave remote sensing, two study area (North West China with less soil moisture and sparse vegetation; South West China with high soil moisture and rich vegetation) are selected in this project. And SSM/I（SSMIS）data observed by the defense meteorological satellite program as data source. The project intends to find the best microwave channel response to earthquakes based on the establishment of microwave radiation anomaly index in different region and seismic cases study, and then seismic microwave radiation signal characteristics will be summarized. Finally, the difference and the correlation between infrared radiation and microwave radiation during the seismogenic period will be analyzed by comparing infrared and microwave remote sensing data observed by the same satellite, which will provide a scientific basis for expanding earthquake monitoring available remote sensing bands.

地震热异常现象已受到国内外地震科学领域的广泛关注。近三十年来，科学家利用卫星红外技术开展了大量研究工作并将其作为地震监测的手段之一。而实验室岩石力学实验结果表明岩石受力过程中除了红外通道，微波通道也会出现辐射增强现象。相比红外遥感，微波能够穿透云层，在地震监测中应更具应用潜力。但目前国内外针对微波数据开展的相关研究十分有限，将其应用于地震监测的一些关键问题仍未得到解决。根据被动微波遥感的物理特性，本项目拟选择我国西北（土壤含水量少、植被稀疏）和西南（土壤含水量高、植被丰富）两个地震多发区为研究区，以美国国防气象卫星微波成像仪SSM/I（SSMIS）为数据源，通过建立不同区域微波辐射异常指数和开展典型震例分析，找寻微波地震响应优势通道，研究强震微波辐射信号特征；并通过对比相同卫星平台红外和微波数据，分析孕震过程中红外和微波辐射表现特征的差异与关联，为拓展地震监测可用遥感波段奠定科学依据。

地震热异常现象已受到国内外地震科学领域的广泛关注。近三十年来，科学家利用卫星红外技术开展了大量研究工作并将其作为地震监测的手段之一。而实验室岩石力学实验结果表明岩石受力过程中除了红外通道，微波通道也会出现辐射增强现象。相比红外遥感，微波能够穿透云层，在地震监测中应更具应用潜力。但目前国内外针对微波数据开展的相关研究十分有限，将其应用于地震监测的一些关键问题仍未得到解决。本项目旨在利用被动微波遥感数据研究与地震监测相关的关键技术。基于2008-2017年DMSP SSMIS 多极化多频段微波亮温数据，我们利用逐步回归法研究了沙漠、积雪覆盖、植被覆盖以及海洋四种不同下垫面区内不同环境变量对微波亮温变化的敏感性。结果表明，不同的下垫面区内影响微波亮温变化的主导因素存在明显差异。在此基础上，本项目提出了微波辐射异常指数IMRA，分析了孕震区微波辐射异常指数的时间和空间变化。针对我国1997年玛尼、2001年昆仑山口西、2008年汶川地震、2013年芦山地震、2017年九寨沟地震以及2015年尼泊尔地震等7级以上强震，开展了微波亮温不同频段和极化对地震热异常的响应特征研究。结果显示，几个地震前均存在显著的微波亮温异常，异常出现在震前2周-2个月，且沿发震断层展布，震后恢复平静。我们的研究结果还显示对于发生在低土壤湿度区的地震事件，19GHz更为敏感，而对于高土壤湿度区，37GHz对震前热异常的响应更好。此外，本项目还利用空基和地基平台观测获得的地表及大气层多个参量对上述强震开展了初步分析。分析结果表明，临震前不同圈层的多个参量均会出现准同步的异常变化，且微波亮温的异常变化在时间上早于其他大气参量的变化，这揭示了地震孕育过程中与热活动相关异常变化从浅层地表到低层大气自下而上的传递过程，这些研究结果对进一步理解地震异常机理具有重要意义。