基于COSMIC技術(shù)的震前電離層異常研究

解 琨，蘭孝奇

（河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210098）

基于COSMIC技術(shù)的震前電離層異常研究

解 琨，蘭孝奇

（河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210098）

介紹COSMIC技術(shù)反演電離層電子密度的研究現(xiàn)狀、技術(shù)和方法，驗(yàn)證其可靠性；并利用COSMIC掩星數(shù)據(jù)計算分析2011－03－11東日本大地震震前5 d及地震當(dāng)天震區(qū)上空電離層電子密度分布，探測到顯著的震前電離層異?，F(xiàn)象，證明COSMIC技術(shù)研究地震電離層異常的可行性。

COSMIC；GPS；震前電離層異常；地震預(yù)報

地震，是自然界中對人類威脅最大的災(zāi)害之一。千百年來，人類堅(jiān)持不懈地探索著預(yù)報地震的有效方法。尤其在近代，隨著掩星技術(shù)、GPS技術(shù)、高空雷達(dá)射線技術(shù)等空間技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家已經(jīng)在地殼形變、地下流體、地電與地磁異常研究等方面取得了很大進(jìn)展，為地震短臨預(yù)報做出巨大貢獻(xiàn)［1－8］。其中，COSMIC作為掩星系統(tǒng)里面最穩(wěn)定的技術(shù)，因具有觀測區(qū)域大、周期短、受客觀天氣影響小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為震前地磁異常研究領(lǐng)域里的熱點(diǎn)［9］。

2006年COSMIC掩星系統(tǒng)成功組網(wǎng)后，在大氣反演等方面迅速受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，但是將其應(yīng)用在地震預(yù)報領(lǐng)域的研究還不是很多。周義炎等［10］在深入研究了掩星技術(shù)反演的原理并通過計算和對比后指出該技術(shù)在震前預(yù)報方面有廣闊的應(yīng)用前景；臺灣中央大學(xué)Liu等［11］分析了1999－09～2002－12之間臺灣地區(qū)20多次震級大于 Ms6．0級的地震發(fā)生前的電離層觀測數(shù)據(jù)，證明有16次地震在發(fā)生前5 d出現(xiàn)了電離層異常；楊劍等［12］利用GPS掩星技術(shù)研究了2006－11－15日本千島群島Ms8．0級地震和2007－02－25青海 Ms5．3級地震臨震前震區(qū)上空附近電子密度的異常變化，驗(yàn)證了掩星技術(shù)在震前電離層異常探測方面的可行性。

本文首先介紹了COSMIC技術(shù)的反演原理，并在此基礎(chǔ)上利用COSMIC實(shí)測數(shù)據(jù)與日本MU探空雷達(dá)數(shù)據(jù)比較，以驗(yàn)證所取COSMIC數(shù)據(jù)的可靠性，同時也為后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對提供參考；然后對2011－03－11東日本大地震震前5 d及地震當(dāng)天電子密度變化進(jìn)行分析，以探討COSMIC技術(shù)在地震電離層異常研究中應(yīng)用的可行性。

1 反演原理及數(shù)據(jù)可靠性分析

1．1 反演原理

由GPS衛(wèi)星發(fā)射的電波信號到達(dá)COSMIC衛(wèi)星之前，受到電離層和大氣的折射作用使電波路徑發(fā)生彎曲，彎曲角的大小與電離層和大氣的折射率梯度有關(guān)。由測量得到的電波多普勒頻移以及衛(wèi)星的位置和速度，可計算出電波路徑彎曲角，再反推出折射率，最后由折射率計算出電離層電子總量TEC（Total Electron Content）、電子密度、溫度和壓強(qiáng)等物理參量。隨著GPS衛(wèi)星和COSMIC衛(wèi)星的相對運(yùn)動，電波路徑完成從上到下（或從下到上）的掃描，一次完整的掃描過程稱為一次掩星事件（見圖1、圖2）。當(dāng)掩星切點(diǎn)（電波路徑上離地心最近的點(diǎn)）高度在電離層高度，稱為電離層掩星。

計算時需要的數(shù)據(jù)包括COSMIC掩星及GPS衛(wèi)星的精密軌道數(shù)據(jù)（SP3格式），掩星天線接收到的觀測文件（BIN格式），以及相關(guān)掩星表（NC格式）等。

1．1．1 電離層電子斜總含量TEC的解算

反演首先是從計算斜總量電子含量TEC開始的。所謂斜總電子含量是指從GPS衛(wèi)星發(fā)射的電波信號穿過電離層，最終到達(dá)COSMIC接收機(jī)的傳播路徑上的總的電子含量。TEC定義為給定頻率的無線電波沿傳播路徑的電子密度積分

利用折射率可以計算沿傳播路徑的電子密度。對于相位折射指數(shù)的一階展開式，折射率可用下式求得：

式中：C≈40．3 m2s－1，f為信號頻率，Ne為電子密度。

而且通過雙頻相位時延也可消除發(fā)射和接收機(jī)之間的幾何誤差和鐘差。

1．1．2 利用TEC求導(dǎo)彎曲角和碰撞參數(shù)

GPS信號在傳播路徑上的瞬時微分彎曲角可表達(dá)為COSMIC衛(wèi)星上使用的是雙頻GPS接收機(jī)，因此，式（2）可以變換為［12］

對全信號積分，則式中：α是指對應(yīng)的碰撞角，a為切點(diǎn)至地心距離即碰撞參數(shù)，r是從地心到電波傳播路徑上積分線元的距離，如圖2所示。

由于電波通過電離層引起的彎曲角非常小，周義炎等［10］通過計算得出式（5），可實(shí)際用于計算彎曲角和射線碰撞參數(shù)式中：S0為COSMIC衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星的幾何距離，SL為COSMIC至直線碰撞點(diǎn)（地心到COSMIC與GPS連線的垂足點(diǎn)）的幾何距離，SG為GPS至直線碰撞點(diǎn)幾何距離，a是彎曲射線路徑對應(yīng)的碰撞參數(shù)。通過變換，彎曲角計算變?yōu)榭傠娮雍縏EC對碰撞參數(shù)求導(dǎo)。

1．2 掩星數(shù)據(jù)可靠性分析

圖3 2011－03－01日本上空COSMIC和MU雷達(dá)實(shí)測電離層電子剖面比較

為了驗(yàn)證COSMIC數(shù)據(jù)的可靠性，也為后續(xù)震例分析提供數(shù)據(jù)對比，本文利用OCC＃2號衛(wèi)星數(shù)據(jù)（COSMIC衛(wèi)星編號以O(shè)CC＃開頭）計算了東日本地震震前第10 d，即2011－03－01T1T：34左右震區(qū)附近上空電子密度，并與公布的MU探空雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，對比結(jié)果如圖3所示。MU雷達(dá)在非相干散射模式下工作，從得到的電子散射信號功率反演電子密度剖面。400 km以上，雷達(dá)非相干散射信號減弱，信噪比降低，精度下降。但在其他部分，如F2層電離層密度峰值（NmF2）與COSMIC結(jié)果相差都不超過10%，符合精度要求［10］。多個掩星觀測計劃的結(jié)果表明，掩星所獲得的電離層電子密度與其它電離層探測手段相比，其誤差在30%以內(nèi)［10］。通過二者比較說明，COSMIC觀測得到的電子密度可靠，反演方法可行。

2 震例分析

以2011－03－11東日本大地震（M9．0級，震中位于北緯38．1°，東經(jīng)142．6°）為例，本文又計算了震前5 d及地震當(dāng)日震區(qū)電離層電子密度，并繪制出如圖4～圖15所示的電子密度剖面圖譜及掩星切點(diǎn)的軌跡線。圖4、6、8、10、12、14曲線代表利用不同掩星衛(wèi)星反演不同時刻近似區(qū)域內(nèi)的結(jié)果，圖5、7、9、11、13、15則是該衛(wèi)星發(fā)生掩星時的切點(diǎn)軌跡。結(jié)合圖3的數(shù)據(jù)，從圖4中可以得到以下幾個方面：

1）3月1、6日震區(qū)上空電子密度曲線變化不大，尤其是NmF2層峰值一直維持在12～13＊105el·cm－3左右。因此，這兩日的數(shù)據(jù)可視為震區(qū)上空正常電離層電子密度表征，也就是說，截止6日還沒有出現(xiàn)因地震引起的電離層異常現(xiàn)象發(fā)生。

2）相比3月1、6兩日，7日開始，NmF2層電子密度峰值一直處于遞減趨勢。其電子密度峰值從6日的12＊105el·cm－3逐日遞減，7日平均達(dá)到9．5＊105el·cm－3，8、9兩日降到3．5＊105el·cm－3左右，10日降到2＊105el·cm－3以下，5 d降幅達(dá)到83%。地震當(dāng)日（11日）NmF2電子密度峰值處于最低谷，達(dá)到1．5＊105el·cm－3，累積降幅超過90%。而且，臨近地震發(fā)生日及震中的密度曲線有大范圍不同程度的無規(guī)律震蕩。

3）與此同時，7日開始，D、E（60～150 km）兩層電子密度出現(xiàn)較大幅度跳躍，表現(xiàn)在同一天、相近時段、相同區(qū)域內(nèi)探測的電子密度存在很大差異。7日，起始高度電離層密度分別為0．8＊105el·cm－3、2．5＊105el·cm－3、4＊105el·cm－3，最大相差近80%；8、9日平均為0．3＊105el·cm－3、3．2＊105el·cm－3，相差超過90%；10日為－0．2＊105el·cm－3、0．2＊105el·cm－3、0．5＊105el·cm－3出現(xiàn)負(fù)異?，F(xiàn)象，且最大相差達(dá)到60%。

目前，GPS掩星解算電子密度的相對精度為10%～20%［13］，所以，NmF2的這些變化不是解算誤差。同時，查詢3月5～11日天氣（http：＼www．spaceweather．gov．on）顯示全球地磁相對穩(wěn)定、無磁暴，這就可以排除外層空間活動的影響。因此，上述異?，F(xiàn)象可視為臨近地震前的電離層擾動異常。

1）地震發(fā)生前至少5 d內(nèi)，震區(qū)上空電離層會伴隨一些異?，F(xiàn)象發(fā)生。

2）異常主要表現(xiàn)在NmF2層電子密度峰值出現(xiàn)較大幅度降低、電子密度曲線發(fā)生大區(qū)域震蕩以及D、E層電子密度發(fā)生跳躍。

3）通過以上實(shí)驗(yàn)說明，利用COSMIC掩星數(shù)據(jù)分析地震電離層異常的方法是可行的。但是鑒于本文考察的震例有限，這一結(jié)論還需大量的實(shí)例來驗(yàn)證。但是我們有理由相信，利用掩星技術(shù)，并結(jié)合地基GPS和電離層探測儀，局部地區(qū)的電離層電子密度變化情況將會更加明晰，獲取遍布全球的高時空分辨率電離層參數(shù)將不再是難題，從而進(jìn)一步推動地震預(yù)報和預(yù)測的水平，更好地為國家的防震減災(zāi)事業(yè)服務(wù)。

3 結(jié) 論

通過計算分析震中附近的COSMIC掩星數(shù)據(jù)，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

［1］杜品仁，蔣和榮，郭兼善．電離層異常能否作為地震前兆的研究［J］．地震，1998，18（2）：119－126．

［2］丁鑒海，索玉成，余素榮．地磁場與電離層異?，F(xiàn)象及其與地震的關(guān)系［J］．空間科學(xué)學(xué)報，2005，25（6）：536－542．

［3］吳云，喬學(xué)軍，周義炎．利用地基GPS探測震前電離層TEC異常［J］．大地測量與地球動力學(xué)，2005，25（2）：36－40．

［4］張強(qiáng)．震前電離層TEC異常分析［J］．大地測量與地球動力學(xué)，2007，27（3）：91－96．

［5］張強(qiáng)．地基GPS監(jiān)測電離層TEC及其與地震活動關(guān)系的研究［D］．武漢：中國地震局地震研究所，2007．

［6］Liu J Y，Chen Y I，Chou Y J，et al．Variation of ionospherictotal electron content during the Chi－Chi earthquake［J］．Geophysical－Research Letters，2001，28（7）：1383－1386．

［7］Plotkin V V．GPS detection of ionospheric perturbation before the 13 February 2001，Salvador earthquake［J］．Natural Hazards and Earth System Science，2003，3：249－253．

［8］Trigunait A，Parrot M，Pulinets S A，et al．Variation of ionospheric electron density during the Bhuj seismic event［J］．Armales Geophysicae，2004，22：4123－4131．

［9］吳小成．電離層無線電掩星技術(shù)研究［D］．北京：中國科學(xué)院，2008．

［10］周義炎，吳云，喬學(xué)軍，等．GPS掩星技術(shù)和電離層反演［J］．大地測量與地球動力學(xué)，2005，25（2）：29－35．

［11］Liu J Y，Chen YI，Chou Y J，et a1．Variation of ionospheric total electron content during the Chi—Chi earthquake［J］．Geophysical Research Letters，2001，28（7）：1383－1386．

［12］楊劍，吳云，周義炎，等．利用GPS無線電掩星數(shù)據(jù)研究震前電離層異常［J］．大地測量與地球動力學(xué)，2008，28（1）：16－22．

［13］郭鵬．無線電掩星技術(shù)與CHAMP掩星資料反演［D］．北京：中國科學(xué)院，2005．

Research on seismo－ionospheric anomales based on COSMIC technology

XIE Kun，LAN Xiao－qi
（School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

We systematically introduced the COSMIC ionospheric electron density inverseon technology theories and methods，and verified its reliability．Then，using COSMIC data，we calculated and analyzed 5－days’seismic ionospheric electron density distribution over the seismic area，which happened on March 11，2011 in north－east Japan．From the research we have done，we have got significant phenomenon on seismoionospheric anomalies and confirm the truth of feasibility on this field．

COSMIC；GPS；seismo－ionospheric anomalies；earthquake prediction

P228．4

A

1006－7949（2012）03－0063－04

2011－06－22

解 琨（1986－），男，碩士研究生．

［責(zé)任編輯劉文霞］